PROVNING AV VÄGLJUSSIGNALER MED AVSEENDE PÅ TÅLIGHET MOT ÅSKA

PROVNING AV VÄGLJUSSIGNALER MED AVSEENDE PÅ TÅLIGHET MOT ÅSKA Provningen är utförd i EMC center vid Luleå tekniska universitet Provningen och rapporten är utförda av Åke Wisten Wisten teknikkonsult AB Telefon: 070 5597072 E-post: ake.wisten@gmail.com Adress: Smedjegatan 13, 961 75 Boden. Regnr 556867-6778 1

Del 1. Provning av komponenter utan särskild felindikering PROVNING AV VÄGLJUSSIGNALER MED AVSEENDE PÅ TÅLIGHET MOT ÅSKPULSER Provat materiel med Trafikverkets beteckningar: Artikelnr. Artikel Ritning Transformator 210 220 240 12 14 16 18 22 2V 16A BVS 544.12235 0665191 0693522 0693510 1fas 50Hz för signalanl vägskydd Överspänningsskydd 3 fas exkl spänningsavledare. Överspänningsavledare för 220 V, tändspänning 600 V, till överspänningsskydd 0693522 samt tidigare modeller. K1-D1-specsheet SJFT 544.1:4.37.1 0685072 Elektroniskt blinkdon för 40/80 blink mot väg 6215186 Lysdiodslampa (LED) till vägljussignalens röda sken BVH 544.13210 2

FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING Två vägljussignallampor spänningsmatades från blinkdonet. Blinkdonet spänningssattes från transformator 230 V / 12 V. Transformatorn matades från Transient 2000, en utrustning som är designad för att ge standardiserade störningar överlagrade på matnngsspänningen, som i detta fall var 230 V, 50 Hz växelström. Försöksuppställningen avbildas i Figur 1, Figur 2 och Figur 3. Figur 1. Försöksuppställning. Från höger syns: Två LED-trafikljus, kopplingsdäck, blinkdon, och transformator. Framför transformatorn står den vita box som innehåller transientskydden. De två puckarna, en röd och en svart fungerar som skarvkopplingar. Från boxen med transientskydden går tre ledningar, en röd, en brun och en gröngul till stickproppen i skarvdosan. Skarvdosan spänningsmatas från Transient 2000, som syns på Figur 3. 3

Figur 2. Blinkdon och kopplingsdäck. Kopplingsdäckets enda funktion var att hålla fast ledningsskarvarna. Bredvid den röda sladden med knut syns en koaxialkabel med avskalad skärm och utdragen mittledare. Den användes som antenn för att kontrollera att det verkligen gick ut fysiska pulser från Transient 2000. Antennsignalen är den undre kurvan i samtliga oscilloskopbilder. Då surgepulserna sändes från Transient 2000 uppmättes samtidigt spänningstoppar på 5-10 volt på denna antenn. Se Figur 6. 4

Figur 3. En del av fronten på Transient 2000. Här tar man ut en 230 V växelspänning med frekvensen 50 Hz, som ligger mellan fas och nolla på stickproppen. På denna grundspänning överlagras åskpulser (surge) som kan väljas till nivå och antal. Man väljer även till vilka ledningar surgepulserna skall dirigeras. Alternativen är (L + PE), (L+N), (N+PE). I vår provning användes genomgående alla tre alternativ. På bilden lyser indikatorlamporna för L och PE, vilket visar att surgepulserna dirigeras till fas och skyddsjord. 5

Figur 4. Display på Transient 2000: Här har instrumentet ställts in på surgepulser med pulshöjden 900 volt negativt. Den aktuella pulsen är nummer 84 i en serie på 400 pulser. Just denna puls gav totalspänningen -1239 V och strömstyrkan 19 A, Den totala spänningen är summan av surgepulsen och den sinusformade nätspänningen som här uppmätts till 234 volt (effektivvärde) och strömstyrkan 1.3 A. Nätspänningens momentanvärden varierar alltså mellan -331 volt och + 331 volt. (234*sqrt(2)= 331) Totalspänningen beror på var i sinuscykeln surgepulsen hamnar. 6

Figur 5. Standardiserad åskpuls, sk SURGE, med toppvärdet 2.2kV. Signalen togs från monitorutgången på Transient 2000. 7

Figur 6. Oscilloskopbild. Den övre kurvan visar surgepulsen från en monitorutgång på Transient 2000. Surgepulsen är 500 volt hög och är överlagad på nätspänningen (50 Hz, effektivvärdet 230 volt och toppvärdet 325 volt.) I detta försök var tidsintervallet mellan surgepulserna 20 sekunder och antalet pulser 400. Den undre kurvan visar signalen från den antenn som låg nära kablarna. 8

