Modernizace trakční napájecí stanice Zkušebního centra Velim

K tomuto účelu provozuje Zkušební centrum Velim (dále ZCV), které disponuje dvěma železničními zkušebními okruhy (velkým a malým), pomocným kolejištěm a technologickým zázemím pro zkoušky. Svými technickými parametry, zejména velkého zkušebního okruhu (délka 13,2 km, max. rychlost 210 km/h a 230 km/h pro vozidla s naklápěcími skříněmi), se řadí k významným železničním zkušebním centrům v Evropě.
Důležitosti tohoto zkušebního centra, nacházejícího se cca 50 km od Prahy, odpovídá i jeho klientela, která představuje všechny významné evropské výrobce kolejových vozidel. Historie ZCV sahá až do roku 1962, kdy zde byl postaven velký zkušební okruh. Ten byl v roce 1965 elektrifikován střídavou napájecí soustavou 25 kV, 50 Hz. Vybudovaná trakční napájecí stanice (dále NS) byla v roce 1971 doplněna o stejnosměrné napájecí systémy a v roce 1997 vybavena střídavým napájecím systémem 15 kV, 16,7 Hz. Od té doby disponuje ZCV všemi základními v Evropě používanými napájecími systémy, které je navíc možné nezávisle používat na jednotlivých zkušebních tratích, což významně zvyšuje konkurenceschopnost společnosti.

¤ Zkušebni Centrum Velim (ZCV), nachazejici se cca 50 km vychodně od Prahy, disponuje dvěma železničnimi zkušebnimi okruhy (velkym a malym), pomocnym kolejištěm a technologickym zazemim pro zkoušky

Vlivem vývoje technických parametrů elektrických hnacích vozidel docházelo v posledních několika letech k situacím, kdy parametry původní NS limitovaly možnosti provádění zkoušek. Nejsložitější byla situace u stejnosměrných napájecích systémů 1,5 kV a 3 kV DC. Ty byly v době svého vzniku velmi elegantně vyřešeny - pomocí lokomotivních transformátorů šlo regulovat napětí plynule od 0 do 3,9 kV - ale postupem doby svým výkonem 4,5 MW nebyly schopny pokrýt potřeby současných vozidel. Vzhledem k počtu odsloužených let a k tomu, že použitá konfigurace již další zvýšení výkonu neumožňovala, rozhodlo vedení VUZ o zadání a realizaci projektu celkové modernizace NS, se zaměřením na část zabezpečující stejnosměrné napájecí systémy.
Hlavním cílem modernizace bylo zvýšení výkonu stejnosměrného systému 3 kV na 10 MW a ostatních (1,5 kV a 750 V) na 5 MW při zachování možnosti regulace napětí v širokém rozsahu, modernizace a centralizace ovládání technologie všech napájecích systémů a výměna základních technologických celků rozvoden 110 kV, 25 kV a 22 kV. Důležitým požadavkem byla současně minimalizace dopadů modernizace na zkušební provoz. ZCV je velmi využíváno zákazníky a vozidla elektrické trakce představují více než 90 %. Z těchto důvodů dlouhodobé napěťové výluky nepřicházely v úvahu.
Projekt byl proto řešen jako novostavba stejnosměrné měnírny, jejíž součástí je velín i pro ostatní napájecí systémy. Je situována na volném prostranství před původní stejnosměrnou měnírnou. Ta zůstala do poslední chvíle v provozu.
Vzhledem k požadovaným výkonovým parametrům a hloubce regulace jsou stejnosměrné napěťové systémy nově rozděleny do dvou, a to 3 kV a 1,5 kV, současně se 750 V, přičemž jejich regulační pásma se překrývají. Aby toto mohlo být realizováno, bylo nutné zadat realizaci atypického trojfázového olejového řiditelného transformátoru 12,5 MVA, 23/23 kV s regulací +5, -10 odboček po 5 %, pro nějž se muselo vybudovat kryté venkovní stání. Dále byl nahrazen regulační transformátor pro systém 25 kV, 50 Hz rovněž atypickým jednofázovým olejovým řiditelným transformátorem 12,5 MVA, 110/27 kV s regulací +3, -13 odboček po 3 %, jelikož původní neměl požadovanou hloubku regulace a pro snížené napětí byly využívány transformátory stejnosměrné měnírny, což omezovalo výstupní výkon. Oba atypické transformátory vyrobila firma ETD Plzeň. Dále byly modernizovány přepojovací portály a ovládání veškeré technologie NS se centralizovalo a přemístilo do nového velínu.
Modernizováno bylo také napájení předtápěcího zařízení v pomocném kolejišti. To bylo původně napájeno přímo z troleje pomocného kolejiště. Nově je napájeno přímo z NS. S těmito změnami souvisí mimo jiné i instalace nového transformátoru 25 kV, 50 Hz / 3 kV, 1,5 kV a 1 kV 50 Hz.
Ve stávající rozvodně 22 kV byl instalován nový dobíječ staniční baterie pro záložní napájení 110 V a realizována hrazená kompenzace nízkého napětí. Součástí modernizace je také stavba dvou osvětlovacích věží, sanace ekologické zátěže původní NS, terénní úpravy okolo nového objektu a demolice původní stejnosměrné měnírny.

