Automatyka na szynach. Część 2

Rys. 1. System sterowania podstacją trakcyjną firmy Elester PKP zbudowany w oparciu o sterowniki CZAT 3000plus

Sieć trakcyjną dzieli się na dwie części: sieć jezdną napowietrzną oraz sieć powrotną. Na część napowietrzną składają się konstrukcje wsporcze, na których zawieszone są przewody jezdne przewodzące prąd przekazywany dalej za pośrednictwem pantografu do pojazdu trakcyjnego. Część powrotną sieci trakcyjnej stanowią szyny.

Są one połączone kablem powrotnym z podstacją. Sieć trakcyjna jest dzielona na odcinki, które można wyłączać - na przykład w razie awarii lub w czasie konserwacji - bez zakłócania ruchu pojazdów przemieszczających się po sąsiednich torach.

Trakcja zasilana jest przez zasilacz w postaci linii kablowej doprowadzającej energię elektryczną z podstacji trakcyjnej, czyli stacji elektroenergetycznej zasilanej z systemu elektroenergetycznego. Na wypadek przerw w dostawach energii elektrycznej lub spadków napięcia sieć trakcyjna jest zasilana dwustronnie - tzn. każdy odcinek sieci jezdnej jest zasilany oddzielnym kablem z dwóch różnych podstacji.

STEROWANIE ODŁĄCZNIKAMI SIECI TRAKCYJNEJ

Fot. 1. Szafa sterownicza systemu KSO-CZAT

Zarządzanie siecią trakcyjną polega przede wszystkim na sterowaniu odłącznikami, które dzielą ją na odcinki (odłączniki sekcyjne) lub załączają/odłączają zasilanie do/ od poszczególnych części trakcji (odłączniki kabla zasilacza).

Wyróżnia się sterowanie lokalne - wówczas napędem odłącznika steruje się "na miejscu", korzystając z przełączników w szafie sterowniczej znajdującej się na przykład na posterunku ruchu lub na podstacji trakcyjnej, oraz sterowanie zdalne z centralnej dyspozytorni.

W pierwszym z przypadków można sterować odłącznikami rozlokowanymi na określonym terenie. W przypadku sterowania zdalnego zasięg terytorialny oraz liczba odłączników, którymi można zarządzać, są znacznie większe.

Przykładem systemu sterowania odłącznikami sieci trakcyjnej jest KSO-CZAT oferowany przez łódzką firmę Elester-PKP. Za jego pośrednictwem można lokalnie lub zdalnie zarządzać odłącznikami wyposażonymi w napędy typu ONS lub NTS z transformatorami separacyjnymi lub bez nich.

Komunikacja zdalna może być realizowana przy użyciu telegrafii wielokrotnej, modemu światłowodowego, kablowego lub radiowego. W zależności od typu system umożliwia sterowanie od maksymalnie 6 do maksymalnie 22 odłączników.

Głównym elementem systemu KSO-CZAT jest szafa sterownicza (fot. 1). W jej przedniej części znajdują się zabezpieczenia elektryczne (np. wyłącznik wraz ze wskaźnikiem optycznym sygnalizującym załączone zasilanie) oraz panel do sterowania lokalnego, w tylnej zaś m.in. listwy zaciskowe do podłączenia zasilania.

Wewnątrz oprócz urządzeń do komunikacji zdalnej zainstalowany jest główny sterownik mikroprocesorowy. Za pośrednictwem modułu pomiarowego jest do niego doprowadzany sygnał analogowy z napędu odłączników, który informuje o ich stanie (załączeniu, odłączeniu lub awarii).

Na tej podstawie sterownik np. blokuje możliwość sterowania odłącznikiem, jeżeli jest on uszkodzony, lub wykorzystując sygnalizację świetlną, wskazuje operatorowi, który odłącznik należy odłączyć/załączyć. Sterownik nadzoruje też pracę transformatora dostarczającego napięcie do sterowania odłącznikami oraz wykrywa przejście w tryb sterowania lokalnego po otwarciu drzwi szafy.

PODSTACJA TRAKCYJNA

Rys. 2. Trakcyjny jednobiegunowy odłącznik typu ONT 3,6/3150 oferowany przez firmę ZPRE "Jedlicze" w stanie otwarcia umożliwia uzyskanie bezpiecznej przerwy izolacyjnej

Rolą podstacji trakcyjnej jest przetworzenie prądu z publicznej sieci energetycznej na prąd o parametrach wymaganych do zasilania sieci trakcyjnej (dla PKP jest to prąd stały 3kV). Przeważnie podstacje zasilane są z dwóch niezależnych linii, z których jedna jest rezerwowa. Wyposażenie podstacji stanowią urządzenia do rozdziału i przetwarzania energii. Od strony energetycznej linii przesyłowej z sieci publicznej pierwszym elementem podstacji jest rozdzielnia energetyczna średniego napięcia.

