Felles elektro/Prosjektering og bygging/Jording og utjevning/Beregning av tillatt potensial i returkretsen
Vedlegg i: Beregning av tillatt potensial i returkretsen (informativt)
Innhold
1 Hensikt og omfang
Dette vedlegget viser et eksempel på en beregning av hvor stort potensial som er tillatt i returkretsen ved berøring av en ledende del som er tilkoblet returkretsen. Kravet vil avhenge av avstanden mellom ståplassen for berøring av delen og det nærmeste fundamentet som er i kontakt med jordsmonnet.
2 Generelt
Ved belastning og kortslutning oppstår en potensialforskjell mellom returkretsen og et fjernt jordpotensial. Fordi returkretsen har god kontakt med jordsmonnet, fører dette også til en heving av potensialet i jordoverflaten nær jernbanetraseen. Figur 1 illustrerer hvordan jordpotensialet fordeler seg på tvers av jernbanetraseen.
| Parameter | Symbol | Definisjon i EN 50122-1/NEK 900 |
|---|---|---|
| Potensial i returkretsen (skinnepotensial) |
Ure | spenning som opptrer mellom kjøreskinner og jord |
| Forventet berøringsspenning | Utp | spenning mellom samtidig tilgjengelige ledende deler når disse ikke er berørt av et menneske eller et dyr |
| Effektiv berøringsspenning | Ute | spenning mellom ledende deler når disse berøres samtidig av et menneske eller et dyr |
| Kroppsspenning | Ub | produktet av strøm gjennom kroppen og impedansen i kroppen |
I Figur 1 Ure er den verdien på kurven som opptrer ved masta og ved kjøreskinnene. Utp er forskjellen mellom potensialet i returkretsen og potensialet på jordoverflaten der en person eller et dyr kan stå samtidig som det er mulig for dem å berøre en del tilkoblet returkretsen. Ute er den samme spenningen når delen berøres. Da tas det også hensyn til det ohmske spenningsfallet gjennom jordsmonnet og personen ved den aktuelle strømmen.
3 Grenseverdier
I punkt 9 i EN 50122-1 er det krav til effektiv berøringsspenning Ute, og til kortvarige forløp av kroppsspenning Ub.
3.1 Potensialstigning som følge av driftsstrøm
Når returkretsen belastes med driftsstrøm, legges det til grunn at strømmen har en varighet på mindre enn 5 minutter. Da angir tabell 4 i EN 50122-1 en tillatt effektiv berøringsspenning Ute på 65 V.
3.2 Potensialstigning som følge av kortslutning
En kortslutning vil føre til størst potensialstigning umiddelbart før den nærmeste bryteren løser ut. Denne forsinkelsen avhenger av vern og bryterutrustning på stedet. Vanlig for nye anlegg er en frakoblingstid på 30 – 60 ms ved dimensjonerende kortslutningsstrøm. For eldre vernutrustning eller brytere kan frakoblingstiden være noe lenger. Det er fra tidligere vanlig å legge til grunn en frakoblingstid på 100 ms. Denne brukes også i dette notatet, men en kortere frakoblingstid kan benyttes når dette er dokumentert.
Etter at den nærmeste bryteren har koblet ut, kan bryteren i motsatt ende av matestrekningen fortsette å mate en mindre strøm til feilstedet. Vanlig frakoblingstid er da tiden for sone 2 for distansevernet, normalt 300 ms. Strømstyrken for denne perioden kan i noen tilfeller være i samme størrelsesorden som driftsstrømmer, men det er tradisjon for å bruke en verdi som er 1/3 av dimensjonerende kortslutningsstrøm. Dette er en konservativ antakelse som kan føre til noe overdimensjonering.
EN 50122-1 stiller krav til kroppsspenning Ub i 0,1 sekunder på 345 V, og i 0,3 sekunder på 230 V. Det er angitt at dersom effektiv berøringsspenning er mindre enn hhv. 785 V og 480 V, vil det også medføre at krav til kroppsspenning ivaretas.
3.3 Oppsummering av krav
| Tilfelle | Tid | Krav |
|---|---|---|
| Driftsstrøm | 5 min | Ute = 65 V |
| Kortslutningsstrøm | 0,3 s | Ub = 230 V, alternativt Ute = 480 V |
| Kortslutningsstrøm | 0,1 s | Ub = 345 V, alternativt Ute = 785 V |
4 Beregning av tillatt potensial i returkretsen
EN 50122-1 tillegg D angir at sammenhengen mellom Ub, Ute og Utp framgår av kretsen i Figur 2.
