510 2020 Endringsartikkel 2639

1 Endringsinformasjon

EndringsID 2639
Forslagsdato 07.04.2020
Forslagsstiller Øyvind Stensby
Klassifisering Kravendring
Bok 510 Felles elektro
Kapittel 6 Jording og utjevning
Avsnitt 9 Beskyttelse mot lynspenning
Forslagstekst Bakgrunn for forslaget er at vi ser eksempler på at prosjekterende ikke forstår den risikobaserte tilnærmingen til vurdering av hvor impulselektroder skal etableres. Resultatet er at impulselektroder i flere tilfeller blir etablert uten at det foreligger en faglig begrunnelse for valget.

Jeg foreslår derfor å lage en beskrivelse av at lynspenninger som regel vil slå over en isolator i nærmeste mast for lynnedslaget, og at denne lynspenningen da uansett vil ledes inn i returkretsen. Overspenningsavledere etableres for å sikre at kostbare komponenter som kabler og transformatorer ikke utsettes for en høyere lynspenning enn den maksimalt tillatte. Overspenningsavledere kan føre til en økt hyppighet av overspenninger i returkretsen i disse punktene, men spenningene her blir likevel ikke høyere enn ved overslag over en hvilken som helst isolator andre steder.

Utgangspunktet må derfor være at returkretsen, og utstyr koplet til returkretsen, skal være utformet for å tåle forekommende lynoverspenninger som slår over isolatorer.

Referansedokumenter

2 Systemdefinisjon

2.1 Generelt

Temaet er sårbart utstyr (lavspenning og elektronikk) som svikter når det blir utsatt for overspenninger ved stor lynaktivitet. Vi har nylig to ulike eksempler på at systemer med diodelys svikter etter perioder med lynaktivitet. Det har vært gjort en tidlig vurdering av mulige årsaker for det ene eksempelet (se vedlagt dokument). Det er ikke entydig konkludert med hvordan overspenningen har kommet inn til diodene. Fordi det er vanskelig å gjennomføre kontrollerte tester med lyn i jernbaneinfrastrukturen er det vanskelig å etterprøve ulike forklaringsmodeller. Det er likevel anbefalt noen tiltak for å dempe størrelsen på lynimpulser som kommer de mest sannsynlige veiene.

Det er identifisert to sannsynlige veier for lynimpulser inn til sårbart utstyr for lynimpulsen: Via matende lavspenningsnett og via utjevningforbindelsen til returkretsen. Den første veien er allment kjent og det prosjekteres alltid lynbeskyttelse for lyn som kommer denne veien i nye elektriske anlegg. TRV har også krav til det i kapittelet "isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse". Lynimpulser som kommer fra returkretsen er det imidlertid svak beskyttelse mot og slike lynspenninger kan anta store verdier på flere hundre kV mot jord.

Skaden i elektrisk utstyr kan oppstå når hele eller deler av denne spenningen legger seg mellom ulike tilkoplingspunkter i det elektriske utstyret, der en elektrisk ledende innkapsling utgjør en av disse tilkoplingspunktene.

Strategien i eksisterende regelverk for beskyttelse av sårbart utstyr er risikobasert slik at det skal gjennomføres tiltak rettet mot emisjon fra overspenningsavledere tilknyttet kontaktledningen der hvor sårbart utstyr i nærheten medfører behov for det. Imidlertid finnes det mange flere kilder for at lynspenninger kan komme inn i returkretsen, og disse er det per i dag ingen strategi for å begrense. Slike strategier ville fort blitt svært kostbare. Videre har denne risikobaserte tilnærmingen i flere tilfeller ikke blitt forstått og det har ført til at det har blitt etablert beskyttelsestiltak (impulselektrode) på steder der det som utgangspunkt ikke skulle være særskilt behov. Altså: Dagens regelverk har ført til tiltak som har vært lite treffsikre for den egentlige problemstillingen.

