De rol van DC-stroomonderbrekers in spoorwegtoepassingen

Focus op veiligheid, duurzaamheid en betrouwbaarheid

De hoofddoelstelling van transportbedrijven is het handhaven van een hoog serviceniveau, waarbij de infrastructuurcomponenten een vitale rol spelen. De introductie van hogesnelheidsnetwerken en toegenomen verkeersniveaus vereisen nieuwe technologieën in de spoorweginfrastructuur en treinen, die moeten worden gewaarborgd door een strikte controle van de kwaliteit en onderhoudsprocessen tijdens hun operationele levensduur. Tractie-onderstations zijn waarschijnlijk een van de belangrijkste infrastructuurcomponenten van de stroomvoorzieningssystemen voor het spoor, vanwege hun effect op zowel de systeemveiligheid als de betrouwbaarheid en kwaliteit van de dienstverlening.

De spoorwegindustrie wordt steeds competitiever en liefhebbers van duurzaamheid staan onder druk om treinen veiliger, betrouwbaarder, kosteneffectiever en aantrekkelijker te maken voor reizigers. Het spoor staat bekend als een bijzonder uitdagende omgeving. Dit stelt extreme eisen aan de apparatuur die wordt geïnstalleerd in het rollend materieel en de toepassingen langs het spoor. Het simpelweg voldoen aan deze uitdagingen is echter essentieel, maar niet voldoende. Tegelijkertijd moet de apparatuur ook bijdragen aan het maken van het spoorvervoer tot een steeds veiligere, betrouwbaardere en aantrekkelijkere omgeving. Elektrische apparatuur en circuits zijn bijzonder belangrijk in de spoorwegindustrie en het beschermen ervan is cruciaal om de veiligheid van passagiers te garanderen en downtime, kosten en vertragingen als gevolg van defecten of storingen te verminderen.

Vanwege ruimtegebrek wordt elektrische apparatuur doorgaans dicht op elkaar gepakt in kleine behuizingen, kasten of compartimenten, waarbij units in zeer nabije omgeving van elkaar functioneren. Dit kan de incidentie van pieken, transiënten en uitbarstingen in de voedingslijnen verhogen, waartegen stroomonderbrekers bescherming kunnen bieden.

Basisprincipes van stroomonderbrekers voor spoorweg- en maritieme toepassingen

De rol van een stroomonderbreker is heel eenvoudig: hij moet uitschakelen, meestal aangeduid als “trippen”, wanneer er een inconsistentie in de stroom wordt gedetecteerd. Een inconsistentie kan een kortsluiting zijn die een snelle stijging van de stroom veroorzaakt, of een overbelastingssituatie waarbij de vraag simpelweg hoger is dan het aanbod. In beide gevallen moet de stroomonderbreker zijn werk doen en de apparaten loskoppelen van het stroomsysteem.

Stroomonderbrekers “trippen” wanneer de stroom “I” een specifieke waarde overschrijdt, afhankelijk van het type onderbreker en de ingestelde waarde voor die onderbreker. De stroomonderbreker zal echter ook trippen bij een grote verandering in stroom; dit wordt di/dt genoemd, de verandering in stroom ten opzichte van de tijd. Een grafiek van de di/dt voor een 1,5kV, 3kA solid-state stroomonderbreker voor maritieme toepassingen is weergegeven in figuur A.

De grafiek toont de tijd die nodig is om te trippen “tbreak” in microseconden, vaak de “uitschakeltijd” genoemd, corresponderend met di/dt. Hoe groter de di/dt, hoe sneller de stroomonderbreker tript. Uit de grafiek blijkt duidelijk dat het ongeveer 8 μs duurt om te trippen bij een di/dt van 1000 A/μs. De onderbreker zal ook trippen wanneer de stroomvraag boven de drempelwaarde stijgt. Bijvoorbeeld, een stroomonderbreker die is ingesteld op 3000 A moet trippen wanneer de stroom die waarde overschrijdt. High-speed stroomonderbrekers trippen doorgaans in 10 μs of minder.

Voor maritieme toepassingen waar systemen zijn gebouwd met een zeer lage inductie, is een snelwerkende IGBT-schakelaar ideaal. Voor tractietoepassingen is het een ander verhaal. Tractiesystemen zijn gebouwd met hogere inducties met IGCT’s, waarbij een langzame stijging van di/dt is toegestaan, wat resulteert in een lagere snelheid gecombineerd met veel lagere doorlaatverliezen.

“De spoorwegindustrie wordt steeds competitiever en liefhebbers van duurzaamheid staan onder druk om treinen veiliger, betrouwbaarder, kosteneffectiever en aantrekkelijker te maken voor reizigers.”

Stroomonderbrekers worden met uiterste zorg vervaardigd volgens specifieke normen. Aan de andere kant zijn deze apparaten al lange tijd in het veld operationeel onder diverse omstandigheden en bestaan ze uit mechanische onderdelen. Kunt u verwachten dat de stroomonderbreker na 30 jaar nog steeds functioneert volgens de oorspronkelijke fabrieksinstellingen? Het spreekt voor zich dat regelmatig onderzoek naar en ontwikkeling van stroomonderbrekers nodig is voor een goede systeemselectiviteit. De vraag is dan: hoe zorgen we ervoor dat dit op zo’n manier gebeurt dat het uitstekende en voorspelbare resultaten oplevert?

In de afgelopen jaren waren er slechts twee opties bij het specificeren van vermogensschakelaars: oliegevuld of lucht. Tegenwoordig, met gevestigde technologieën voor beschermings- en onderbrekingsmethoden, is de toepassing van stroomonderbrekers soms een bijzaak. Hoewel AC-luchtstroomonderbrekers in de klasse 2kV-38kV vrijwel van het toneel zijn verdwenen, spelen ze nog steeds een belangrijke rol in de klasse 250V-2000V, vooral in AC- en DC-tractiesystemen.

Recente ontwikkelingen in DC-technologieën en hernieuwbare energie hebben de interesse in het bouwen van grote DC-netten vergroot. Om volledige controle over fouten te hebben en de betrouwbaarheid van een dergelijk net te vergroten, zijn DC-stroomonderbrekers vereist. Vanwege de lage impedantie van het DC-net moet de DC-stroomonderbreker sneller zijn dan conventionele AC-stroomonderbrekers. De hybride oplossing, die een mechanische schakelaar combineert met vermogenshalfgeleiders, vertoont veelbelovende eigenschappen om aan de eisen van een dergelijke stroomonderbreker te voldoen. Klik hier om er meer over te lezen in mijn vorige blog.

Conclusie

Met de steeds veranderende tractiemarkt moet er een toekomstbestendige stroomonderbreker worden ontwikkeld die de systeemveiligheid kan garanderen. Met de recente ontwikkelingen in nieuwe en geavanceerde op halfgeleiders gebaseerde stroomonderbrekers ziet de weg naar een duurzame toekomst voor spoorwegtractie er zeer veelbelovend uit.

Hulp nodig?

High-speed DC-stroomonderbrekers zijn kritieke elementen in de spoorweginfrastructuur. Ze zorgen ervoor dat de schade tot een absoluut minimum beperkt blijft als er iets misgaat. Om de beste keuze te maken op het gebied van veiligheid, prestaties en kosteneffectiviteit, is de juiste selectie van een stroomonderbreker cruciaal. Onze specialisten staan klaar om u te helpen de beste oplossing te vinden.

Plan een technische online meeting en ontdek alle mogelijkheden van onze solid-state DC-breakers voor spoorwegtoepassingen.