| Symbol | Enhet | Forklaring |
|---|---|---|
| Zb | Ω | Kroppsimpedans. EN 50122-1 tabell E.1 angir Zb som funksjon av kroppsspenningen Ub. I tabellen brukes Zb(75) for strømveien hånd til føtter. |
| Ra1 | Ω | Motstanden over skosåler. EN 50122-1 angir en verste verdi for Ra1 = 1000 Ω for gamle, våte sko for kortvarige forhold. Ellers settes Ra1 = 0 Ω. |
| Ra2 | Ω | Motstanden i jordsmonnet mellom undersiden av skoene og returkretsen. EN 50122-1 angir at denne impedansen kan settes til 1,5·ρ, der ρ er jordresistiviteten på stedet i Ωm. Typisk verdi for denne i pukk er sannsynligvis mye større, men for at beregningen skal ha stor gyldighet er det her valgt å regne med en resistivitet på 500 Ωm slik at Ra2 = 750 Ω. |
Fra denne kretsen kan man finne følgende uttrykk for Utp som funksjon av tillatt Ute eller Ub:
[math]\displaystyle{ U_{tp} = \frac{Z_b + R_{a1} + R_{a2}}{Z_b + R_{a1}} \cdot U_{te} }[/math]
[math]\displaystyle{ U_{tp} = \frac{Z_b + R_{a1} + R_{a2}}{Z_b} \cdot U_{b} }[/math]
Videre er sammenhengen mellom Utp og Ure angitt i EN 50122-1 tillegg C til:
| Avstand til ståplass | Forhold Utp / Ure |
|---|---|
| 1 m | 0,3 |
| 2 m | 0,5 |
| 5 m | 0,7 |
Det innebærer at der det antas at man står maksimalt 1 meter fra nærmeste elektrode/fundament som er tilknyttet returkretsen når en ledende del tilknyttet returkretsen berøres, så blir maksimalt tillatt potensial i returkretsen Ure lik Utp / 0,3.
Ved bruk av ovenstående sammenhenger og iterativ avlesning av kroppsimpedansen, finner man følgende maksimalt tillatte potensial i returkretsen dersom avstand mellom ståplass og nærmeste elektrode for returkretsen er mindre enn 1 meter.
| Krav | Beregnede eller avleste parametre | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Tilfelle | Ute [V] | Ub [V] | Zb(75) [Ω] | Utp [V] | Ure [V] |
| Driftsstrøm < 5 minutter | 65 | - | 1725 | 93,3 | 311,0 |
| Kortslutningsstrøm 0,3 sekunder | - | 230 | 913 | 671 | 2 236 |
| Kortslutningsstrøm 0,1 sekund | - | 345 | 780 | 1 119 | 3 730 |
| Forutsetninger: - Jordresistivitet på ståplassen: 500 Ωm - Avstand til ståplassen: 1,0 m - Motstand i sko: 1000 Ω (våte, gamle sko) | |||||
5 Tiltak
5.1 Potensialstyringselektrode
Forholdstallet som er angitt i Tabell 4, kan reduseres betydelig ved å installere en potensialstyringselektrode ved ståplassen. En slik potensialstyringselektrode kan for eksempel etableres som en ringjord rundt ei kontaktledningsmast i 0,5 - 1,0 meters avstand fra mastefundamentet, slik at personer som berører masta, i praksis står på returpotensialet. Gjennomført bruk av potensialstyringselektrode vil i praksis føre til at det ikke blir noen begrensning på hvor stort potensial som er tillatt i returkretsen.
5.2 Isolert ståplass
Det kan benyttes en isolerende og drenerende masse på ståplassen med stor resistivitet, slik at motstanden Ra2 blir svært stor. Normalt vil jernbanepukk gi svært gode forhold, slik at tillatt potensial i returkretsen kan økes betydelig ut over det som er angitt i beregningene her.
6 Forenklede krav
EN 50522 (NEK 440) gjelder for stasjonsanlegg med høyspenning. Standarden beskriver håndtering av jordpotensialstigning i stasjonsanlegg under feil, som også kan anvendes for jernbaneanlegg. Kravene er enklere men mer konservative enn kravene i EN 50122-1. Ved å følge disse kravene blir krav til berøringsspenning oppfylt også etter EN 50122-1, men kan da bli noe overdimensjonering.
EN 50522 angir at maksimalt jordpotensial UE kan tillates å bli dobbelt så stor som tillatt tilgjengelig berøringsspenning Ute uten at det gjøres tiltak, og inntil 4 ganger tillatt tilgjengelig berøringsspenning sammen med et sett med tiltak, der de mest relevante er angitt i avsnittet [Tiltak]. UE i EN 50522 kan forstås som returpotensialet i jernbaneanlegg.
7 Sikkerhetsmarginer
Ved beregning av tilgjengelige berøringsspenninger bør det benyttes en sikkerhetsmargin. Det mest naturlige er å bruke sikkerhetsmargin ved anslag av strømbelastningen i returkretsen. Ved angivelse av grenseverdier er det derfor ikke benyttet sikkerhetsmargin.
8 Oppsummering
EN 50122-1 stiller krav til effektiv berøringsspenning og til kroppsspenning. Dette vedlegget inneholder et beregningseksempel for hva disse kravene betyr for tillatt returpotensial. Resultatet avhenger mye av forhold på den konkrete plassen man står når man berører returkretsen. Avstand til returkretsen, resistiviteten i jordsmonnet man står på, og kvaliteten på skotøyet påvirker hvor stort returpotensial som er tillatt.
Det er flere metoder for å beskytte personell. En enkel metode er å sørge for at man står på drenert pukk når man berører returkretsen slik at jordresistiviteten for ståplassen blir stor. En uisolert leder i bakken under ståplassen som er tilknyttet returkretsen er også effektivt for å beskytte mot høy berøringsspenning. EN 50122-1 angir flere mulige metoder for å beskytte mot høyt returpotensial.