Problemstillingen er økende sammenliknet med eldre anlegg fordi:

  • Det brukes i moderne anlegg større omfang av sårbart utstyr (eksempelvis diodelamper og elektroniske styringskomponenter) enn tidligere. Eldre typer releanlegg og glødelamper var mindre sårbare for lynimpulser.
  • Tidligere gikk mange utjevninger til returkretsen via en filterimpedans, som dempet en stor del av lynimpulsen. Ved utbygging av akseltellersystem fjernes filterimpedansene og utjevninger tilkoples sporet direkte. Det gir betydelig mindre dempning av lynimpulser.

På bakgrunn av dette foreslås det å endre strategi fra den eksisterende strategien i Teknisk regelverk om å kontrollere emisjon fra overspenningsavledere, til en strategi om at sårbart utstyr skal være beskyttet mot lynspenninger som kommer fra returkretsen. Det innebærer krav til utførelse av utjevningsforbindelser for sårbart utstyr, og krav om overspenningsvern elektrisk nær det sårbare utstyret (det vil si i samme skap).

Endringen hensyntar også endringsforslag #2667 om lynbeskyttelse av radiomaster. Radiomaster er i dette tilfellet sårbart utstyr som krever særlig beskyttelse mot direkte lynnedslag i masta, ved bruk av lynvern.

2.2 Eksisterende tekst i Teknisk regelverk

Kontaktledningsanlegget med tilhørende master og liner fanger opp atmosfæriske utladninger og lynspenninger. Kabler og transformatorer er utsatt for stor skaderisiko fra lynspenninger. IEC 62305-serien tar utgangspunkt i skadepotensialet (tap av verdier og avbrudd/forsinkelse) som grunnlag for å beskytte slike komponenter med overspenningsvern som gir effektiv avledning av lyn til jord. Krav til dette står beskrevet i Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse.

Der det installeres overspenningsvern som beskyttelse av sårbare komponenter, er en mulig konsekvens at ødeleggende spenning føres inn i returkretsen og forårsaker skade på tilknyttede signalanlegg og lavspenningsanlegg. Mulige metoder for å håndtere denne risikoen, er:

  • Tiltak for å beskytte sårbare anlegg mot lynspenninger, for eksempel:
    • bruk av skilletransformatorer for ledere tilknyttet kjøreskinnene
    • begrenset lengde for kabler tilknyttet returkretsen
    • potensialutjevning av kabelskjerm og utstyr til returkretsen.
  • Tiltak for å begrense størrelsen på lynspenningen som ledes inn i returkretsen, er for eksempel:
    • etablering av impulselektrode ved overspenningsavlederen
    • tilkobling av overspenningsavlederen til returkretsen via en stor høyfrekvent impedans, for eksempel via filterimpedans eller ved hensiktsmessig kobling av ledere

Tilgjengelig kunnskap om dette forholdet er begrenset, og kravene i dette avsnittet baserer seg på en konservativ vurdering av risiko samtidig som det søkes å minimere kostnader til impulselektroder.

a) Beskyttelse mot lynspenninger: Ved etablering av overspenningsavledere skal det gjennomføres en vurdering av risiko for sårbart utstyr tilkoblet returkretsen, og nødvendige tiltak skal gjennomføres.

  1. Utførelse: Vurderingen bør omfatte anleggsdeler ca. 500 meter til hver side av tilkoblingspunktet.
  2. Utførelse: Der vurderingen ikke avdekker stor risiko, kan jordpunktet for overspenningsavlederen kobles rett til en kjøreskinne. Dette er eksempelvis aktuelt på strekninger uten sporfelter, og i noen tilfeller på strekninger med enkeltisolerte sporfelter.
  3. Utførelse: Ved høy risiko kan aktuelle tiltak være:
    • Etablering av impulselektrode for overspenningsavlederen og utjevning til en kjøreskinne via en høyfrekvent impedans
    • Gjennomføre tiltak for å bedre immunitet for sårbare anleggsdeler.
Underlag for krav finnes i EH-800433-000.
En leder som bøyes, får en øket induktans. For 16,7 Hz i banestrømforsyningen må det bli mange tørn før dette får betydning for impedansen og strømmen. Transienter og lynspenninger har et mye høyere frekvensinnhold, og siden impedansen øker lineært med frekvensen, vil en øket induktans gi en stor begrensning for transient- og lynstrømmer.

