6. Stoorstroomdetector
6.1. Functionele eisen
Elektrische spoorvoertuigen zijn voorzien van één of meerdere stoorstroomdetectoren die alle installaties bewaken en die ervoor zorgen dat de kans van overschrijden van de curve ‘Normaal’ – ook bij een defect – kleiner is dan 10-7 per uur per treinstel of locomotief. Bij ontbreken van stoorstroomdetectoren moet het treinstel of locomotief worden ontworpen en gebouwd conform de regels van EN 50126, EN 50128 en EN 50129 waarbij eveneens moet worden aangetoond dat de kans op overschrijding – ook bij een defect – kleiner is dan 10-7 per uur per treinstel of locomotief.
Omdat het proces van vaststellen of aan deze eis wordt voldaan complex en zeer moeilijk te doorlopen is voor een installatie die niet ontworpen is voor een veiligheidsfunctie, ligt het voor de hand dat voor een stoorstroomdetector wordt gekozen.
Een uitzondering hierop is weerstandverwarming, omdat in EN 50129 (Annex C.7) geen faalwijzen worden gedefinieerd die tot nieuwe langdurig aanwezige harmonische componenten leiden.
Ook voor de combinatie van een defect waarbij de stoorstroomlimiet wordt overschreden en het niet ingrijpen van de detector, geldt de eis dat de faalfrequentie kleiner dient te zijn dan 10-7 per uur per trein.
Omdat het een product is van een faalfrequentie en een faalkans, is dit in principe een eenvoudig te realiseren eis die niet getalsmatig, dat wil zeggen met behulp van bijvoorbeeld een foutenboom, behoeft te worden onderbouwd. De stoorstroomdetector zal namelijk worden gebruikt om een grens te bewaken, maar kan door een specifieke implementatie gevoeliger zijn dan gewenst.
De veiligheid wordt mede bepaald door:
-
1. Het niet ingrijpen van de detector;
-
2. Het niet beschikbaar zijn van de detector (overbrugging);
-
3. Het zo vaak aanspreken van de detector dat het ingrijpen niet meer wordt onderzocht (gewenning).
Het niet beschikbaar zijn van de detector en het niet opvolgen van meldingen zal in de praktijk dominant zijn. De veiligheid, de beschikbaarheid alsmede het ongewenst niet aanspreken van de detector dient te worden aangetoond.
De hierboven genoemde punten 1 en 2 hangen samen met de kwaliteit van de detector.
De noodzaak tot overbrugging kan voortkomen uit een storing in de infrastructuur of een defect in het spoorvoertuig.
In paragraaf e: ‘Overbrugging’ hieronder wordt nader ingegaan op de (inrichting van) processen voor het overbruggen van de detector.
Hierboven genoemd punt 3 hangt samen met het niet meer onderzoeken van het aanspreken van de detector. Wanneer bijvoorbeeld een detector vaak aanspreekt op wielslip, zal er bij het opnieuw aanspreken van de detector niet meer worden onderzocht of het dit keer ook wielslip was. Deze menselijke neiging de meest waarschijnlijke oorzaak maar aan te nemen wordt sterk beïnvloed door het aantal keren dat de detector aanspreekt.
Hoe minder een detector aanspreekt hoe groter de kans is dat het aanspreken ook echt wordt onderzocht. Daarom zal in het technisch dossier moeten worden aangetoond dat de detector niet aanspreekt onder alle normaal voorkomende verschijnselen (zie paragraaf normering). Dit kan door middel van een monitorperiode van tenminste 10 000 bedrijfsuren worden aangetoond.
De detector dient ongevoelig te zijn voor rijp en ijzel tenzij de bestuurder van het spoorvoertuig en het onderhoudsbedrijf kunnen vaststellen of de detector heeft aangesproken ten gevolge van rijp of ijzel op de bovenleiding, bijvoorbeeld door:
-
• een automatische melding door de betreffende elektrische installatie van het spoorvoertuig zelf, dan wel;
-
• een werkinstructie die de bestuurder in staat stelt zulks vast te stellen.
6.2. Implementatie-eisen
De stoorstroomdetector detecteert de overschrijdingen van de stoorstroomnorm ten gevolge van defecten in een installatie en schakelt de stoorstroombron uit gedurende ten minste vijf seconden met maximaal drie automatische wederinschakelingen per dag.
Bij treinsamenstellingen moet de beschikbare stoorstroomruimte worden verdeeld, en dat mag onder de aanname dat alle installaties, behalve de defecte, nominaal functioneren.
a. Uitschakelcommando
Het uitschakelcommando dient te worden gegeven indien:
-
1. De curve ‘Normaal’ vanaf 1 seconde wordt overschreden of,
-
2. De curve ‘Zelden’ wordt overschreden. De voorwaarden voor het gebruik van deze curve staan beschreven in punt 4 van deze bijlage.
Indien gebruik wordt gemaakt van de curve ‘Zelden’ dient ten behoeve van storingsonderzoek ook het overschrijden van de curve ‘Normaal’ te worden gelogd. Hierbij dient ten minste het tijdstip te worden gelogd.