Następnie znajduje się tzw. zespół prostownikowy stanowiący połączenie transformatora i prostownika, który przetwarza prąd przemienny na stały. Ostatnim głównym komponentem podstacji jest tzw. rozdzielnia trakcyjna, za pośrednictwem której prąd jest dostarczany do zasilacza sieci trakcyjnej. Część energii z sieci publicznej jest wykorzystywana na miejscu do zasilania podstacji, w tym na przykład urządzeń pomocniczych, instalacji oświetleniowej, wentylacji oraz komponentów systemu sterowania, a także akumulatorów niezbędnych do podtrzymania pracy systemu automatyki podstacji w przypadku zaniku zasilania.

W tej tzw. części potrzeb własnych znajdują się transformatory zasilane bezpośrednio z rozdzielni średniego napięcia, które następnie obniżają stosownie do potrzeb. Ponieważ stacje trakcyjne zaliczane są do odbiorników energii elektrycznej, które wprowadzają do sieci energetycznej zakłócenia, koniecznie należy je też wyposażać w komponenty takie jak filtry aktywne oraz układy kompensacji mocy biernej.

STEROWANIE PODSTACJAMI TRAKCYJNYMI

Fot. 2. Elektromagnetyczny stycznik CT1130 firmy Schaltbau wykorzystywany w obwodach zasilanych bezpośrednio z trakcji kolejowej 3kV. Dostępny w ofercie warszawskiej firmy Impol-1

Większość podstacji trakcyjnych jest bezobsługowa i sterowana zdalnie z dyspozytorni, której pracownicy na bieżąco analizują informacje o parametrach pracy kluczowych urządzeń, w tym wyniki pomiarów, stan wskaźników sygnalizujących awarie, dane o położeniu łączników oraz informacje z systemów alarmowych - np. instalacji pożarowej. Dane te, jak również informacje o operacjach wykonywanych przez dyspozytorów, są archiwizowane, co w przypadku wystąpienia awarii ułatwia analizę jej przyczyn.

Do najważniejszych komponentów centrum sterowania należą zatem urządzenia do komunikacji z obiektami sterowanymi, urządzenia do przechowywania danych oraz terminale dyspozytorskie. Na podstacji w każdym z jej kluczowych segmentów instaluje się sterownik odpowiadający za działanie danego systemu lub urządzenia. Przykładem jest układ w rozdzielni średniego napięcia, który monitoruje zasilanie, by w razie awarii natychmiast załączyć źródło rezerwowe.

Sterowniki monitorujące pracę zespołu prostowników oraz zasilacza trakcyjnego kontrolują przede wszystkim parametry elektryczne, co w razie zwarcia lub przeciążenia pozwala uruchomić odpowiednie zabezpieczenia. Z kolei sterownik w części potrzeb własnych nadzoruje pracę różnych systemów, w tym ogrzewania, wentylacji, instalacji pożarowej i antywłamaniowej oraz analizuje dane z czujników pomiarowych np. temperatury i wilgotności rozmieszczonych w obiekcie.

Częścią wyposażenia podstacji jest też szafa sterownicza zdalnego sterowania oraz urządzenia umożliwiające nawiązanie łączności z centralą. Przykładem systemu sterowania podstacją trakcyjną zorganizowanego w taki sposób jest system firmy Elester PKP wykorzystujący sterowniki CZAT 3000plus połączone magistralą CAN. Jest on przeznaczony do nadzorowania pracy stacji trakcyjnych 600V - 3kV. Schemat ideowy systemu przedstawiono na rysunku 1.

Marcin Kokoszka

Elester-PKP

Jakie są trendy na rynku automatyki kolejowej?

Od kilku lat zaobserwować można wzrost inwestycji w infrastrukturę kolejową. Modernizowane są nie tylko same szlaki kolejowe wraz z siecią trakcyjną, ale również całe zaplecze energetyczne, systemy sterowania energetyką, sterowania ruchem, ogrzewania rozjazdów oraz pozostałe systemy energetyki nietrakcyjnej. Z uwagi na bezpieczeństwo pasażerów, jak i potrzebę utrzymania ciągłości ruchu kolejowego w każdych warunkach inwestorzy nie szukają tu półśrodków czy uproszczeń.

Część stosowanych urządzeń czy systemów to rozwiązania światowych liderów, ale są również polskie spółki, które proponują rozwiązania zapewniające określony poziom niezawodności i bezpieczeństwa. Mogę wskazać tu spółkę Elester-PKP, której urządzenia stały się standardem, po które sięgają zarządcy infrastruktury kolejowej.

