Focus op veiligheid, duurzaamheid en betrouwbaarheid met dc breakers in de spoorwegindustrie

Het hoofddoel van transportbedrijven is het handhaven van een hoog niveau van dienstverlening, waarbij de infrastructuurcomponenten een cruciale rol spelen. De introductie van hogesnelheidsnetwerken en toegenomen verkeer vereisen nieuwe technologieën in de spoorweginfrastructuur en treinen, die moeten worden verkregen door een strenge controle van de kwaliteit van service- en onderhoudsprocessen tijdens hun levensduur. Tractie-onderstations zijn waarschijnlijk een van de belangrijkste infrastructuurcomponenten van de spoorwegstroomvoorzieningssystemen vanwege hun effect op de systeemveiligheid en de betrouwbaarheid en kwaliteit van de service. Door o.a. het gebruik van DC breakers in onderstations zal de spoorwegindustrie veiliger, duurzamer en betrouwbaarder worden.

De spoorwegindustrie wordt steeds competitiever en de liefhebbers van duurzaamheid staan onder druk om de treinen veiliger, betrouwbaarder, kosteneffectiever en aantrekkelijker voor reizigers te maken. Spoorwegen hebben de reputatie bijzonder uitdagende omgevingen te zijn. Dit stelde extreme eisen aan de apparatuur die in hun rollend materieel en baanapparatuur was geïnstalleerd. Het simpelweg aangaan van deze uitdagingen, hoe essentieel ook, is echter niet voldoende. Tegelijkertijd moet het materieel er ook toe bijdragen dat het spoorvervoer een steeds veiligere, betrouwbaardere en aantrekkelijkere omgeving wordt. Elektrische apparatuur en circuits zijn vooral belangrijk in de spoorwegindustrie en de bescherming ervan is van cruciaal belang om de veiligheid van de passagiers te garanderen en downtime, kosten en vertragingen als gevolg van defecten of storingen te verminderen.

Vanwege ruimtebeperkingen wordt de elektrische apparatuur doorgaans strak verpakt in kleine behuizingen, kasten of compartimenten, waarbij eenheden zeer dicht bij elkaar werken. Dit kan de incidentie van pieken, transiënten en uitbarstingen vergroten in de stroomleidingen die kunnen worden beschermd door stroomonderbrekers.

Basisprincipes van DC breakers

De rol van een stroomonderbreker is heel eenvoudig: hij moet uitschakelen, meestal “trip” genoemd, wanneer een inconsistentie in de stroom wordt gedetecteerd. Een inconsistentie kan een kortsluiting zijn die een snelle stijging van de stroom veroorzaakt, of een overbelastingssituatie waarin de vraag simpelweg groter is dan het aanbod. In beide gevallen moet de stroomonderbreker zijn werk doen en de apparaten loskoppelen van het voedingssysteem.

Stroomonderbrekers “trippen” wanneer de huidige “I” een specifieke waarde overschrijdt, afhankelijk van het type onderbreker en de waarde die voor die onderbreker is ingesteld. De stroomonderbreker zal echter ook trippen als er een grote stroomverandering is, dit wordt di/dt genoemd, de stroomverandering in de tijd. Een grafiek van de di/dt voor een halfgeleider stroomonderbreker van 1,5 kV, 3 kA voor maritieme toepassingen wordt geïllustreerd in afbeelding A.

Foutstroomverandering in DC breakers in de spoorwegindustrie
Afbeelding A: Foutstroomverandering met betrekking tot de tijd voor maritieme toepassingen

De grafiek toont de tijd die nodig is om “tbreak” te trippen in microseconden, vaak aangeduid als “breaking time”, wat overeenkomt met di/dt. Hoe groter de di/dt, hoe sneller de stroomonderbreker uitschakelt. Uit de grafiek blijkt duidelijk dat het ongeveer 8 μs duurt om te trippen bij een di/dt van 1000 A/μs. De schakelaar zal ook trippen als de vraag naar stroom boven de drempelwaarde stijgt. Een stroomonderbreker die is ingesteld op 3000 A zou bijvoorbeeld moeten trippen als de stroom die waarde overschrijdt. Stroomonderbrekers met hoge snelheid schakelen doorgaans binnen 10 μs of minder uit.