Het verdient aanbeveling om ook de grootte van de overschrijding en gegevens over de tractie-installatie en hulpverbruik te registreren om het storingsonderzoek te vereenvoudigen.
b. Alternatieve implementatie curven/eisen
De curven uit Figuur 1 zijn slechts een vereenvoudigde uitkomst van het track relay (TR) of track repeater relay (TPR) model van de spoorstroomloop. Om de implementatie van de curven voor het uitschakelen en het monitoren uit Figuur 1 te vereenvoudigen kan als alternatief voor paragraaf 6.2a ook aan de navolgende eisen worden voldaan:
-
• Kies een curve onder de curven in de grafiek of
-
• Kies een uitschakelcommando opgebouwd uit:
-
i. 1,7 A (curve ‘Normaal’) of 4,25 A (curve ‘Zelden’), afschakeling volgens het 30%-algoritme in combinatie met:
-
ii. 0,5 A (curve ‘Normaal’) of 1,8 A (curve ‘Zelden’) RMS gewogen over 5 seconden.
-
Dit is bedoeld om de stoorstroomdetector minder gevoelig te maken voor transiënten die door de voldoende tijd tussen die transiënten als eenmalig mogen worden beschouwd hetgeen wordt gerealiseerd door middel van emulatie van het vertraagd afvallen van het TPR relais.
c. Reactietijd
De stoorstroomdetector heeft een reactietijd van ten hoogste 500 ms. Daarbij wordt de reactietijd omschreven als de tijd tussen het genereren van het uitschakelcommando en het uitschakelen van de stoorstroombron. Maximale tijd voor overschrijding tot uitschakelcommando Ti + 500 ms (Ti, integratietijd, volgens Figuur 1).
d. Controle werking
De stoorstroomdetector dient te voldoen aan de eisen zoals genoemd in CLC/TS 50238-2 Annex B.9. De werking van de stoorstroomdetector en voorliggende meetketen dienen automatisch te worden gecontroleerd met behulp van een automatische zelftest van het systeem, in ieder geval bij het opstarten (opbouwen) van het spoorvoertuig.
Indien de automatische zelftest na aanspreken tijdens gebruik geen uitsluitsel geeft of het aanspreken van de detector te wijten is aan een defect in een elektrische installatie van het spoorvoertuig, van de detector zelf of van een defect aan de hoofdspoorweginfrastructuur, is er een procedure beschikbaar die de bestuurder in staat stelt om de oorzaak van aanspreken vast te stellen.
Indien de automatische zelftest resulteert in een foutmelding, wordt de oorzaak vastgesteld door uitlezen van het systeem dan wel toepassen van de voornoemde procedure. Bedoelde procedure wordt als veiligheidsrelevante toepassingsvoorwaarde opgelegd aan de houder, onderhouder of gebruiker.
Is er sprake van aanspreken ten gevolge van een defect van de detector zelf of wanneer er sprake is van een defect van de railinfrastructuur, kan deze worden overbrugd (zie paragraaf e: ‘Overbrugging’ hieronder). Wanneer de detector zelf correct functioneert maar wel wordt aangesproken, dient houder de oorzaak via een testprocedure vast te stellen en storingen te herstellen.
e. Overbrugging
De stoorstroomdetector heeft een mogelijkheid het uitschakelcommando te overbruggen. Deze overbrugging mag alleen zonder aanvullende onderzoek worden toegepast als door middel van een zelftest blijkt dat de detector defect is.
Als uit de zelftest blijkt dat de stoorstroomdetector niet defect is, mag de mogelijkheid van overbrugging alleen worden gebruikt nadat is vastgesteld of:
-
• storingsonderzoek in de infra of het spoorvoertuig moet plaatsvinden;
-
• maatregelen noodzakelijk zijn om de trein zijn rit veilig te laten vervolgen (deze maatregelen zijn bijvoorbeeld aanrijden overwegen en geen automatische rijweginstelling afgeven).
De overbrugging van de stoorstroomdetector dient zo kort mogelijk te zijn.
Het overbruggen van de detector moet procedureel worden geregeld om te voorkomen dat een detector wordt overbrugd, juist als er een defect in de installatie aanwezig is. Bedoelde procedure wordt als veiligheidsrelevante toepassingsvoorwaarde opgelegd aan de houder, onderhouder of gebruiker.
Hiermee wordt voorkomen dat de stoorstroomdetector wordt overbrugd, onder aanname dat de detector defect is, terwijl er een stoorstroomdefect in de trein aanwezig is.
De instantie die de onderhoudsvoorschriften toetst, dient expliciet te controleren dat de veiligheidsrelevante toepassingsvoorwaarden voor overbruggen zijn opgenomen in de procedures van de spoorwegonderneming (waaronder de werkinstructies voor de machinist of tweedelijns ondersteuning).
Bij rijp en ijzel mag er van uit worden gegaan dat de oorzaak geen defect in de trein of in de infrastructuur is.