b) Montasje: Montasje og sammenkobling av overspenningsvern og impulselektrode skal utføres slik at den nødvendige beskyttelsen med avledning av strøm og spenning oppnås. Se Figur 1

  1. Utførelse: Avstanden mellom overspenningsvern og impulselektrode skal være så liten som mulig (kortest mulig jordleder).
  2. Utførelse: Dersom det er etablert en nedgravd langsgående jordleder, kan denne brukes som impulselektrode.
  3. Utførelse: Jordleder skal føres så rettlinjet som mulig, eventuelt i en stor bue (minimum 30 cm radius og med mindre enn 90 graders bend).
  4. Utførelse: En mulig utjevning til returkretsen kan utformes slik at lynspenninger og sterke transienter i størst mulig grad ledes til jord og ikke til returkretsen. Dette oppnås med at utjevningslederen føres i "krokveier" mellom jordlederen og returkretsen.
Figur 1: Montasje og sammenkobling av overspenningsvern og impulselektroder.
a) Merk ledningsføring fra overspenningsvern der det er sporfelter eller andre følsomme kretser, slik at lynspenninger avledes direkte mot jord i en impulselektrode!
b) Ledningsføring der det ikke er sporfelter, slik at lynspenningen ledes til returkretsen eventuelt direkte til kjøreskinnene og mastefundamentet. Legg merke til ledningsføringen!
c)  Lynvernanlegg i radiomast for best mulig beskyttelse av teknisk utstyr. Merk ledningsføringen!

Se vedlegg Vedlegg e - Impulselektroder for krav til jordingselektrode for avledning av lynoverspenning (impulselektrode).

2.3 Foreslått ny tekst i Teknisk regelverk

Det må forventes at det ved lynaktivitet kan oppstå et høyt nivå av overspenninger i returkretsen. Overspenningsavledere gir en økt hyppighet av at lynspenninger ledes inn i returkretsen der overspenningsavlederen er installert, men både indusert spenning fra lyn og direkte nedslag i eller nær en kontaktledningsmast vil føre til høy lynspenning også andre steder i returkretsen enn der det er installert overspenningsavleder.

Mange jordelektroder og for øvrig gode jordforbindelser tilknyttet returkretsen vil kunne bidra til å dempe lynspenninger i returkretsen slik at en lynspenning vil påvirke en kortere strekning. En strategi med omfattende bruk av jordelektroder og gode jordforbindelser blir imidlertid fort kostbar, og strategien vil uansett ikke gi fullgod beskyttelse av sårbart utstyr mot lynspenninger. Teknisk regelverk legger derfor ikke opp til omfattende bruk av impulselektroder for å dempe lynspenninger som kan bli ledet inn i returkretsen.

Utstyr som på ulike måter er koblet til returkretsen må derfor ha stor immunitet mot lynspenninger. De viktigste kravene knyttet til lynbeskyttelse av sårbart utstyr som er utjevnet til returkretsen er bruk av overspenningsvern med grovvern og finvern som beskrevet i Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse og bruk av utstyr med høy immunitet mot impulsspenninger som spesifisert i EN 50121-serien.

Videre kan god utførelse av utjevningsforbindelser gi et bidrag i å dempe en lynimpuls mellom returkretsen og utstyret som er utjevnet. En strategi er derfor at utjevningsforbindelser til sårbart utstyr utføres slik at utjevningen utgjør en stor impedans for en høyfrekvent lynimpuls.

En leder som bøyes, får en økt induktans. Økningen i induktans ved tilfeldige bøyer blir neglisjerbare ved grunnharmonisk frekvens, men effekten kan utnyttes for å dempe påvirkninger fra impulser med høyt frekvensinnhold.

