UHaek 0001-42

Elsäkerhet,jordning och returströmkretsen

Elektrisk sikkerhet, jording ogreturkrets

Peter DeutschmannOslo

22.5.2014

Bild 2UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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 3UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

DIN 57115, VDE 0115EN 50122IEC 62128

50122-3 started

50122: 5MP

50122: CDV

Transfer EN 50122 IEC 62128

EN 50122 u3

EN 50122 u2

Bild 4UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

History: What happened in TC9X WGC1

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)

EN 50122:1997• New European

standard• Basically the transfer

from DIN VDE to an European standard

Bild 5UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

132 kV = 2 66 kV, 16,7 Hz

50 Hz

3 ~1 ~

16 Hz

50 Hz

16,7 Hz

20 … 220 kV, 3~ 50 Hz

30 kV

15 kV

HjälpkraftBanbelysning

15 kV

6,3 kV 3~ 50 Hz

Omformare

S-räl

I-räl

Jordlina = return conductorLängsgående jordledar

AT-ledning eller neg. feeder

KontaktledningSE: Återledning = EN?NO: returledning

Driftjordpunkt

1 - 2 stycken15 - 25 MVA

Återledningsskena

Huvudjordnings-skena

Stolp-fundament

S-räl

Autotransformator Sugtransformator

Stationsjordtag

G 1~16 Hz

M 3~50 Hz

XTBE, Deutschmann

20 kV 3~ 50 Hzeller

1:1

Outdoor36 kV70 kV170 kV

IsolationskoordinationRated insulation voltageShort durationRated impulse

Indoor24 kV (36 kV kabel)50 kV125 kV

KTL36 kV70 kV170 kV

Electrical clearance in mmstatic dynamic

Indoor 210Outdoor 270 150KTL 270 150

M

1~3~

M M M

Transformatorstation

AT-avstånd 10 km BT-avstånd 5,6 km

Bild 6UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Induktion, koppling, strömfördelning lik- och växelspänning

Rälsimpedans UIC 60, DC: 35 m/km

AC & DC utan jordning

I = 0 A

AC eller DC DCAC

Isolerad returströmkrets

Returströmkrets?

Återledning

Matning

Jordad returströmkrets

Induktiv koppling mellan kontaktledning och räl

BT-system

DC med jordningAC med jordningAC med jordning & BT

Rälsimpedans UIC 60, AC 16,7 Hz: 60 m/km (0 A)160 m/km (1000 A)

Bild 7UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Varför jordning?

• 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

• 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

Vad skall uppnås Risk

Bild 8UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Skyddsåtgärder(AC 15 kV 16,7 Hz)

Obs! En ledare kan har flera funktioner, högsta dimensioneringskravet gäller!Källa: 0001-17-v3

Åtgärd Vad är det? Mot vad hjälper det? Dimensionering

Skyddsjordning Anslutning till returströmkretsen(ej återledning)

Mot spänningssättning av utsatta delar eller delar i kontaktledningsområdet

kortslutningsströmSE: upp till 30 kA50388: 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

kortslutningsströmSE: upp till 30 kA50388: 40 kA

Skärmning- isolerande- ledande

Skyddstak på bron (15 kV),plastbelagd stängsel (Uind)

kortslutningsströmSE: upp till 30 kA50388: 40 kA

Avstånd Skyddsavstånd direkt och indirket beröring avstånd enligtSS-EN 50122-1

Bild 9UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Rälspotential

Rälspotential

?

Bild 10UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Sugtransformatorsystem (BT-system)

15 kV matning

Återledningsskena Sugtrans-formator

S-räl

Återledning

Kontaktledning

Driftjordpunkt

Max 5,6 km Max 3,0 km

1) Sugtransformator2) Stoppförbudstavla3) Luftsektionering4) Stolpe

1) Boostertransformator2) Halteverbotssignal3) Streckentrennung4) Mast

1)

2)

3)

4)

Bild 11UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Beräknad strömfördelning och rälspotential för BT-systemet

15 %

100 %

13 %87 %85 %

84 %Tåg 100 %

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

45 50 55 60[km]

U [V

/100

A]

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100[%]

URE [V/100A]

I S-räl [%]

