Elsäkerhet, jordning och returströmkretsen Elektrisk sikkerhet, jording og returkrets Peter Deutschmann Oslo 22.5.2014 UHaek 0001-42
Innehåll Historik Inledning Järnvägens kraftförsörjning Rälspotential, återledning och returströmkrets 50122-1 Kapitel 4, 5, 6, 7, 9 och 10 Användningsexempel 50122-2 Läckström (stray current) 50122-3 Kombinerade AC + DC beröringsspänningar Framtidsutsikt Bild 2
EN 50122 u2 50122-3 started Transfer EN 50122 IEC 62128 DIN 57115, VDE 0115 EN 50122 IEC 62128 EN 50122 u3 50122: 5MP 50122: CDV Bild 3
History: What happened in TC9X WGC1 EN 50122:1997 New European standard Basically the transfer from DIN VDE to an European standard EN 50122:2012 Part for LV and HV became one chapter Introduction of the body voltage corresponding to the body current Recalculated values for the body voltage Parts of small dimension IEC 62128:2013 Corrected overhead contact line zone Additional measures for limiting touch voltages (fences, only IEC version) Bild 4
Electrical clearance in mm static dynamic Indoor 210 Outdoor 270 150 KTL 270 150 20 220 kv, 3~ 50 Hz 20 kv 3~ 50 Hz eller 6,3 kv 3~ 50 Hz Isolationskoordination Rated insulation voltage Short duration Rated impulse Outdoor 36 kv 70 kv 170 kv Indoor 24 kv (36 kv kabel) 50 kv 125 kv 50 Hz 132 kv = 2 66 kv, 16,7 Hz Hjälpkraft Banbelysning M 3~ 50 Hz Omformare 1 ~ 16 Hz 50 Hz 3 ~ G 1~ 16 Hz 1-2 stycken 15-25 MVA Transformatorstation 16,7 Hz 15 kv Autotransformator Sugtransformator Stationsjordtag Återledningsskena S-räl Huvudjordningsskena AT-ledning eller neg. feeder 30 kv Kontaktledning 1:1 SE: Återledning = EN? NO: returledning 15 kv KTL 36 kv 70 kv 170 kv S-räl M 3~ 1~ M M M Driftjordpunkt I-räl Jordlina = return conductor Längsgående jordledar AT-avstånd 10 km Stolpfundament BT-avstånd 5,6 km XTBE, Deutschmann Bild 5
Induktion, koppling, strömfördelning lik- och växelspänning Återledning Matning BT-system AC eller DC AC DC Induktiv koppling mellan kontaktledning och räl Returströmkrets? I = 0 A Isolerad Jordad returströmkrets AC & DC utan jordning DC med jordning AC med jordning AC med jordning & BT Rälsimpedans UIC 60, AC 16,7 Hz: 60 m /km (0 A) 160 m /km (1000 A) Rälsimpedans UIC 60, DC: 35 m /km Bild 6
Varför jordning? Vad skall uppnås Avstånd (för litet) Isolationsfel Kortslutning genom fåglar Isolatorfel Nedfallen kontakttråd Genom tåget Spontant, sabotage Rälspotential Genom tågdrift (beröringsspänningar, lagerskador) Potentialöverföring Tågdrift Lågspänningsmatning Tele- och signalsystem Avbrott i returströmkretsen Inducerade spänningar Överspänningar Risk Personsäkerhet Skydd mot direkt beröring Skydd mot indirekt beröring (Skyddsjordning) Skydd mot rälspotential Skydd mot potentialöverföring Returström (Driftjordning) Anläggningssäkerhet Skydd mot återgångsströmmar Betongkonstruktioner Minimering av störningar Bild 7
Skyddsåtgärder (AC 15 kv 16,7 Hz) Åtgärd Vad är det? Mot vad hjälper det? Dimensionering Skyddsjordning Anslutning till returströmkretsen (ej återledning) Mot spänningssättning av utsatta delar eller delar i kontaktledningsområdet kortslutningsström SE: upp till 30 ka 50388: 40 ka Jordning ledande förbindelse mot jord Rälspotential några % av kortslutningsströmmen Potentialutjämning och -styrning el. ledande förbindelse mellan två berörbarare föremål mot beröringsspänningar pga potentialskillnad inget krav på strömhållfasthet Öppen jordning Skyddsjordning via en spänningsbegränsare Mot spänningssättning av delar i kontaktledningsområdet kortslutningsström SE: upp till 30 ka 50388: 40 ka Skärmning - isolerande - ledande Skyddstak på bron (15 kv), plastbelagd stängsel (U ind ) kortslutningsström SE: upp till 30 ka 50388: 40 ka Avstånd Skyddsavstånd direkt och indirket beröring avstånd enligt SS-EN 50122-1 Källa: 0001-17-v3 Obs! En ledare kan har flera funktioner, högsta dimensioneringskravet gäller! Bild 8
