Resumé DC-beveiligingsfilosofie conform OVS13-3 (beveiligingsbeleid)

We mochten van Vincent een actuelere versie ontvangen waarvoor dank.

ProRail kent een getrapte beveiliging tegen kortsluiting en overbelasting vanuit de volgende filosofie.
De door de beveiliging doorgelaten energiepuls moet kleiner zijn dan de kortsluitvastheid van de te
beveiligen installatie. De doorgelaten energie en kortsluitvastheid worden uitgedrukt middels de
volgende formule: I 2 .t.

Concreet zegt deze formule dat een hogere kortsluitstroom veel sneller moet worden afgeschakeld
dan een lagere.

Voorbeeld:
Als een installatie kortsluitvast is voor 40 kA gedurende 100 milliseconde, dan gelden de volgende maximale tijden
ten aanzien van kortsluitvastheid:
 Kortsluitstroom 60 kA: 44 ms
 Kortsluitstroom 8 kA: 2,5 seconden.


In een voedingssectie is altijd sprake van een minimale en een maximale kortsluitstroom. De minimale
DC-kortsluitstroom bedraagt in de praktijk orde grootte: 4.700 A tot circa 15.000 A. De maximale DC-
kortsluitstroom kan bij harde kortsluiting zonder begrenzing oplopen tot 40.000 A - 90.000 A. De
snelschakelaar, zal de stroom wel kappen, waardoor de werkelijke (doorgelaten) piekstroom circa 30-
40% lager zal uitvallen.

Naast kortsluitvastheid dient ook rekening gehouden te worden met de maximale tijden voor wat
betreft stap- en aanraakspanningen zoals genoemd in EN50122-1: 2011 (tabel 6).
Toegepaste beveiligingsfuncties
De volgende beveiligingsfuncties voor kortsluitdetectie en thermische overbelasting worden toegepast
in GVI’s van ProRail met Secheron Sepcos Pro, ADtranz DCP of Siemens Sitras Pro:
1. Impedantiebeveiliging (Z) als primaire beveiliging;
2. Onderspanningsbeveiliging: U min ;
3. Elektromechanische beveiliging van de snelschakelaar zelf: EM.
4. Onafhankelijk maximaalstroomtijd beveiliging (OMT) van het beveiligingsrelais;
5. Thermische beveiliging (I therm ).

De elektromechanische beveiliging (EM) is dekkend voor zeer hoge kortsluitstromen tot 100 kA. De
beveiliging is zeer snel (10-20 ms) en betrouwbaar, maar helaas niet zo nauwkeurig in te stellen (+/-
500 A.). Dit is ook één van de redenen dat ProRail vanaf begin 2000 is overgestapt op
impedantiebeveiliging als primaire beveiliging voor de lagere kortsluitstromen.

De EM-beveiliging schakelt de snelschakelaar uit door de uitschakelstang (7) omhoog te bewegen.
Hierdoor wordt een vork (2) opgelicht waardoor het schuifcontact (met veerspanning) wordt gelost. Dit
resulteert in het verbreken van de hoofdcontacten (9 en 3). Onderstaande afbeelding van de
snelschakelaar illustreert dit.


 

 

 

 

De impedantiebeveiliging dekt alle harde kortsluitingen af in de voedingssectie. De beveiliging dekt
dus, in tegenstelling tot de elektromechanische beveiliging, ook kortsluitingen af onder de 8 kA, d.w.z.
in het overbelastingsbereik van de stroom [1-2 x Inom]. De beveiliging wordt momenteel ingesteld op
de berekende minimale circuitimpedantie van de voedingssectie plus een veiligheidsmarge van 15%.
Het uitschakelproces is met circa 100 ms minder snel dan bij EM-beveiliging, omdat uitschakeling
normaliter geschiedt via een omgekeerde puls op de inschakelspoel (1). Dit resulteert erin dat de Vork
(2) zich terugtrekt en het schuifcontact verbreekt van het hoofdcontact. Het beveiligingsrelais zelf heeft
een reactietijd van circa 10 ms.

Opmerking: Bij de nieuwste generatie GVI van Siemens en bij snelschakelaarvelden die invoeden op
spanningssluizen is het uitschakelproces versneld door een optionele module (BIM5) toe te passen op
de snelschakelaar. Deze module duwt net als de EM-beveiliging de vork omhoog zodat de
afschakeltijd van de snelschakelaar zelf beperkt kan worden tot 7 ms. Inclusief de detectietijd van het
relais van 10 ms komt de totale afschakeltijd dan op 20 ms.