Czy na rynku jest miejsce dla nowych firm?

Jak w każdej branży czy sektorze mogą pojawić się firmy, które znajdą miejsce dla siebie, odkrywając nowe potrzeby klientów. W branży kolejowej jest to również możliwe, lecz trzeba zwrócić uwagę na kilka zagrożeń. Jednym z nich jest konkurencja ze strony dużych koncernów, które często kompleksowo realizują całe inwestycje.

Dodatkowo dochodzi tu mało przewidywalna koniunktura, uzależniona od woli i zaangażowania politycznego. Patrząc z perspektywy czasu, zaobserwować można, że okresów osłabienia poziomu inwestycji w tej branży jest znacznie więcej, niż wskazywałaby na to koniunktura w całej gospodarce. Warto jeszcze zasygnalizować, że wszystkie urządzenia i systemy stosowane na kolei muszą mieć odpowiednie badania i dopuszczenia, które często są dość skomplikowane, kosztowne i czasochłonne.

Jakie są nowości technologiczne w branży?

Obserwując naszą kolej, widzimy, że większość urządzeń jest na granicy wyeksploatowania. Trzeba jednak pamiętać, że w miejscach, gdzie dokonywana jest modernizacja, stosuje się już bardzo nowoczesne rozwiązania. Co rok na rynku pojawiają się nowe ciekawe produkty, a ich producenci prowadzą prace badawcze i rozwojowe. Urządzenia te jednak, pomimo nowoczesności, muszą na lata gwarantować określone parametry, niezawodność i bezpieczeństwo.

APARATY ŁĄCZENIOWE, ZABEZPIECZAJĄCE, SYGNALIZACYJNE

Rys. 3. Tyrystorowy ogranicznik przepięć typu TOP-3 firmy Kolen

Oprócz urządzeń elektrycznych w lokomotywach, w przypadku sieci trakcyjnej i podstacji wykorzystywanych jest również wiele różnego typu aparatów elektrycznych. Pełnią one różne funkcje, w tym łączeniowe, zabezpieczające oraz sygnalizacyjne. Oprócz tego używanych jest szereg rozmaitych regulatorów i urządzeń pomiarowych. Aparaty łączeniowe i zabezpieczające to m.in. różnego typu odłączniki, styczniki, wyłączniki i bezpieczniki.

Przykładowo styczniki umożliwiają łączenie i wyłączanie prądów roboczych (fot. 2), natomiast wyłączniki (na kolei stosuje się głównie tzw. wyłączniki szybkie) wyłączają prądy przeciążeniowe i zwarciowe. Odłączniki służą natomiast do tworzenia przerw izolacyjnych w obwodach elektrycznych. W transporcie szynowym wykorzystuje się je zarówno w podstacjach trakcyjnych, w sieci trakcyjnej (do wydzielania poszczególnych części lub do odłączania zasilania przewodów jezdnych), jak i w pojazdach trakcyjnych (np. odłącznik silników trakcyjnych, odłącznik pantografu).

Przykładem aparatu tego typu jest przedstawiony na rysunku 2 trakcyjny jednobiegunowy odłącznik typu ONT 3,6/3150 oferowany przez firmę ZPRE "Jedlicze". Składa się on z podstawy stałej, podstawy ruchomej, izolatorów, szyn prądowych i zestyków prądowych. Otwieranie i zamykanie aparatu odbywa się poprzez obrót podstawy ruchomej względem podstawy stałej za pomocą dźwigni sprzężonej z cięgnem rurowym.

Tabela 1. Dane kontaktowe do firm wymienionych w tekście

W zakresie zabezpieczeń wykorzystuje się bezpieczniki oraz na przykład ograniczniki przepięć. Przykładem aparatu drugiego typu jest tyrystorowy ogranicznik przepięć typu TOP-3 firmy Kolen. Jest on przeznaczony do pracy w obwodach prądu stałego podstacji trakcyjnej, gdzie jest instalowany równolegle do dławika katodowego (rys. 3).

W tej konfiguracji jego zadaniem jest ograniczanie przepięć na dławiku oraz na wyjściu zespołu prostownikowego wywołanych procesami łączeniowymi, a także ograniczanie energii łuku wydzielanej w komorze łukowej wyłącznika szybkiego w czasie łączenia. Oprócz tego rolę elementów zabezpieczających, jak też i sygnalizujących pełnią przekaźniki, na przykład nadmiarowo-prądowe, zanikowo-prądowe lub przeciwpoślizgowe.

Monika Jaworowska