Figur 7. Surgepulsen tänder gasurladdningsrören. Man kan se att de två gasurladdningsrören till vänster lyser. Längs till vänster ligger nollan (N), och den andra från vänster ligger på fasen (L). Transientskydd nummer tre och fyra var inte inkopplade. (De har installerats i boxen för att vid behov kunna användas i trefassystem.) De blå komponentera upptill är varistorer som ligger i serie med var sitt gasurladdningsrör. 9

Figur 8. Även Burstpulser provades. Varje enskild burstpuls är 1000 gånger kortare än en enskild surgepuls. En burstpuls har stigtiden 5 ns och varaktigheten 50ns. Under en tid av 15 ms alstras 75 pulser med pulsfrekvensen 5 khz, dvs intervallet mellan de enskilda pulserna är 0.2 ms. På bilden syns bara 25 pulser (av 75) pga att oscilloskopsvepet omfattar endast 5 ms. Pulsskuren upprepas efter 300 ms och fortsättningsvis så länge man själv väljer.-även burstspulserna blev neutraliserade av transientskydden, så att LEDlamporna klarade sig oskadda. 10

RESULTAT Transientskydd med transformator, blinkdon och LEDlampor har provats med standardiserade åskpulser, spänningsspikar som går under namnet SURGE. Åskpulserna överlagrades på nätspänningen, 230 V, 50 Hz växelström. Antalet testpulser har varit mycket stort. Spänningsnivåerna har stegrats från 500 volt upp till 4 kv toppvärde. Såväl positiva som negativa surgepulser har använts. Försöksserierna har oftast omfattat 400 pulser på samtliga ledningar (L, N, PE) med pulsintervall mellan 10 sekunder och 60 sekunder. Resultatet är att transientskydden har fungerat helt perfekt. LED-lamporna har klarat sig genom alla prov. Om däremot transientskyddet avlägsnades så gick LED-lamporna sönder omedelbart. SAMMANFATTNING Provningen visade att transientskydden fungerade utomordentligt bra. Trots ett mycket stort antal surgepulser på +4kV och -4kV överlagrade på matningsspänningen, så märktes ingen försämring av transientskyddens funktion. Några korta försök med Burst-pulser utfördes också, med samma resultat. LED-trafikljusen förblev skyddade och opåverkade. Ingen försämring av transientskydden kunde märkas efter dessa långa provserier. SLUTSATSER Eftersom transientskydden tycks fungera bra och kortsluter alla högspänningspulser som kommer in via matningsledningen, så återstår två möjliga orsaker till att LED-lamporna längs järnvägen går sönder vid åska. Alternativ 1. Transientskydden är monterade med dålig jordning eller på annat sätt felaktigt. Alternativ 2. Åskan inducerar spänningar i ledningarna mellan blinkdonet och själva kretskortet i lampan. Detta är fullt möjligt, eftersom ledningarna är flera meter långa. FÖRSLAG TILL ÅTGÄRDER De befintliga transientskydden behålles, men dessutom monteras nya överspänningsskydd omedelbart intill LED-lamporna. Monteringsalternativ 1. Överpänningsskydd monteras direkt på kretskortet, där ledningarna ansluts. Monteringsalternativ 2. Överspänningsskydd monteras i någon slags dosa på trafikljuset, så att man vid inspektion enkelt kan avgöra om överspänningsskyddet är trasigt eller ej. 11

PROVNING AV VÄGLJUSSIGNALER MED AVSEENDE PÅ TÅLIGHET MOT ÅSKA Del 2. Provning av komponenter från PHOENIX CONTACT, med både mekanisk och elektrisk felindikering. INNEHÅLL 1. Lista över provade komponenter. sid 13 2. Försöksuppställning sid 14 3. Provningsmetoder sid 15 4. Sammanfattning av provresultaten. sid 16 5. Slutsatser och installationsanvisningar. sid 18 6. Detaljerad beskrivning av provningen. Sid 19 12