De onderspanningsbeveiliging is ook dekkend in het lage kortsluitbereik en bij overbelasting van het
TEV-systeem. Deze beveiliging komt met name tot zijn recht indien sprake is van een zwak TEV-net.
Dit kan gebeuren door storingen: uitval meerdere tractiegroepen, dan wel gestoorde dienstregeling
met filevorming van treinen. Vooral bij schakelstations heeft deze beveiliging zijn meerwaarde
bewezen.
De minimale spanningsbeveiliging U min wordt standaard ingesteld op 900V.
Deze waarde is bewust lager gekozen dan de minimale spanning die is toegelaten voor tractie-afname
(1000V 1 ) en lager dan de minimale spanning voor hulpverbruik in de trein (950 V). [Bron:
RLN00015/RIS].

Achtergrond setting:
Je wilt dat bij een verzwakt TEV-net altijd eerst materieel afschakelt/afkoppelt om de energievoorziening zoveel
mogelijk doorgang te laten hebben voor zoveel mogelijk treinen. De gemeten onderspanning is een indicatie dat het
TEV-net onvoldoende vermogen kan leveren ten opzichte van de vraag naar vermogen door treinen. Door treinen
eerder te laten uitschakelen voorkom je dat het TEV-net volledig moet afschakelen. Een deel van de treinen kan dan
nog wel rijden.

Bij een spanning lager dan 900 V is er sprake van kortsluiting. Uitschakeling is dan gerechtvaardigd.


De maximumstroom-setting van het beveiligingsrelais wordt standaard ingesteld op 8 kA. Deze
beveiliging is overeenkomstig ingesteld met de EM-beveiliging. Deze beveiliging kent wel een hogere
nauwkeurigheid dan de EM-beveiliging.

De thermische beveiliging moet overbelasting van componenten voorkomen. De instelling bedraagt
vaak circa 1100 A bij een tijdconstante van 1800 Seconde.

Dekking onvolledige kortsluiting (boogsluiting)
Op dit moment is de beveiliging van ProRail niet dekkend voor onvolledige sluitingen. Dit zijn
kortsluitingen waarbij een vlamboog in de lucht optreedt. Door de hoge overgangsweerstand van de
sluiting/vlamboog, kan de kortsluitstroom die één voedende snelschakelaar ziet, zeer laag blijven (veel
minder dan 4.000 A). Tegelijk blijft de bovenleidingspanning ter hoogte van de snelschakelaar te hoog
voor onderspanningsdetectie (>900 V). De beveiliging kan dit type kortsluiting daardoor missen. In de
praktijk ziet één van de twee snelschakelaars de kortsluiting wel en de andere niet. Reden hiervoor is
dat de stroomverdeling over de snelschakelaars vaak erg asymmetrisch is.

Beveiligen tegen deze sluiting is niet effectief mogelijk met de conventionele beveiligingen . Immers de
kortsluitstroom die één snelschakelaar ziet, kan veel kleiner blijven dan 4000 A.



Hieronder wat voorbeelden van een onvolledige kortsluiting:
1. Defecte overspanningsafleider bovenleiding die eindigt in doorverbinding. Omdat er geen
contact is met minus kan de stroom onvoldoende groeien voor detectie. De
overspanningsafleider is immers geaard op aarde en het DC-spoor is geïsoleerd van aarde.
Er ontstaat hitteontwikkeling. Dit gaat door totdat de isolatie van de aardgeleiders smelt en er
contact ontstaat tussen de koperen aardgeleider en de bovenleidingpaal of doordat de
aardgeleiders volledig doorsmelten en de stroomkring is verbroken;
2. Boogsluiting over isolator ingeleid door aluminium ballon (incident Schipholtunnel);
3. Incident met brandweertester waarbij boog getrokken is;
4. Brandincident trein Abcoude waarbij overgangsweerstand zeer hoog werd (120 mΩ).

De risico’s van de incidenten 1 t/m 3 zijn door ProRail geaccepteerd. Het betreft vooral een schade-
risico. Het schadebedrag en de schadefrequentie wegen niet op tegen de investeringskosten van
aanvullende beveiliging die actief wordt geïnvesteerd.