Jordström

Sugtrafo

Tåg

Jordpunkt

URE = Rälspotential

ÅLKTL

S-räl

Bild 12UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Uppmätt rälspotential, Malmbanan km 1184 +650(BT-system driftjordpunkt)

U nJP Rälspotential vid norra jordpunktenI nJP Ström genom norra jordpunktenU re norm Normerad rälspotential

Bild 13UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Strömfördelning i S-rälen kring driftjordpunktenMätning 17.06.2004, Ulvshyttan

U ind söderut

JP Sug

Källa: 0021-I-räl

spårledning

Bild 14UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Rail potential distribution

> 100 mR E

URE

R SchieneE ErdeP Meßpunkt

RälspotentialförloppBV 2, 00-09-26, 9:43:00

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500

Avstånd till spåret [m]

Räl

spot

entia

l [V]

020406080

100120

0 5 10 15 20 25 30a [m]

URP

R P

UPE/URE [%]

URP

Avstånd[m]

UPE/URE[%]

1 802 505 30

10 2020 1050 5

100 0

~ 3,0 m

R rälE earth, sann jordP mätpunkt

Bild 15UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

AT-system i dagsläget

15 kV matning

Jordlina

Återledningsskena

S-räl

Omformarstation

ca. 10 km

Kontaktledning

AT-ledningNegativ Feeder (NF)

100 %54 %

18 %

36 %

18 %27 %

27 % 82 %55 %

45 %

10 %

90 %

100 %

100 %

45 %

45 %

Bild 16UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

AT-systemRälspotential och jordström, enkelsidig matning

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60

Sträcka [km]

Spä

nnin

g, S

tröm

S-räl U [V/100 A]Jordström [%]AutotransformatorTåg

Bild 17UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Rälspotential

Rälspotential 130 V

! För ett litet R

vid ”?”

1 ?

R = xx till 880

Bild 18UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Kapitel 4Kontaktledningsområde

RißversucheTechnische Universitet WienApril + August 1990

Bild 19UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

SS-EN 50122-1

X = 5 mför R 1000 m

Y = 2,0 mZ = SH - HP

HP: Högsta punkt påkontaktledningen (bärlina)

Kontakttråd

Rälsöverkant

Kontaktledningsområde

Markyta

SH = HP + 2 mmen minst 8,0 m

Fritt utrymmeNormalsektion N

X = 4 m

Strömavtagarområde

Kapitel 4: Kontaktlednings- och strömavtagarområdei svensk utformning

Det utökade området för kurvradior under 1000 m gäller endast för insidan av kurvan

Bild 20UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 5: Skydd genom avstånd

Public area(plattform, plankorsning)

Restricted area(allt annat)

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

Bild 21UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 6: Indirekt beröring

S-räl

SkyddsjordningPersons eller husdjurs beröring med utsatt del som blivit spänningsförande på grund av fel, ELSÄK-FS 1999:5

Gäller även inom kontaktledningsområdet

Bild 22UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 6: Indirekt beröringStålarmerad betong

10 cm betongtäckning av armeringen

• 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

• Första omgång med max 2 vikt% restfuktighet

• Andra omgång efter ett halvt år utomhuslagring

Bild 23UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 6: Indirekt beröringStålarmerad 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 24UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel: RälspotentialöverföringRälspotential och duschen

SEK Handbok 413

Jordning av fundamentet (bottenplatta)Potentialutjämning mellan el/vatten och fundamentet

70 m

Potentialutjämning saknades

10 V till 15 V

Bild 25UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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

100 100 100 100 100

Men är

fortfarande en mindre del?

Typ Parallellt spåret

Vinkelrätt spåret

Helt ledande 3 m 2 m

Delvis ledande(stålarmerad betong

15 m 2 m

Bild 26UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Bensträckare

Bild 27UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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 MetallBelysningsarmatur, Klass IIStolpinsats, Klass II

Ortsnät &ingen mellantransformator

JärnvägsjordS-räl

Bild 28UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 7: Low voltage non tractionReturn circuit

• 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)

PES-räl

PEortsnät

järnvägen

(a) (b)

Avsnitt 7.4

Bild 29UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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 UE < 50 V kan motivera samjordning

Bild 30UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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