Induktansen til en sirkulær ledersløyfe i ikke-magnetisk materiale som luft eller jord kan tilnærmes med formelen:

der

  • er permeabilitet i tomt rom, H/m
  • R er sløyfens radius i m
  • r er lederens radius i m

For eksempel gir en leder med radius på 4 mm (dvs. 50 mm2 leder) som er forlagt i en sløyfe med 30 cm radius en induktans L på 1,66 µH. Ved grunnharmonisk frekvens på 16,7 Hz utgjør dette en reaktans på 18 µΩ, mens ved en frekvenskomponent på 50 kHz, som er i nærheten av den frekvensen man vil forvente fra et lyn, blir reaktansen i denne sløyfen 50 mΩ. Denne reaktansen kan ha en betydning for å dempe en slik lynspenning. Effekten forsterkes når sløyfen legges i flere vindinger.

En fare med en slik sløyfe er at en lynspenning kan slå over fra en del av sløyfen til en annen. Stor direkte avstand mellom starten og slutten av en sløyfe, og mellom ulike vindinger, bidrar til å redusere sannsynligheten for dette.

a) Utjevning av sårbart utstyr: Utjevningsforbindelser til sårbart utstyr skal utformes med god dempning av høyfrekvente impulser ved at utjevningsforbindelsen utgjør en høyfrekvent impedans.

  1. Utførelse: Utjevningsforbindelser for sårbart utstyr skal tilkobles på utsiden av et skap eller en transientplate mens sårbart utstyr skal utjevnes til innsiden av det samme skapet eller den samme platen.
  2. Utførelse: Utjevningsforbindelser for sårbart utstyr kan føres slik at forbindelsen får en induktiv virkning som demper høye frekvenser.
    1. Utjevning via filterimpedans oppfyller dette formålet.
    2. Det er mulig å kombinere løsningen med en potensialstyring slik at utjevningen legges som en ringjord rundt ei mast eller under et betjeningssted.
    3. Ved forlegning av utjevningsforbindelse i sløyfe skal det tilstrebes en direkte avstand mellom starten og slutten av en slik sløyfe, og mellom ulike vindinger, på minst 20 cm for å begrense sannsynlighet for at en lynspenning kan slå over mellom ulike deler av lederen.
  3. Utførelse: Det kan velges leder med liten overflate (massiv leder) for utjevningsforbindelsen, som gir ekstra motstand ved høye frekvenser.
  4. Utførelse: Utjevningsforbindelsen kan kobles til skinne eller til langsgående jordleder i spiss vinkel.
    1. I friluft kan lynimpulser komme fra begge retninger, og den spisseste vinkelen som kan oppnås er rett vinkel.
    2. I lengre tunneler kan det antas at lynimpulser kun kommer fra nærmeste tunnelmunning, og da kan det brukes spiss vinkel i tilkoblingspunktet. For at dette skal få god virkning kan utjevningsforbindelsen føres tilbake parallelt med skinnen eller langsgående jordleder et stykke (ca. 40-50 cm) før den vinkles ut mot objektet som skal utjevnes.
Sårbart utstyr omfatter i denne sammenhengen elektronisk utstyr og lavspenningsutstyr som er utjevnet til returkretsen, og som kan bli påvirket negativt om det kommer en lynimpuls fra returkretsen via utjevningsforbindelsen. Merk i tillegg krav i Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse til beskyttelse av ulike typer utstyr med overspenningsvern.
Figur 2: Utjevning med høyfrekvent impedans.
1: Friluft, lynspenning kan komme fra begge sider
2: Kjøreskinne eller langsgående jordleder
3: Tilkobling på utsiden av skap eller transientplate
4: Ledningsføring i en eller flere vindinger
5: Tilkobling til langsgående jordleder eller kjøreskinne i mest mulig rett vinkel
6: Tunnel, lynspenning kommer hovedsaklig fra nærmeste munning
7: Tilkobling i spiss vinkel, "gap" mot nærmeste munning
8: Tunnelmunning

b) Impulselektrode: I eltekniske bygninger kan impulselektroder brukes som ekstra beskyttelse av sårbart utstyr mot lynspenninger.