¤ Doprava transformatoru VVN/VN na misto montaže

Zdroj a rozvod napájecího systému 3 kV DC a napájecích systémů 1,5 kV, resp. 750 V DC
Veškerá technologie, která je určena pro přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný a kterou tvoří tři usměrňovačové skupiny s návaznou rozvodnou stejnosměrného proudu, je umístěna v prvním nadzemním podlaží nové stejnosměrné měnírny.
Pro napájení trakční proudovou soustavou 3 kV jsou určeny dvě usměrňovačové skupiny se značnou přetížitelností - každá o výstupním jmenovitém napětí 3300 V a proudu 1500 A, což odpovídá přibližně výkonu 5 MW. Usměrňovačovou skupinou se rozumí sestava trakčního transformátoru, trakční vyhlazovací a omezovací tlumivky a trakčního usměrňovače EZB-U. Instalované zařízení vychází ze standardního rolex replicas relojes zařízení instalovaného na české železnici, jsou však respektovány specifické požadavky zkušebnictví, zejména na hlubokou regulaci výstupního napětí, kterou vykonává regulační transformátor.
Unikátním způsobem je řešena usměrňovačová skupina pro trakční proudové soustavy 1,5 kV a 750 V. Je použit jeden transformátor se dvěma šestipulzními můstky a trakčními tlumivkami. Můstky lze pomocí odpojovačů řadit sériově pro napájení soustavou 1,5 kV se jmenovitým proudem 3000 A nebo paralelně pro napájení soustavou 750 V se jmenovitým proudem 6000 A. Výkon této usměrňovačové skupiny je opět 5 MW, celkový instalovaný výkon všech usměrňovacích skupin je tedy přibližně 15 MW.
Pro soustavu 3 kV jsou realizovány tři vývody s rychlovypínači stejnosměrného proudu se jmenovitým proudem 3600 A pro jištění jednotlivých úseků trakčního vedení; pro každý úsek je samostatný rychlovypínač. ro soustavu 1,5 kV/750 V, která je méně využívána, jsou vývody s rychlovypínači jen dva, kde jeden se jmenovitým proudem 3600 A lze připnout k jakémukoli úseku trakčního vedení a druhý se jmenovitým proudem 4600 A je určen pro napájení úseku se třetí kolejnicí (systém známý zejména z metra), jež je instalována v případě potřeby.
Vývodová pole 3 kV i 1,5 kV / 750 V s rychlovypínači vycházejí ze standardních provedení rozváděče EZB-N s osvědčeným systémem chránění a řízení s komunikací po průmyslovém Ethernetu. Ochrany vývodu jsou řešeny jako plně elektronická procesorová zařízení s rozsáhlými možnostmi nastavení, čehož lze s výhodou použít například při změně napětí vývodů.
Přepínání mezi jednotlivými proudovými soustavami do určených vývodů zajišťuje speciálně vyvinutý přepojovací rozváděč. Z tohoto rozváděče může být napájeno zařízení k maření rekuperované energie, a to přímým vývodem, tj. bez předřazeného rychlovypínače stejnosměrného proudu. Z rozváděče jsou vedeny kabelové vývody na venkovní přepojovací portál, který slouží pro přepojování úseků trakčního vedení mezi soustavami DC, AC 50 Hz a AC 16,7 Hz.