IB UBUte

Tillgängligspänning

UtpURE

Rail potentialas source for the touch voltage

ZB

Bild 31UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Time/current zone, AC 15 Hz to 100 Hz, IEC 60479-1 Ed 4, figure 20

• high level, short duration:between 10 and 100 ms was chosen as a descending line from 500 mA to 400 mA

• low level, longer durationbetween 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 has been established by statistical evaluation of animal experiments

Curve c1Curve c2

3 s; 40 mA

100 ms; ? mA

a) Limit of perception 0,5 mAb) Limit of let go 5 mAc) Limit of fibrillation 37 mA

Bild 32UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Total body impedance (IEC 60479-1:1994)hand to hand, a.c. 50/60 Hz

• 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

Limit for workshops

Bild 33UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Equivalent circuits for the calculation of the permissible touch voltage

Zbe = Ra

UbZT

Ra1

Ra2

USTp

Shoes

Standing surface

Sourcevoltage

Definitions from IEC and IEVZT total body impedanceZib impedance between the body and the conductive parts (e.g. gloves)Zbe impedance between the body and earth (e.g. shoes, standing surface)ZS source impedanceZSE impedance source earthUb body voltageUtp prospective touch voltageUte effective touch voltageS soil resistivity

Ute Utp

Ra2

USTp

Standing surface, Standort

Zib

ZS ZS

ZSE ZSE

No loadtouch circuit

iB

Touch circuit

1,5/m * S

Bild 34UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Simplified schematic diagram for the internal impedance of the human body according to IEC 60479-1

Zip

Zip Zip

Zip

Zip/5

RHand-Hand * 0,75 = RHand-FüßeHint in ITU, that Zi Ztb(Figur 4 K.33, Note 2)

Zip internal partial impedance

Bild 35UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Safety levels

Time duration

Used body current curve

c2 (= 5% risk for fibrillation)c2 – 5 V

CENELECEN 50522EN 50341

Time duration

Used body current curve

c1 (= no risk for fibrillation)c1 – 5 V

CENELECEN 50122-1

10 ms 10 s

10 ms 300 s

Time duration

Used body current curve

c2

b (= limit for let go current)ITUsituation(2004)

10 ms 1 s

Uadm = 60 V complies with Ut = 25 V

Ut = 60 V

Ut = 75 V

Changed to 3 s???

EN 50522 = HD 637 S13-fas-Beröringsspänningar endast under felförhållanden

-Upp till 10 sec (table B.1)

Järnväg-Beröringsspänningar vid drift-Upp till 300 sec

Bild 36UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Källa 0014-14-b2

Vergleich von Spannungsgrenzwerten für die Berührungssicherheit

10

100

1000

10000

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00

Abschaltzeit, Fault duration, Bortkopplingstid [s]

Spän

ning

[V]

IEC U(Zb), c1421 0101 U(Zb), c2K.53 typ sit I (Sign/El) U(adm)

80 V

4300

440

300,00

60 V

65 V75 V

Comparison of voltage limits for the safety of persons

Zbe=Ra

Utp c1Zb

Ra1

Ra2

Uadmi

Utp c2

Fault duration for railway systems:•SE: 75 ms to 95 ms•DE: 60 ms to 100 ms

= HD 637 S1≈ EN 50522

Förkortningar, se bild ”Equivalent circuit!

Bild 37UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

EN 50122-1 Kapitel 9: Figure 26

• URE < Limit • URE < 2 Limit

– Potentialöverföring?

• URE < 3,3 Limit – Åtgärder enligt 9.2.2.4

• Ute < Limit– Åtgärder enligt 9.2.2.4

Ute < Ute, maks

GrundentwurfGrundutförandeBasic design

Jämförelse med rälspotential

Jämförelse med effektiva beröringsspänningen

Bild 38UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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 39UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 9 & 10: Konsekvenser för andra anläggningsdelar

• 50122-1Gränsvärden 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, 9.1.3Avstånd till spänningsförande del på fordon 50153

Bild 40UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-1 Kapitel 10: Connection to the return circuit

Jordlina = Erdseil = earth wireRäl

Returncircuit

Driftjord-punkt

Se: ÅterledningNo: Returledning

Rail

Return conductor

ÅterledningsskenaReturn cunductorbusbar

15 kV

Åter = Retur = Return = Rück Återledning = Returledning = Returncircuit = Rückleitung???

