RINA-Berardino Vittorini - Settore Trasporto su Rotaia

Sistemi di misurazione dell’energia: centralità dei
sensori e loro certificazione
Berardino Vittorini
[email protected]
Argomenti della presentazione
Riferimenti normativi
Requisiti prestazionali e di adeguatezza all’uso estratti dalle
norme EN 50463-1 e EN 50463-2
Prove di qualifica secondo la EN 50463-2, come primo passo
per la valutazione di conformità del sotto-sistema EMF
secondo la EN50463-5
Breve descrizione delle principali tecnologie in uso
Esempi di prodotti commerciali
Certificazione di conformità CE
Alcuni ritorni di esperienza
Principali riferimenti normativi
Reg. UE 1302/2014 - STI Loc&Pas
Cap. 6.1.1 EMF
Appendice D – Sistema di misurazione dell’energia a bordo
• Cap. 1 – Definizione del sistema EMF
• Cap.p. 2 – 6 Definizione di Funzioni e delle Prestazioni
EN 50463:2012 – Applicazioni ferroviarie, filoviarie e metropolitane – Misura
dell’energia a bordo treno
Parte 1 - Generalità
Parte 2 – Misura dell’energia
Parte 3 – Trattamento dei dati
Parte 4 – Comunicazione (bordo-terra)
Parte 5 – Verifiche di conformità
EN50163 – Applicazioni ferroviarie – Tensioni di alimentazione dei sistemi di
trazione
EN 50155 – Applicazioni ferroviarie, filoviarie e metropolitane – Equipaggiamenti
elettronici utilizzai sul materiale rotabile
EN 61869 – Parti 1- 5 Trasformatori di misura
EN 60044 – Parti 1-3 Trasformatori di misura
Energy Measurement Function (EMF)
(riferimenti STI)
VMF
CMF
EMF
DHS
Estratto da STI LOC&PASS – All. D
GPS
Layout del sistema di misura e riporto
(riferimenti a EN50463)
VMF
CMF
ECF
Estratto da EN50463-2
Campi operativi
Tensione nominale di EMF
Limiti minimi e massimi della
tensione di catenaria specificati in
EN 50163
Corrente nominale di EMF
Compresa fra 80-120 % della
corrente nominale di trazione
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di energia
Errore massimo di calcolo EMF
e condizioni di riferimento
L’errore è dato dalla radice quadra
della somma del quadrati degli
errori percentuali di VMF, CMF e
EMF, a condizione che i sensori
rispettino individualmente i
requisiti di accuratezza della
classe di appartenenza
Il fattore di potenza PF si determina in base alla EN50238:2005
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di energia
(condizioni di riferimento)
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di tensione
(condizioni di riferimento)
Per rotabili multi-tensione si possono usare sensori distinti per ciascuna
tensione di catenaria o un sensore multi-tensione che rispetti i requisiti di
accuratezza relativi a ciascun sistema di catenaria
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di tensione
(effetto massimo della temperatura)
N è l’errore massimo della
classe di appartenenza
DT è la differenza in °K fra la
temperatura in esame e la
temperatura di riferimento di
23 °C
Limite massimo per il coefficiente medio di
temperatura [%/K] dell’errore percentuale nella
classe di temperatura di appartenenza
(secondo EN 50155)
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di tensione
(effetto massimo di altre cause)
N è l’errore massimo della
classe di appartenenza
La tabella fornisce il massimo
errore percentuale ammesso
rispetto alle condizioni di
riferimento.
La norma specifica le
condizioni e le procedure di
prova da considerare
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di corrente
(condizioni di riferimento)
Accuratezza per misura di
corrente alternata alla
frequenza nominale e alle
condizioni di riferimento
Accuratezza per misura
di corrente continua alle
condizioni di riferimento
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di corrente
(effetto massimo della temperatura)
N è l’errore massimo della
classe di appartenenza
DT è la differenza in °K fra la
temperatura in esame e la
temperatura di riferimento di
23 °C
Limite massimo per il coefficiente medio di
temperatura [%/K] dell’errore percentuale nella
classe di temperatura di appartenenza
(secondo EN 50155)
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di corrente
(effetto delle armoniche)
Massimo errore di misura dell’ampiezza e della fase delle armoniche di
corrente
Estratto da EN50463-2
Accuratezza della misura di corrente
(effetto di altre cause)
N è l’errore massimo della
classe di appartenenza
La tabella fornisce il
massimo errore percentuale
ammesso rispetto alle
condizioni di riferimento.