Naar aanleiding van incident Abcoude (4) wordt onderzocht of probleem ‘niet detectie onvolledige
sluiting’ opgelost kan worden via:
A. Di/dt-beveiliging. Dit omvat meerdere functies: (delta I, delta t en di/dt). Moderne
beveiligingsrelais van ProRail (Sepcos en Sitras) ondersteunen deze functies. Deze

1 = U 1 = U min2 conform EN50163. beveiliging heeft de potentie om deze fouten bijna 100% te detecteren. Nadeel is wel dat nog
maar een beperkt aantal GVI’s zijn uitgerust met de vereiste moderne beveiligingsrelais.
B. Koppelen snelschakelaars. Meestal wordt de onvolledige sluiting maar door één van de twee
voedende snelschakelaars niet gezien. Door koppelen snelschakelaars zou je kans op
detectie en afschakelen aanzienlijk kunnen verbeteren.

Koppelen snelschakelaars wordt nu vooral toegepast in de situatie dat de belasting van de
voedingssectie zo groot is, dat de beveiliging geen onderscheid meer kan maken tussen
belastingstroom en kortsluitstroom. Koppelen wordt dan toegepast als alternatief voor het bijbouwen
van een tussenliggend onderstation. Koppelen vereist wel een investering.
Achtergrond impedantiebeveiliging nader beschouwd.
De impedantiebeveiliging is conform OVS00013-3 de primaire beveiliging op DC-niveau
(snelschakelaars).

Hiervoor is al genoemd dat deze beveiliging zeer nauwkeurig is in te stellen ten opzichte van EM-
beveiliging. Een tweede doorslaggevend voordeel van dit type beveiliging is dat de instelling van deze
beveiliging onafhankelijk is van de actuele bedrijfsvoeringssituatie van het TEV-systeem.

De volgende bedrijfsvoeringssituaties voor kortsluiting worden in OVS13-3 onderscheiden:
 Normale voedingssituatie (alle bovenleidinggroepen en tractiegroepen in bedrijf);
 Parallelle bovenleidingen uit bedrijf (enkelzijdige invoeding sluiting);
 Eén tractiegroep uit bedrijf;
 Onderstation als schakelstation.
Voor al deze configuraties verschilt de kortsluitstroom en de railspanning. De impedantie/weerstand
van de voedingssectie is echter voor alle bedrijfsvoeringsvarianten constant. Dit is dan ook de kracht
van impedantiebeveiliging.

Voor het instellen van de impedantiebeveiliging zijn enkel de volgende parameters relevant:
 Doorsnede bovenleiding voedingssectie;
 Aantal parallelle sporen;
 Enkelbenige spoorstroomloop of dubbelbenige.

Voorbeeld berekening setting
Uitgangspunten:
 Afstand tussen onderstations: 5 km;
 Bovenleidingdoorsnede 500 mm 2 . R = 37 mΩ/km;
 Dubbelspoor;
 Dubbelbenige spoorstroomlopen: R= 22 mΩ/km.

De circuitweerstand van de sectie bedraagt dan: 5 x [37+22/2] = 240 mΩ.

De gehanteerde veiligheidsmarge voor de instelling is conform OVS00013-3 15%. Dit levert een
setting op van 276 mΩ.

Is de gemeten weerstand kleiner dan 276 mΩ, dan zal de impedantiebeveiliging aanspreken.

Stel nu dat het onderstation een eigen weerstand heeft van 30 mΩ, dan zal de beveiliging
aanspreken bij een kortsluitstroom van 5.882 A. Heeft hetzelfde onderstation een grotere
eigenweerstand van bijvoorbeeld 50 mΩ (door uitgeschakelde tractiegroep), dan zal de beveiliging
al uitschakelen op een kortsluitstroom van 5.521 A. De impedantiesetting zelf zegt dus niets
over de kortsluitstroom die zal lopen.
Normering voor afschakeltijden
Voor zeer hoge kortsluitstromen geldt dat deze conform EN50388:2012/11 2 onvertraagd moeten
worden afgeschakeld en liefst zo snel mogelijk. De EN50388 geeft voor zeer hoge kortsluitstromen in
indicatieve afschakeltijd van 20-60 ms. Om deze tijden te halen wordt gebruik gemaakt van de
elektromechanische beveiliging van de snelschakelaar zelf.

Blijft de vraag over wat is een zeer hoge kortsluitstroom?

In de norm voor snelschakelaars, EN50123-1 3 , worden verschillende typen snelschakelaars genoemd.
ProRail heeft gekozen voor het snelle type H. In relatie tot de afschakeltijd heeft type H de volgende
eigenschappen:

3.4.7.1 high speed current limiting circuit breaker (H)
circuit breaker with a break time sufficiently short to prevent the short-circuit current reaching the peak
value it would have attained without interruption
For this condition to apply, the H circuit breaker has an opening time not greater than 5 ms and a total
break time not greater than 20 ms, when the current to be interrupted has a prospective sustained
value of at least 7 times the circuit breaker setting an di/dt ≥ 5 kA/ms.