Rälspotential? Rälspotential Bild 9
Sugtransformatorsystem (BT-system) 2) 4) 1) 15 kv matning 3) 1) Sugtransformator 2) Stoppförbudstavla 3) Luftsektionering 4) Stolpe 1) Boostertransformator 2) Halteverbotssignal 3) Streckentrennung 4) Mast Återledningsskena Sugtransformator Återledning Kontaktledning Driftjordpunkt S-räl Max 5,6 km Max 3,0 km Bild 10
Beräknad strömfördelning och rälspotential för BTsystemet U [V/100 A] 50 [%] 40 80 30 60 URE [V/100A] I S-räl [%] 100 20 10 0-10 40 20 0-20 Jordström Sugtrafo Tåg Jordpunkt URE = Rälspotential -20 45 50 55 60 [km] -40-30 -60 Tåg 100 % 15 % 85 % 84 % 87 % 100 % 13 % ÅL KTL S-räl Bild 11
Uppmätt rälspotential, Malmbanan km 1184 +650 (BT-system driftjordpunkt) U njp I njp U re norm Rälspotential vid norra jordpunkten Ström genom norra jordpunkten Normerad rälspotential Bild 12
Strömfördelning i S-rälen kring driftjordpunkten Mätning 17.06.2004, Ulvshyttan JP Sug spårledning U ind söderut Källa: 0021-I-räl Bild 13
Rail potential distribution R R rälschiene E earth, E Erdesann jord P mätpunkt P Meßpunkt U RE Avstånd [m] U PE /U RE [%] 1 80 2 50 5 30 10 20 20 10 50 5 100 0 R > 100 m E ~ 3,0 m Rälspotentialförlopp BV 2, 00-09-26, 9:43:00 60 U PE /U RE [%] 120 100 80 U 60 RP 40 U RP 20 0 0 5 10 15 20 25 30 R P a [m] Rälspotential [V] 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 Avstånd till spåret [m] Bild 14
AT-system i dagsläget Omformarstation 15 kv matning Återledningsskena 45 % 45 % 27 % ca. 10 km 18 % AT-ledning Negativ Feeder (NF) 45 % 55 % 27 % 82 % 18 % Kontaktledning 100 % 90 % 54 % 100 % 36 % 100 % 10 % S-räl Jordlina Bild 15
AT-system Rälspotential och jordström, enkelsidig matning 16 14 12 Spänning, Ström 10 8 6 S-räl U [V/100 A] Jordström [%] Autotransformator Tåg 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 Sträcka [km] Bild 16
Rälspotential R = xx till 880! För ett litet R vid? Rälspotential 130 V 1? Bild 17
Kapitel 4 Kontaktledningsområde Rißversuche Technische Universitet Wien April + August 1990 Bild 18
Kapitel 4: Kontaktlednings- och strömavtagarområde i svensk utformning S H = HP + 2 m men minst 8,0 m HP: Högsta punkt på kontaktledningen (bärlina) Z = S H -HP Y = 2,0 m Kontakttråd Kontaktledningsområde Strömavtagarområde Fritt utrymme Normalsektion N X = 5 m för R 1000 m X = 4 m Det utökade området för kurvradior under 1000 m gäller endast för insidan av kurvan Räls överkant Markyta SS-EN 50122-1 Bild 19
50122-1 Kapitel 5: Skydd genom avstånd Uppåt och åt sidan Kroppslängd och rörelse Nedåt Tråd och vattenstråle Fordon skärmar av Ståytan i figuren ger inget skydd Ståytan kan begränsas genom staket Ritningen ej skalenligt Public area (plattform, plankorsning) Restricted area (allt annat) Bild 20
50122-1 Kapitel 6: Indirekt beröring S-räl Skyddsjordning Persons eller husdjurs beröring med utsatt del som blivit spänningsförande på grund av fel, ELSÄK-FS 1999:5 Gäller även inom kontaktledningsområdet Bild 21
50122-1 Kapitel 6: Indirekt beröring Stålarmerad betong 10 cm betongtäckning av armeringen Första omgång med max 2 vikt% restfuktighet Andra omgång efter ett halvt år utomhuslagring Genomslag mellan 12 kv och 17 kv inom kort tid Genomslag normalt snabbare än 30 ms Ingen skada av betongplattan efter upp till fem försök Bild 22