  1. Utførelse: Impulselektroder kan utformes som beskrevet i Vedlegg e - Impulselektroder.

For lange tunneler gir impulselektrode ved tekniske bygg ved tunnelportalene tilstrekkelig beskyttelse. Det er ikke nødvendig å etablere impulselektrode for tekniske bygg inne i tunnelen.

Impulselektroder etableres normalt ikke andre steder enn ved eltekniske bygg. Det kan lett bli kostbart om impulselektroder skal etableres for alle frittstående skap med sårbart utstyr. For frittstående skap oppnås beskyttelse mer hensiktsmessig på andre måter, spesielt med a i kombinasjon med overspenningsvern.

c) Lynvern for radiomaster: Radiomaster er normalt utført som fagverksmaster og da skal mastekonstruksjonen fungere som lynleder ned til impulselektroden.

  1. Utførelse: Jordingsanlegget kan bestå av en eller flere impulselektroder.
  2. Utførelse: Der avstanden til jernbanetraseen er mindre enn 15 meter, skal mastekonstruksjonen utjevnes til returkretsen.
  3. Utførelse: Jordingen mellom lynavlederen og impulselektroden skal være kortest og strakest mulig.
  4. Utførelse: Jordledere mellom lynavleder/mast og elektrodeanlegg skal være mest mulig i vertikal retning. Eventuell bøy på en jordleder skal ha en radius på minst 30 cm og en bue som ikke overstiger 90 grader.
  5. Utførelse: Der mastekonstruksjonen ikke er utført i ledende materialer skal det etableres separat jordleder mellom lynavleder i toppen av radiomasta og impulselektroden.
En prinsippskisse for jording av GSM-R radiomast er vist i vedlegg b i Tele/Prosjektering og bygging/Radioanlegg.

3 Vurdering av endringen

3.1 Generelt

En bakgrunn for endringen er nylige hendelser knyttet til lynaktivitet som har skadet belysningsutstyr basert på lysdioder. Hendelsene viser at de nåværende strategiene ikke gir tilstrekkelig god beskyttelse av sårbart utstyr. En strategi som går ut på å dempe lynspenninger som kommer inn i returkretsen ved overspenningsavledere vil ikke være effektiv, fordi det er flere mulige veier for en lynspenning inn i returkretsen. Det velges derfor heller en strategi om å forbedre immuniteten til utstyr. Dette oppnås ved bruk av overspenningsvern for sårbart utstyr, og ved å etablere utjevningsforbindelser med god høyfrekvent dempning mellom returkretsen og sårbart utstyr. Ingen av installasjonene som har blitt skadet av de nylige lynspenningene har hatt noen av disse beskyttelsene.

En annen bakgrunn for endringen er dokumentasjon fra gjennomførte prosjekter der det ser ut til at det blir etablert flere impulselektroder som det ikke ser ut til er begrunnet nøye og der det i mange tilfeller er vanskelig å se hva som gjør det nødvendig å etablere den enkelte elektroden. Konsekvensen er risiko for at det investeres i flere impulselektroder enn det finnes god begrunnelse for. Det kan synes som at eksisterende regelverk rundt dette blir misforstått eller overtolket.

I en av de angitte hendelsene med skadet utstyr var anlegget beskyttet av flere impulselektroder uten at det har gitt tilstrekkelig beskyttelse.

3.2 R - pålitelighet

Et formål med endringen er å bedre påliteligheten til sårbart utstyr (elektronikk, LED-belysning o.l.) ved å presisere at slikt utstyr må beskyttes med overspenningsvern og ved å angi enkle tiltak for utførelse av utjevningsforbindelser for å dempe lynspenning mellom returkretsen og sårbart utstyr.

3.3 A - tilgjengelighet

Se R. Utstyr som skades av lyn kan ha ulik grad av påvirkning på togtrafikken.

3.4 M - vedlikeholdbarhet

Redusert hyppighet av skade på utstyr vil også føre til redusert behov for å bytte ut skadet utstyr.