¤ Obr. 1. Blokove schema navržene řidici struktury nove trakčni měnirny

¤ Obr. 2. Schema prostorove dislokace jednotlivych časti řidiciho systemu

Řídicí a vizualizační systém NS
Při rozsáhlé modernizaci NS došlo k implementaci nového řídicího a vizualizačního systému, který je integrujícím prvkem všech nových i stávajících technologických uzlů. Veškeré ovládání technologie NS je nově prováděno z prostor pro řízení a monitorování zkoušek, tzv. velínu, situovaného spolu s jeho technologickým a hygienickým zázemím, a dále také rozvodnami, ve druhém nadzemním podlaží nové stejnosměrné měnírny.
Hlavními úkoly nového řídicího a vizualizačního systému jsou ovládání technologie NS, sběr dat z celého systému trakčního napájení, jejich vizualizace a archivace (tj. ukládání historických záznamů vybraných veličin a stavů). Archivovaná data mohou sloužit k servisu zařízení a také mohou být důležitým podkladem, dávajícím informaci o provozních hodnotách trakční měnírny, jako jsou například odebrané, resp. dodané výkony atd.
Blokové schéma navržené řídicí struktury nové měnírny je znázorněno na obr. 1. Řídicí struktura je hierarchicky rozčleněna celkem na tři úrovně označené čísly 0 až 3, přičemž nejvyšší úroveň je úroveň 3 a nejnižší je úroveň 0. Jednotlivé úrovně spolu komunikují pomocí různých typů sběrnic s využitím různých protokolů. Využití více druhů protokolů je dáno technickými možnostmi použitých komponentů, kdy některé uzly systému podporují pouze jeden protokol.
Na obr. 2 je schematicky znázorněna prostorová dislokace jednotlivých částí řídicího systému. Většina zařízení je instalována v budově nové měnírny 3 kV a ve velínu. Ve stávající rozvodně 15 kV zůstal modulární řídicí PLC komunikující s tyristorovými měniči PEG a s příslušnými ochranami. V rozvodně rekuperace zůstal řídicí systém spínání rekuperačních odporů doplněný o dotykovou obrazovku. Rozvodna 22 kV AJA je doplněna modulárním PLC, který obsluhuje daný uzel, komunikuje s instalovanými ochranami a předává data serveru CML.
Vstupně/výstupní signály řídicího systému jsou realizovány takto:

Analogové vstupy
Pro snímání analogových vstupů jsou použity moduly XIOC-8AI-I2. Analogové vstupy jsou měřené hodnoty napětí a proudu, všechny informace jsou do ML přivedeny ve formě proudových signálů.

Teplotní vstupy
Pro snímání teplotních vstupů jsou použity moduly XIOC-4T-PT. Do ML jsou vedeny přímo signály z čidel Pt100.

Digitální vstupy
Informace o stavu jednotlivých prvků technologie jsou vedeny na účastnickou svorkovnici ve formě kontaktních hlášení, napájeny napětím 110 V (220 V) DC. V rozváděči ML jsou signály odděleny oddělovacími relé 110 V/24 V nebo 220 V/24 V na hodnotu 24 V DC a zavedeny do vstupních modulů PLC, typ XIOC-16DI.

Ovládání výstupů
Řídicí automat ovládá prvky technologie prostřednictvím kontaktních povelů. Výstupní moduly PLC jsou tranzistorové, typ XIOC-16DO. Povely jsou vyvedeny z PLC na hladině 24 V DC a přes kontakty převodních relé 24 V/110 V DC jsou vyvedeny na účastnické svorkovnice.

Pro záložní napájení řídicího a vizualizačního systému je použita jednofázová online UPS Powerware o výkonu 1000 VA, umístěná přímo v rozváděči.

Modernizací získal VUZ ve svém ZCV novodobou napájecí stanici plně vyhovující zkouškám současných i budoucích elektrických drážních vozidel.

Základní údaje o stavbě
Název stavby: Modernizace trakční napájecí stanice Zkušebního centra Velim
Investor: Výzkumný Ústav Železniční, a.s.
Zástupce investora: Ing. Josef Dufka
Financování stavby: 60 % Výzkumný Ústav Železniční, a.s, 40 % operační program EU- Potenciál
Poradenská činnost k získání podpory EU: LEAN Consulting, s.r.o.
Generální projektant: Elpring Praha, a.s.
Organizační řízení projektu: Jaroslav Kupr
Architektonicko stavební řešení: Ing. Dagmar Pilařová, Ing. Hana Šedivá, Ing. Jiří Slánský
Statika: TOBRYS s.r.o.
Technologie trakční napájecí stanice: Elektrizace železnic Praha a.s.
Technologie řídicího a vizualizačního systému stanice: PEG, spol. s r.o.
Domovní technologie: Envirotech, s.r.o., AKUKLIMA Praha, s.r.o., ZTIIS, spol. s r.o., Elpring Praha, a.s.
Generální dodavatel: Chládek a Tintěra, Pardubice, a.s.
Hlavní stavbyvedoucí: Ing. Tomáš Feygl
Dodavatel technologií trakční napájecí stanice: Elektrizace železnic Praha a.s.
Dodavatel technologie řídicího a vizualizačního systému: PEG, spol. s r.o.
Klíčové subdodávky stavby: Elektromont servis Brno, spol. s r.o.
Doba výstavby: 02/2009-11/2009
Projektová příprava: 04/2008-04/2009
Uvedení do provozu: 19. 10. 2009