50122-1 Kapitel 6: Indirekt beröring Stålarmerad betong (fortsättning) Stålarmerad betong behandlas som ledande material Metalliska föremål som monteras i en stålarmerad betongkonstruktion har kontakt till armeringen (minst var tionde bult en träff) Även najad armering hänger ihop Risk för potentialöverföring Kortslutning Under drift från san jord Åskskydd för (bro-)strukturen och brolagren Bild 23
50122-1 Kapitel: Rälspotentialöverföring Rälspotential och duschen Jordning av fundamentet (bottenplatta) Potentialutjämning mellan el/vatten och fundamentet Potentialutjämning saknades 10 V till 15 V SEK Handbok 413 70 m Bild 24
50122-1 Kapitel 6: Mindre elektrisk ledande delar Synlig från alla håll, dvs. en spänningssättning genom nedfallen kontakttråd skall kunna ses Inga kabelanslutningar (potentialöverföring) Gäller enskild mindre elektrisk ledande del 100 Men är 100 100 100 100 100 fortfarande en mindre del? Typ Parallellt spåret Vinkelrätt spåret Helt ledande 3 m 2 m Delvis ledande (stålarmerad betong 15 m 2 m Bild 25
Bensträckare Bild 26
50211-1 Kapitel 7: Low voltage non traction Risk genom att vara placerad i kontaktledningsområdet 7.3 Risk genom att vara ansluten till returströmkretsen 7.4 7.3 Skyddsjordning Skärmning + Klass II utförande Belysningsstolpe Metall Belysningsarmatur, Klass II Stolpinsats, Klass II Järnvägsjord S-räl Ortsnät & ingen mellantransformator Bild 27
50122-1 Kapitel 7: Low voltage non traction Return circuit Avsnitt 7.4 Skydd för ortsnätet Överförd potential Överbelastning PE Skydd för järnvägens lågspänningsnät Mellantransformator Säker returströmkrets (dvs. risker genom rälsbrott är eliminerade) Parallell ledare till järnvägen (a) (risk vid rälsbrott) Kortslutande av returströmkretsen (b) (risk för överbelastning) S-räl PE PE ortsnät järnvägen (a) (b) Bild 28
50122-1 Kapitel 7: Low voltage non traction För att undvika överförda potentialer och risker genom järnvägens returströmmar separerar man! Särjordning ar grundprincipen Samjordning, där särjordning inte är möjligt Storstadsområden Låga potentialdifferenser Avgränsning svårt och svårt att upprätthåller över lång tid Verkstäder och byggarbetsplatser Anvädning av verktyg i klass I-utförande Kravet från 3-fas lågspänning på U E < 50 V kan motivera samjordning Bild 29
50122-1 Kapitel 9: Beröringsspänning Basic restriction is the current through the body The body current is with help of the body impedance transfered to a body voltage Tillgänglig spänning Rail potential as source for the touch voltage I B UB U te Z B U tp U RE Bild 30
Time/current zone, AC 15 Hz to 100 Hz, IEC 60479-1 Ed 4, figure 20 3 s; 40 ma a) Limit of perception 0,5 ma b) Limit of let go 5 ma c) Limit of fibrillation 37 ma 100 ms;? ma Curve c1 high level, short duration: between 10 and 100 ms was chosen as a descending line from 500 ma to 400 ma low level, longer duration between 1 s and 3 s was chosen as a descending line from 50 ma to 40 ma Both levels were connected by a smooth curve Curve c2 Curve c2 has been established by statistical evaluation of animal experiments Bild 31
Total body impedance (IEC 60479-1:1994) hand to hand, a.c. 50/60 Hz Limit for workshops Lower values of the body impedance results in even lower permissible touch voltages Values for the body impedance changed in the current version of the IEC Bild 32