3.5 S - sikkerhet

Noen av funksjonene som bruker LED-belysning kan være sikkerhetsfunksjoner eller sikkerhetsrelaterte funksjoner, det gjelder særlig lyssignaler. Ved etablering av disse funksjonene skal det være vurdert hvordan funksjonssvikt detekteres og håndteres (fail-safe-prinsipp må legges til grunn). Derfor vurderes ikke svikt som følge av lyn som en sikkerhetskritisk hendelse.

3.6 L - levetid og kapasitet

Korrekt lynbeskyttelse vil øke anleggenes levetid ved at de ikke like lett blir defekte etter lynnedslag.

3.7 Ø - økonomi

Erfaring viser at beskyttelse kun ved bruk av impulselektroder ikke gir tilstrekkelig god effekt for overspenningsbeskyttelse. Gjennomført bruk av impulselektroder ved mulige kilder til lynspenning i returkretsen bli omfattende og kostbart. I denne regelverksendringen legges det opp til en stor begrensning i bruk av impulselektroder og at det i stedet brukes et større omfang av enklere og billigere tiltak for beskyttelse. Det omfatter overspenningsvern og utforming av utjevningsforbindelser slik at de utgjør en høyfrekvent impedans.

3.8 K - klima og miljø

Hvis vi med en bedre strategi reduserer omfanget av skadet elektronisk utstyr som må byttes, er det en miljømessig fordel.

3.9 Oversikt over dokumenter som er relevante for vurderingen av endringen

3.10 Høringskommentarer

Endringen har vært sendt på høring til Utbygging, Jernbaneteknikk, Energi, Digitalisering og teknologi Signal, Digitalisering og teknologi Tele.

Tele gir tilbakemelding om at de er fornøyd med endringen. Fokuset til Tele har er på forslaget til lynbeskyttelse av radiomast.

Utbygging har flere kommentarer til bruk av modale hjelpeverb. Flere av disse er endret fra "bør" til "skal". Forslagene om at "kan"-krav skal endres til "skal" endres ikke, det vurderes som en bedre løsning å beholde disse som løsningsforslag og ikke som løsningskrav.

Utbygging kommenterer videre at det bør være enda mer tydelig at bruk av impulselektroder som utgangspunkt bygges kun ved tekniske bygg for å beskytte sensitivt utstyr i det tekniske bygget. Det bør også angis at i tunneler med mange tekniske bygg, vil impulselektroder knyttet til returkretsen ved tunnelportalene være tilstrekkelig. Det er ikke nødvendig med impulselektrode for tekniske bygg inne i tunnelen. Forslaget er justert med disse kommentarene.

Digitalisering og teknologi Signal gir tilbakemelding om at de ønsker en mer detaljert beskrivelse av dimensjonering av en ledersløyfe som del av en utjevningsforbindelse. Lærebokteksten er derfor utvidet med en mer utfyllende beskrivelse av dette. Diskusjon med PEK om dette førte også til at det har blitt spesifisert at direkte avstand mellom starten og slutten av en sløyfe, og mellom ulike vindinger, skal tilstrebes å bli større enn 20 cm.

4 Innstilling fra fagansvarlig

Innstiller på foreslått endring.

--Stoy (diskusjon) 24. aug. 2020 kl. 15:11 (CEST)

5 Behandling i godkjenningsrådet

5.1 Trafikk

ok--Erik Borgersen (diskusjon) 31. aug. 2020 kl. 13:28 (CEST)

5.2 Prosjekter

OK--Jse (diskusjon) 31. aug. 2020 kl. 09:14 (CEST) ok--Magheg (diskusjon) 3. sep. 2020 kl. 09:36 (CEST)

5.3 Infrastruktureier

Ok--Tbr (diskusjon) 2. sep. 2020 kl. 21:55 (CEST)

5.4 Teknologi

Kontrollert (Elkraft) og sendes til Godkjenning --Tore Telstad (diskusjon) 26. aug. 2020 kl. 16:53 (CEST)

5.5 Konklusjon

Endringen gjennomføres --Christopher Schive (diskusjon) 3. sep. 2020 kl. 10:21 (CEST)

Hjelpetekst: Husk å endre kategori til \"Endringsartikler til godkjenning\" når forslaget er klart!