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

“De spoorwegindustrie wordt steeds competitiever en de liefhebbers van duurzaamheid staan onder druk om de 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 lange tijd in het veld operationeel geweest onder verschillende omstandigheden en bestaan ze uit mechanische onderdelen. Kunt u verwachten dat de stroomonderbreker na 30 jaar werkt volgens de oorspronkelijke fabrieksinstellingen? Onnodig te zeggen dat regelmatig onderzoek en ontwikkeling van stroomonderbrekers nodig is voor een goede systeemselectiviteit. De vraag is dan: hoe zorgen we ervoor dat het zo wordt gedaan dat het uitstekende en voorspelbare resultaten oplevert?

In de afgelopen jaren waren er slechts twee opties als het ging om het specificeren van stroomonderbrekers: met olie gevuld of met lucht. Tegenwoordig, met gevestigde technologieën voor het beschermen en onderbreken van methoden, is de toepassing van stroomonderbrekers soms een bijzaak. Hoewel 2kV-38kV-klasse van AC-stroomonderbrekers vrijwel van het toneel is verdwenen, spelen ze nog steeds een belangrijke rol in de 250V-2000V-klasse van apparatuur, vooral in AC- en DC-tractie-energiesystemen.

Talrijke voordelen van DC breakers voor de spoorwegindustrie

DC-distributiesystemen bieden tal van voordelen voor het spoorwegbedrijf, bijvoorbeeld meer flexibiliteit en redundantie. In veel DC-spoorwegonderstations is het kortsluitstroomniveau het beperkende aspect geweest voor uitbreiding of vernieuwing van deze systemen. Bovendien hebben de vorderingen op het gebied van DC-tractietechnologie en de steeds hogere uitrustingsclassificaties geleid tot complexere en krachtigere elektrische tractienetwerken. Het is daarom ook moeilijker om de stroomonderbrekers effectief te ontwerpen, vooral waar gelijkstroom wordt toegepast. Traditionele DC-stroomonderbrekers dwingen de stroom om deze te verminderen en te doven door middel van een tegengestelde boogspanning. Het fundamentele probleem met betrekking tot de onderbreking van het DC-circuit is de afwezigheid van een natuurlijke nulstroom. veelgebruikte luchtmagnetische stroomonderbrekers hebben voornamelijk te lijden gehad onder de brekende werking, lange storingstijd, korte levensduur, slijtage van contacten en hoge onderhoudskosten, wat resulteert in verminderde beschikbaarheid en uitvaltijd.

DC breakers in de spoorwegindustrie

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

Conclusie

High-speed DC breakers zijn kritieke elementen in de spoorweginfrastructuur. Zij zorgen ervoor dat de schade tot een absoluut minimum wordt beperkt als het misgaat. Om ervoor te zorgen dat u de beste keuze maakt op het gebied van veiligheid, prestaties en kosteneffectiviteit, is de juiste keuze van de juiste stroomonderbreker van cruciaal belang. Met de steeds veranderende tractiemarkt moet er een geschikt voor toekomstige stroomonderbreker worden ontwikkeld die de systeemveiligheid kan garanderen. Met de recente ontwikkelingen op het gebied van nieuwe en geavanceerde op halfgeleiders gebaseerde stroomonderbrekers, ziet de weg naar een duurzame toekomst van spoorwegtractie er veelbelovend uit.

Meer over onze solid-state DC breaker

Lees meer over hoe onze solid-state DC breakers optimale bescherming bieden voor uw DC-net. Bekijk al onze beschikbare solid-state DC breakers in onze productcatalogus.

Meer over onze op IGBT gebaseerde solid-state DC Breaker voor maritieme toepassingen.