Het kan voor storingsonderzoek nuttig zijn om te vervolgen met een korte rit. Doel van deze korte rit is uitsluitend om vast te stellen of het probleem zich met het spoorvoertuig verplaatst (dan is er sprake van een defect spoorvoertuig) of dat het mogelijk een infraprobleem is (dan heeft waarschijnlijk een volgende trein hetzelfde probleem)
f. Detectoren op de filterspanning (spanning over condensator lijnfilter)
Aanvullend op de functionele en implementatie-eisen voor de stoorstroomdetector, gelden voor detectoren die werken op filterspanning, de volgende eisen:
-
• Treinmaterieel is conform CLC/TS 50238-2 Annex B.9 voorzien van één of meerdere stoorstroomdetectoren die het samenstellend geheel van alle elektrische installaties bewaken en de niet gedetecteerde productie van stoorstromen boven de relevante toegestane norm uitsluiten.
-
• Er worden geen niet-lineaire componenten in het lijnfilter toegepast.
-
• Niet alleen 75 Hz verschijnselen worden bewaakt maar ook op componenten die stoorstromen produceren die tot 75 Hz kunnen leiden.
-
• De kans op een ‘common cause’-fout, die zowel de stoorstroomdetector minder gevoelig maakt als de stoorstroom laat toenemen, is aantoonbaar kleiner dan 10-7 per uur.
-
• De kans dat een trein rondrijdt met een lijnfilterspoel waarvan de impedantie meer dan 10% is afgenomen, is aantoonbaar kleiner dan 10-7 per uur per treinstel/ locomotief.
g. Toepassing curve ‘Zelden’ in plaats van ‘Normaal’
De stoorstroomdetector dient te worden ingesteld op de curve ‘Normaal’. Indien een trein bij bijvoorbeeld ijzel een beschikbaarheidsprobleem ondervindt, kan de stoorstroomdetector ingesteld worden op de curve ‘Zelden’, indien aan alle onderstaande voorwaarden wordt voldaan:
-
• Eenmalig wordt aangetoond dat de kans van stoorstromen ten gevolge van niet bij de toelating opgemerkte verschijnselen kleiner is dan 10-4 (één uur per jaar per treinstel/ locomotief) en een frequentie van voorkomen van 10-3 per uur (tien incidenten per jaar), gebaseerd op een monitoringsdossier van 10 000 bedrijfsuren met daarin tenminste één winterperiode;
-
• Gedurende de gehele levensduur wordt een monitorings- en opvolgproces toegepast waarin overschrijdingen van de curve ‘Normaal’ worden onderzocht. De gehanteerde werkwijze staat het monitoren tot het niveau van de individuele detector toe en het vergelijken van de gegevens van een afwijkende detector met de gemiddelden van het betreffende treintype. Indien het aantal en de aard van de registraties afwijkt van de rest van de vloot dient de installatie te worden onderzocht op mogelijke defecten en in gegeven geval moet reparatie volgen voordat het betrokken spoorvoertuig weer mag worden ingezet. Elk kwartaal wordt een rapportage per materieeltype opgeleverd waarbij de gerealiseerde performance in termen van aantal en duur in dat kwartaal kan worden vergeleken met de prestaties over de gehele levensduur van de trein.
h. 30%-algoritme
Bij de berekening van het uitschakelcommando of logging van de stoorstroomdetector of bij de opbouw van het infracompatibiliteitsdossier mag rekening worden gehouden met de TPR-emulatie conform het 30%-algoritme. Het 30% algoritme heeft in zichzelf al een tijdsaspect. Daarom moet het ingrijpen volgen zodra de waarde overschreden is en zijn de tijdvensters uit de curven niet van toepassing.
Het 30%-algoritme wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen transiënten die behoren bij een inschakelverschijnsel en stoorstromen die langere tijd aanwezig zijn. Het 30%-algoritme is een emulatie van het gedrag van de TR en het meestal daarachter geplaatste vertraagd aantrekkende TPR relais. Een TPR kan alleen opblijven indien het TR relais 70% van de tijd gedurende 1 seconde op blijft. Het volgende algoritme kan worden gebruikt:
-
1. De (ruwe) gemeten AC component van de lijnstroom in een treinstel wordt gefilterd met een bandfilter. De karakteristieken van dit filter zijn beschreven in Tabel 2;
-
2. De effectieve waarde (RMS) van de uitkomst wordt elke 20 ms bepaald;
-
3. Vervolgens wordt een schuivend venster met een lengte van 1 seconde toegepast ofwel 50 samples van de RMS waarden;
-
4. De waarden binnen dit venster worden gesorteerd in oplopende grootte. De waarde die gevonden wordt bij 30% van het venster (oftewel de 30/100*50 = 15e waarde in de gesorteerde data is dan het ‘30e percentiel’);
-
5. De maximale waarde van alle vensters wordt bepaald en dat is dan de waarde die gerapporteerd wordt als 30e percentiel.
Onderstaande figuur 4 geeft dit schematisch weer:
Figuur 4 Figuratieve beschrijving van het 30% algoritme
Indien een stoorstroomdetector alleen controleert of wordt voldaan aan een vooraf gedefinieerde grenswaarde, kunnen stappen 4 en 5 worden beperkt tot het vaststellen of meer dan 35 van de 50 samples van het 30%-criterium de alternatieve beoordelingscurven uit lid 6.2.b overschrijden.