1. Lista över provade komponenter. Artikelnr. Komponent Transformator 210 220 240 12 14 16 18 22 2V 16A Ritningsnummer eller beskrivning BVS 544.12235 0665191 0685072 6215186 1fas 50Hz för signalanl vägskydd Elektroniskt blinkdon för 40/80 blink mot väg Lysdiodslampa (LED) till vägljussignalens röda sken Överspänningsskydd PHOENIX 12 ST, UC:260v,Up: 1.5 kv, In 20 ka, Imax 40 ka, Tr: 100 ns Överspänningsskydd PHOENIX VAL MS 230 ST,Uc 275V, Up: 1.35 ka, In: 20 ka, Imax: 40 ka, Tr: 25 ns Överspänningsskydd PHOENIX PT2-PE/S 24AC-ST, Uc 34V, In26kA Transientdiod DO-201/30.8V 1500W 1.5KE35CA Transientdiod DO-201/25.6V 1500W 1.5KE35CA Transientdiod DO-201/23.1V 1500W 1.5KE35CA Transientdiod DO-201/20.5V 1500W 1.5KE35CA.ALCATEL IKO KABEL E 02421 13HO 5VV-F 3G 0.7 1992-12-18. RKK-S NR 22530502 BVH 544.13210 Gasurladdningsrör med smältsäkringsindikator, kopplat PE-N Varistor med smältsäkringsindikator, kopplad L1-N Uc:34V AC In: 26A, Kopplat på lågspänningssidan nära lamporna TVS diod, dubbelriktad, Stand off spänning 30.8 Volt, Break down spänning 34.2 Volt (TVS: Transient Voltage Suppression) Kopplad nära lamporna. TVS diod, dubbelriktad. Stand off spänning 25.6 Volt. Kopplad nära lamporna. TVS diod, dubbelriktad. Stand off spänning 23.1 Volt. Kopplad nära lamporna. TVS diod, dubbelriktad. Stand off spänning 20.5 Volt. Kopplad nära lamporna. Kabel med dubbelledare försedd med mycket tät och flexibel kopparskärm 13

2. Försöksuppställning. Vid de flesta proven användes en åskpulsgenerator benämnd TRANSIENT 2000. Denna har utgångar för 230 V matning såväl till stickproppsuttag, som till friliggande ledningstrådar. Försöksuppställningen bestod av TRANSIENT 2000, en transformator, ett blinkdon och två LED-lampor. För 30 kv nivån användes inte TRANSIENT 2000, utan ett speciellt högspänningsaggregat. Transformatorns primärsida: Matning från TRANSIENT 2000 med 1 fas växelström (230 V AC, 50 Hz) mellan nolla och fas via två friliggande ledningstrådar. På transformatorns primärsida anslöts alltså tre ledningar från TRANSIENT 2000: Nolla N, Fas L1 och skyddsjord PE. Transformatorns sekundärsida: utspänningen 12 Volt AC levererades till blinkdonet via två fria ledningstrådar. Skyddsjorden PE drogs via en fri ledningstråd från TRANSIENT 2000 till transformatorns jordskruv, vidare till blinkdonets jordskruv, och vidare till kabelskärmen. Skärmen på kabeln mellan blinkdon och lampa skruvades fast i blinkdonets jordpunkt. Kabeln var alltså jordad enbart på blinkdonssidan, inte i lamphuset. Det fanns endast en jordpunkt för hela systemet: Den jordpunkt som finns på TRANSIENT 2000. För 30 kv nivån användes ett speciellt högspänningsaggregat (inte TRANSIENT 2000). Två LED-lampor kopplades till blinkdonet. Under första delen av försöken användes oskärmad kabel mellan blinkdonet och lamporna. Senare använd skärmad kabel mellan blinkdonet och lamporna 14

3. Provningsmetoder: Åskpulser påfördes dels på ledningarna till transformatorns primärsida, dels på ledningarna mellan blinkdonet och lamporna. Åskpulser påfördes både direkt mot lamptrådarna, och mot kabelskärmen när sådan fanns. Radiofrekvent störning med frekvenser 0.15-80 MHz påfördes på kabeln mellan blinkdonet och lamporna:, 10 V amplitud, modulerad 80% med 1 khz,(dvs amplituden varierade mellan 2 V och 18 V. Prov med försämrad jordning. Resistansen till jord ökades för att prova rekommenderad jordresistans Åskpulser, Surge med stigtid 1.2 us, varaktighet ca 50 us. Växande pulshöjd: 500 V, 1000 V, 2000 V, 4000 V samt 30 kv. Ett mycket stort antal prov gjordes, vanligen 100 pulser i sträck, med 10 sekunders mellanrum. Pulserna applicerades mot alla kombinationer av anslutningar på transformatorns primärsida: PE-L1, N-L1, N-PE. Dessutom applicerades pulserna mot ledningarna mellan blinkdonet och lamporna. 15