Definitions from IEC and IEV Z T total body impedance Z ib impedance between the body and the conductive parts (e.g. gloves) Z be impedance between the body and earth (e.g. shoes, standing surface) Z S source impedance Z SE impedance source earth U b body voltage U tp prospective touch voltage U te effective touch voltage soil resistivity S Equivalent circuits for the calculation of the permissible touch voltage Z S Z S U STp Z ib U STp Source voltage i B Z T U b U te U tp Touch circuit R a1 Shoes No load touch circuit Z SE Z be = R a R a2 Standing surface 1,5/m * S Z SE R a2 Standing surface, Standort Bild 33
Simplified schematic diagram for the internal impedance of the human body according to IEC 60479-1 Z ip /5 Z ip Z ip R Hand-Hand * 0,75 = R Hand-Füße Hint in ITU, that Z i Z tb (Figur 4 K.33, Note 2) Z ip Z ip Z ip internal partial impedance Bild 34
Safety levels Used body current curve CENELEC EN 50522 EN 50341 Used body current curve c2 (= 5% risk for fibrillation) EN 50522 = HD 637 S1 10 ms 10 s c2 5 V U t = 75 V Time duration 3-fas -Beröringsspänningar endast under felförhållanden -Upp till 10 sec (table B.1) CENELEC EN 50122-1 c1 (= no risk for fibrillation) c1 5 V U t = 60 V Järnväg -Beröringsspänningar vid drift -Upp till 300 sec 10 ms 300 s Time duration Used body current curve c2 ITU situation (2004) b (= limit for let go current) 10 ms 1 s Changed to 3 s??? U adm = 60 V complies with U t = 25 V Time duration Bild 35
10000 Comparison of voltage limits for the safety of persons Vergleich von Spannungsgrenzwerten für die Berührungssicherheit = HD 637 S1 EN 50522 4300 1000 IEC U(Zb), c1 421 0101 U(Zb), c2 K.53 typ sit I (Sign/El) U(adm) Spänning [V] 440 100 80 V 75 V 65 V 60 V U ad mi Z be = R a Z b R a1 R a2 U tp c1 U tp c2 Bild 36 10 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 300,00 1000,00 Abschaltzeit, Fault duration, Bortkopplingstid [s] Fault duration for railway systems: SE: 75 ms to 95 ms DE: 60 ms to 100 ms Förkortningar, se bild Equivalent circuit! Källa 0014-14-b2
EN 50122-1 Kapitel 9: Figure 26 Jämförelse med rälspotential U RE < Limit U RE <2 Limit Potentialöverföring? U RE < 3,3 Limit Åtgärder enligt 9.2.2.4 Grundentwurf Grundutförande Basic design Jämförelse med effektiva beröringsspänningen U te < U te, maks U te < Limit Åtgärder enligt 9.2.2.4 Bild 37
EN 50122-1 Kapitel 9: Åtgärder för att minska (hantera) beröringsspänningar Standard jordtag: Fundament till kontaktledningsstolpe Införande av jordlina Förtätning av AT eller BT Snabbare skyddsreläer Ändrad skyddskoncept (= kortare bortkopplingstid) Införande av sektioneringsstation eller KC Bild 38
50122-1 Kapitel 9 & 10: Konsekvenser för andra anläggningsdelar 50122-1 Gränsvärden för beröringsspänningar gäller även för alla högspänningsanläggningar som är i kontakt med järnvägen EN 50522 power installations exceeding 1 kv (före detta HD 637 S1) 50122-1, 9.1.3 Avstånd till spänningsförande del på fordon 50153 Bild 39
50122-1 Kapitel 10: Connection to the return circuit Film: C:\User\PD\Skrivbord\Data\Resor\2012-06-14-Ängelholm F:\2014-05-22-NEK-Oslo Return cunductor busbar Return conductor Återledningsskena 15 kv Dubbla anslutningar för återledaren? 3 kv 15 kv Se: Återledning No: Returledning Return circuit Rail Driftjordpunkt Åter = Retur = Return = Rück Återledning = Returledning = Returncircuit = Rückleitung??? Jordlina = Erdseil = earth wire Räl Def: 3.3.1 All conductors which form the intended path for the traction return current NOTE! This definition includes the scandinavian BT-return cunductor Bild 40