Er is dus sprake van een hoge kortsluitstroom indien deze hoger is dan 7 x de instelling van
snelschakelaar. Bij een instelling van 4000 A bedraagt de zeer hoge kortsluitstroom dus 28.000 A. Bij
een instelling van 8000 A bedraagt de zeer hoge kortsluitstroom dus 56.000 A. Het betreft
onbegrensde kortsluitstromen.

Voor deze kortsluitstromen is uitschakeling binnen 20 ms gegarandeerd.
Bij stromen tussen 8000 A en 56.000 A is uitschakeling binnen 60 ms gegarandeerd.
Voor lage kortsluitstromen (hoge belastingstromen) geeft de EN50388 geen referentietijden voor
afschakelen.

Selectiviteit tussen beveiliging Infra en Trein
In de beveiligingswereld is het gebruikelijk dat een fout altijd zo laag mogelijk in het net wordt
afgeschakeld, d.w.z. zo dicht mogelijk voor de foutplaats. Door het af te schakelen gebied te
beperken, kun je het aantal gebruikers/afnemers dat hinder heeft beperken. Vanuit deze filosofie hoort
een kortsluiting in de trein door de snelschakelaar van de trein zelf afgeschakeld te worden. Daarmee
blijft de beschikbaarheid van het TEV-net intact. Ook is hinder van andere treinen uitgesloten.

EN50388:2012/11.2 zegt in dit kader het volgende:
 Bij een kortsluiting in de trein, dient de snelschakelaar van deze trein conform EN50388:2012
direct onvertraagd af te schakelen.
 EN50388:2012/11.2 merkt ook op (Note1) dat modern materieel in staat moet zijn om zeer
hoge kortsluitstromen (tot 100 kA) te onderbreken.
 De beveiliging van het voedende onderstation dient in geval van een zeer hoge
kortsluitstroom echter ook onvertraagd uit te schakelen. Dit om ouder materieel te
beschermen.

De norm EN50388 gaat dus niet uit van volledige selectiviteit tussen trein en infra bij grote
kortsluitstromen. Er mag immers geen tijdvertraging worden ingesteld in de kortsluitbeveiliging van het
TEV-net (infra). Bij lage kortsluitstromen zal de trein waarschijnlijk als eerste afschakelen; echter
mogelijk schakelt de beveiliging van het TEV-net ook uit. Bij zeer hoge kortsluitstromen schakelen
zowel de trein als de infra af, waardoor geen sprake is van selectiviteit. Middels automatische
wederinschakeling (10 sec) wordt de TEV-infra weer ingeschakeld na testen circuitimpedantie.


2 EN50388 regelt de interoperabiliteit tussen materieel en TEV-infra.
3 EN50123 is de Europese norm voor dc switchgear. De nieuwe norm NEN-EN50633: 2016 ‘Railway applications – rolling Stock – Protective provisions
relating to electrical hazards’ zegt expliciet dat het TEV-net geen back-up hoeft te bieden voor
sluitingen in de tractie-unit.

Artikel 4.2.2:
“Protection of electric rolling stock against faults downstream of the traction unit circuit breaker is not
the primary function of the protection system of the electric traction system, however it can provide
some degree of remote backup protection for such faults.
T
he protection in the traction substation shall be able to detect faults which include a maximum vehicle
impedance as set out in EN 50153.”

EN50153:2014/6.4.4 geeft een maximale impedantie op van 50 mΩ.

Snelschakelaar met enkel conventionele beveiliging (oudere GVI’s)
Conventionele snelschakelaars in oudere generatie GVI’s hebben enkel een elektromagnetische
stroombeveiliging en een onderspanningsbeveiliging. Beiden functioneren als primaire beveiliging
tegen kortsluiting, afhankelijk van de bedrijfsvoeringssituatie.

Omdat de onderspanningsbeveiliging nu als primaire beveiliging functioneert tegen kortsluiting, wordt
een maatwerksetting bepaald op basis van kortsluitberekeningen. Meestal wordt 1100V ingesteld.

Onderzoekspunt B geldt ook voor de stroominstelling.

Mocht u het allemaal nog eens na willen lezen download hier het originele bestand

Om terug te keren naar de nieuwsoverzicht pagina klik hier       

Om terug te keren naar ons startmenu  klik hier.