4. Sammanfattning av provresultaten Gasurladdningsröret, 12 ST,kopplades mellan PE och N. Varistorn, VAL MS, kopplades mellan L1 och N. När åskpulserna påfördes på transformatorns primärsida utföll proven med gott resultat, dvs lamporna förblev oskadade, så länge transientskydden var hela.. Detta gällde alla pulsnivåer från 500V, 1000V, 2000V, 4000V och 30 kv. När varistorn gått sönder, så förstördes också lamporna, redan på nivån 1 kv. Efter ett mycket stort antal pulser inträffade det att Varistorskyddet, PHOENIX VAL MSD 230 ST, tog skada, och lamporna gick sönder. Det anmärkningsvärda var att varistorskyddet nöttes ut utan att felindikeringen löstes ut! Dvs den mekanska flaggan styrd av en smältsäkring ändrade inte läge. Felindikering: När transientskyddet är oskadat skall fönstret vara mörkt, samtidigt som en mekanisk brytare upprätthåller kortslutning mellan skruvarna 11-12, och avbrott mellan skruvarna 11-14. När komponten förstörs skall smältsäkringen gå sönder och skifta brytarläget så att avbrott uppstår mellan skruvarna 11 12 och kortslutning uppstår mellan skruvarna 11-14. Detta konstateras lätt med en ohmmeter eller en diodprovare. Samtidigt slås den mekaniska flaggan över så att fönstret tydligt ändrar färg. Vi labförsöken skadades varistorn (PHOENIX VAL MSD 230 ST) på ett sådant sätt att detektorkontakterna inte bytte läge och flaggan visades inte i fönstret. Kontakten behöll alltså läget 11-12, och fönstret bytte inte flagga trots att varistorn var skadad. Förklaringen är troligen att varistorn blev långsamt utnött efter ett stort antal korta pulser, utan att smältsäkringen gick sönder. Av denna anledning rekommenderas en annan typ av överspänningsskydd - se nedan! På nivån 30 kv utfördes 5 urladdningar mot fasledningen (L1), och 5 urladdningar mot nollan (N). Dessa urladdningar var mycket kraftiga, men trots detta utföll försöket till full belåtenhet: Inga komponenter blev skadade. Oskärmad resp skärmad kabel mellan blinkdon och lampor Ett stort antal försök gjordes för att prova om något transientskydd kunde skydda lamporna när åskpulser påfördes lamptrådarna. De skydd som provades var dels PHOENIX PT2-PE/S 24AC, dels ett antal TVS dioder med stand off spänningarna 20.5 V, 23.1V, 25.6V och 30.8V. Inget av dessa gav ett tillfredställande skydd mot åskpulser applicerade direkt mot 16

lamptrådarna i en oskärmad kabel.den skärmade kabeln däremot visade sig ge ett mycket gott skydd mot alla störningar som applicerades mot skärmen: Radiofrekvens 0.15 80 MHz, och åskpulser upp till 4 kv. Dessa åskpulser var så kraftiga att hela området runt lamporna lystes upp. Se bilder i del 3. Provning av jordningsresistans. Jordresistansen höjdes stegvis 50, 100, 200 ohm utan att lamporna gick sönder vid provning. Slutsatsen är att det rekommenderade högsta värdet på jordresistansen 60 ohm är rimligt, och kan behållas. 17

5. Slutsatser och installationsanvisningar. Transientskydd med felindikering monteras på transformatorns primärsida. De provade PHOENIX skyden fungerar utomordentligt så länge varistorn är hel, men varistorn går sönder så småningom. Det finns en bättre modell som har varistor och gnistgap parallellt mellan nolla och fas, sam gnistgap mellan nolla och skyddsjord. Gnistgapen har även en mekanisk anordning som bryter gnistan snabbt när spänningen sjunker. Ett kopplingsschema visas nedan. Artikelnumret är PHOENIX 2859738. Det behövs endast en komponent som ansluts till alla tre polerna: N,L1 och PE PHOENIX CONTACT Art tikelnr 2859738 Kortslutning 12-11 om hel, kortslutning 11-14 om trasig. Även flagga för okulär indikering. Mellan blinkdon och lampor måste en skärmad kabel av god kvalitet användas. Det är utomordentligt viktigt. Kabelskärmen skall anslutas enbart till blinkdonets jordskruv, som i sin tur ansluts till transformatorns jordskruv och vidare till PE. Den provade kabeln fungerade utmärkt, men det finns flera andra goda alternativ. Transformatorn och blinkdonet skall inneslutas i ett jordat metallskåp. Samma jord skall anslutas till transformatorns jordskruv. Lampkabelskärmen ansluts till skåpet vid genomföringen. På kretskortet bör TVS dioder lödas fast. Detta kan göras av kretskortstillverkaren. Fördelen med att sätta TVS dioderna direkt på kretskortet är att TVS dioderna blir utbytta samtidigt som lampan. 18