3 kV

15 kV

Def: 3.3.1All conductors which form the intendedpath for the traction return currentNOTE! This definition includes the scandinavian BT-return cunductor

Dubbla anslutningarför återledaren?

Film:C:\User\PD\Skrivbord\Data\Resor\2012-06-14-ÄngelholmF:\2014-05-22-NEK-Oslo

Bild 41UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-2 Kapitel 5: Stray current assessment

• Basic requirementI’max < 2,5 mA/mgenomsnittlig läckström per meter för enkelspår

• G’RE = I’/URE med I’ = 2,5 mA/m per spår– e.g. G’RE

Bild 42UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Läckströmmar50122-2: Kapitel 5 och 50122-3Stockholm Riddarholmen

Bild 43UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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 än200 mV

• För nedgrävda metallkonstruktioner (påle) beaktas även markresistivitetenEN 50162U 20 mV till 300 mV medU = 1,5 * Sdvs. 300 mV för S > 200 m

pålar

DC

tunnelbana

AC

TrV

TrV = Trafikverket

Cu/CuSO4

RiddarholmenStockholm

S = soil resistivity

Bild 44UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

50122-3: Combined touch voltages (a.c. and d.c.)

Per missib le b o d y vo l t ag e, l inear iz at io n o f t he " sect io n 1" slo p ew it h vo l t ag es acco r d ing t o cur ve c1 w i t ho ut ad d i t io nal imp ed ances

ac 65

dc 150

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

U d.c .

U a .c .

U dc = 2 U a c

secti on 1

secti on 2

0,4 s 0,3 s0,5 s1,0 s

Källa: 0025-08-b3

-1/2

Bild 45UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

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

Rälspotential = ?S-räl

Bild 46UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Användning: Från 130 mm2 Cu till 710 mm2

• Återledning 130 mm2 Cu (nu 212 Al)• 2 * 130 mm2 anslutning av omformarstation (n-1)• En AT betraktas som utmatning anslutning med 2 * 130 mm2

• Dubbla AT 4 * 130 mm2 (1032 A)• 130 mm2 kan inte anslutas till rälsen 8 * 70 mm2• 70 kunde inte heller anslutas 16 * 35 mm2

• Tre separata skyddsjordningar för ATerna och stolpen

16 + 3 = 19 rälsanslutningar med totalt 710 mm2 Cu (4969 A)

16 mm2 Cu 7,4 A/mm2

50 mm2 Cu 5,5 A/mm2

120 mm2 Cu 4,3 A/mm2

Bild 47UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Användning: Parallella föremål (t.ex. staket)

• Rälsbrott• Potentialöverföring• Returströmmar• Inducerad spänning

• Avstånd• Samjordning• Hinder• Icke ledande material• Mellantransformator R1 R2

2,5 mArmräckvid

St6-2

GB GatubelysningSt KontaktledningsstolpeR1 S-räl (traction system earth)R2 I-räl (Signalsystem)

Staket

GBTN-CTN-S

TN-CTN-S

TN-CTN-S

TN-CTN-S

Bild 48UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Användning: Skydd genom avstånd

• Avståndet skall alltid uppfyllas

• Ta hänsyn till – Byggtolerans– Spårriktning =

spårlyft– Snö- och islast– Handhållen föremål

Gångbro

3,5 m

Förstärkningsledning

Använd standarden med sund förnuft!

Plattform

Bild 49UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Framtidsutsikt: Vad händer nu i TC9X WGC1

Current revisionEN 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 50UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Thank you for your attention

Bild 51UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Gällivare: Överspänningsskydd kiosk 3

S-räl

S-räl - Erdschiene

Hauptotentialaus-gleichsschiene

Bild 52UHaek 0001-42/PD, 2014-05-22

Hjälpkraftförsörjning för signal- och telekommunikationsanläggningar

L1L2L3NPE

L1L2L3NPE

2 km till 3 km

Kiosk eller skåp

URE

Erdschiene, S-räl

130 V

2 URE

HJS

UL3 + 2 URE

FasadskåpSkåp = Schrank

Gruppcentral

Lågspänningstrafo, sekundärsida

UI-räl