50122-2 Kapitel 5: Stray current assessment Basic requirement I max < 2,5 ma/m genomsnittlig läckström per meter för enkelspår G RE = I /U RE med I = 2,5 ma/m per spår e.g. G RE <= 0,5 S/km och U RE < 5 V e.g. G RE <= 2,5 S/km och U RE < 1 V Om nödvändig använd åtgärder från kapitel 6 Reducing the resistance of running rails and/or using additional return conductors Impreoved track system insulation Electrical separation of tracks and endangerd structure Bild 41
Läckströmmar 50122-2: Kapitel 5 och 50122-3 Stockholm Riddarholmen Bild 42
50122-2 Kapitel 5: stålarmerad eller metallisk konstruktion Potentialmätning under högtrafik och en period utan trafik (DC) Skillnaden i konstruktionens potential mot jord skall vara lägre än 200 mv För nedgrävda metallkonstruktioner (påle) beaktas även markresistiviteten EN 50162 U 20 mv till 300 mv med U = 1,5 * S dvs. 300 mv för S > 200 m DC tunnelbana Cu/CuSO 4 Riddarholmen Stockholm AC TrV pålar S = soil resistivity TrV = Trafikverket Bild 43
50122-3: Combined touch voltages (a.c. and d.c.) Permissible body voltage, linearization of the "section 1" slope with voltages according to curve c1 without additional impedances U a.c. 300 250 200 U dc = 2 U ac 150 section 1 100 section 2-1/ 2 ac 65 50 0 dc 150 1,0 s 0,5 s 0,4 s 0,3 s 0 50 100 150 200 250 300 U d.c. Källa: 0025-08-b3 Bild 44
Användning Korta broar och tunnlar (max en kontaktledningsstolpe per spår) Skyddsjordning Potentialutjämning i konstruktionen Långa broar och tunnlar Skyddsjordning Potentialutjämning i konstruktionen Jordtagsfunktionen för att minska rälspotentialen S-räl Rälspotential =? Bild 45
Användning: Från 130 mm 2 Cu till 710 mm 2 Återledning 130 mm 2 Cu (nu 212 Al) 2 * 130 mm 2 anslutning av omformarstation (n-1) En AT betraktas som utmatning anslutning med 2 * 130 mm 2 Dubbla AT 4 * 130 mm 2 (1032 A) 130 mm2 kan inte anslutas till rälsen 8 * 70 mm2 70 kunde inte heller anslutas 16 * 35 mm 2 Tre separata skyddsjordningar för ATerna och stolpen 16 + 3 = 19 rälsanslutningar med totalt 710 mm 2 Cu (4969 A) 16 mm 2 Cu 7,4 A/mm 2 50 mm 2 Cu 5,5 A/mm 2 120 mm 2 Cu 4,3 A/mm 2 Bild 46
Användning: Parallella föremål (t.ex. staket) Rälsbrott Potentialöverföring Returströmmar Inducerad spänning TN-C TN-S 2,5 m Armräckvid Staket St 6-2 Avstånd TN-C Samjordning GB TN-S Hinder Icke ledande material TN-C Mellantransformator TN-S R1 R2 GB St R1 R2 Gatubelysning Kontaktledningsstolpe S-räl (traction system earth) I-räl (Signalsystem) TN-C TN-S Bild 47
Användning: Skydd genom avstånd Förstärkningsledning Avståndet skall alltid uppfyllas Ta hänsyn till Byggtolerans Spårriktning = spårlyft Snö- och islast Handhållen föremål Gångbro 3,5 m Plattform Använd standarden med sund förnuft! Bild 48
Framtidsutsikt: Vad händer nu i TC9X WGC1 Current revision EN 50122:20xx New definition of obstacles, adjacent to live parts New values for clearances, more transparent and logical Definition hängverk (catenary), behövs för att beskriva kontaktledningsområdet (slyngfelt för kontaktledningsanlegg) Bärlina, Tragseil, catenary wire (not catenary) Clarification in annex A of which type of obstacle (solid wall, IP2X, ) has to be used Clarification of the shape of a suitable obstacle Discussion about touch voltages in work shops Consideration of the BT-system in the standard Bild 49
Thank you for your attention Bild 50
Gällivare: Överspänningsskydd kiosk 3 S-räl S-räl - Erdschiene Hauptotentialausgleichsschiene Bild 51
Hjälpkraftförsörjning för signal- och telekommunikationsanläggningar Lågspänningstrafo, sekundärsida Kiosk eller skåp Fasadskåp Skåp = Schrank L1 L2 L3 N PE Gruppcentral L1 L2 L3 N PE U L3 + 2 U RE Erdschiene, S-räl HJS U RE 2 km till 3 km 130 V U I-räl 2 U RE Bild 52