La norma specifica le
condizioni e le procedure di
prova da considerare
Estratto da EN50463-2
Misura di tensione e corrente
(altri requisiti)
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Isolamento elettrico: secondo EN 50124 (tensioni di prova, dispersioni e distanze
d’isolamento) e EN 60085 (classe di materiali per isolamento elettrico)
Condizioni ambientali ed installative: secondo EN 50155, EN 50125-1 e EN 60529 (Altitudine,
temperatura, umidità, ventilazione, pioggia, neve, grandine, ghiaccio, irradiazione solare,
fulmini, inquinamento, vibrazioni e shock, EMC),
Sicurezza contro elettroshock: secondo EN 50153
Sicurezza contro eccessiva temperatura: EN 13732
Sicurezza contro il fuoco: CEN/TS 45545 – parti 2 e 5
Requisiti RAMS: secondo indicazioni della EN 50155 (da concordare con l’utilizzatore)
Power-up: 60 s dal momento di energizzazione del treno
Power–down: nessuna perdita di dati memorizzati in precedenza
Cambiamento alimentazione di catenaria: riconoscimento e riinizio del conteggio entro 1 s
Fattore K e interfacce fra sensori e EMF: rapporto fra grandezze primarie e secondarie
(uscite analogiche, digitali dedicate o digitali condivise, caratteristiche di autenticità e integrità
e caratteristiche di carico)
Tempi di risposta e banda passante: 10 ms e compatibilità con armoniche e aliasing
Intervallo di verifica accuratezza: definito dal costruttore in base a EN 50463-2/Allegato D
Elaborato da EN50463-1 e 2
Misura di tensione e corrente
(elenco delle prove di adeguatezza)
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Prove d’isolamento elettrico circuiti di Alta Tensione:
Test con impulsi di tensione secondo EN 60044
Test di tenuta in tensione in condizioni bagnate secondo EN 60044
Isolamento elettrico circuiti di Bassa Tensione:
Test d’isolamento e rigidità dielettrica secondo EN 50155
Test ambientali:
Penetrazione di polveri e acqua nei contenitori secondo EN 60529
Funzionamento a temperatura minima e massima secondo EN 50155
Test con cicli di caldo umido secondo EN 50155 (parti elettroniche) e EN 60068-2
Test di vibrazione e shock secondo EN 61373
Test elettrici:
Variazioni e interruzioni della tensione ausiliaria di alimentazione secondo EN 50155
Mancanza prolungata di alimentazione ausiliaria secondo EN 50463-2/5.4.2.3.1.3
Massimo carico elettrico e cortocircuito alle uscite secondo EN 50463-2/5.4.2.3.1.4
Test di controllo accesso:
Test di variazione di parametri di configurazione Hw/Sw secondo EN 50463-2/5.4.2.4
Elaborato da EN50463-1 e 2
Misura di tensione e corrente
(elenco delle prove specifiche per sensori)
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Tempo di risposta in corrente continua:
Test di sensori di tensione e corrente secondo EN 50462-2/5.4.3.4
Verifiche di accuratezza e stabilità (EN 50462-2/5.4.3.4.1 - 5.4.3.11):
Verifiche dell’accuratezza di base secondo di VMF e CMF
Verifiche dell’effetto della temperatura ambiente ai valori estremi, a -10°C e +60 °C
Verifiche dell’effetto di innalzamento rapido della temperatura
Verifica del Coefficiente di Temperatura medio nell’intera classe operativa prescelta
Verifica dell’influenza delle armoniche sul CMF
Verifiche dell’effetto di sovratensioni (Umax3) sul VMF
Verifiche dell’influenza di campi magnetici di origine esterna
Verifica a variazioni e interruzioni della tensione di alimentazione ausiliaria
Verifiche di emissioni radiate e condotte secondo EN 50121-3-2
Verifiche dell’effetto di disturbi radiati e condotti secondo EN 50121-3-2
Verifiche (per CFM) a corrente di corto circuito in catenaria, a massima corrente termica e
dinamica
Verifica del comportamento al corto circuito per le uscite in tensione
Test di durata e stabilità con un ciclo di 1000 ore a massima tensione/corrente e massima
temperatura (secondo EN 62059-32-1 o simile)
Elaborato da EN50463-1 e 2
Misura di tensione e corrente
(tecnologia basata su anello chiuso con
sensore a effetto Hall)
Usato per misure in cc e in ca
fino a decine di kHz
Buon isolamento galvanico
Limitata linearità a basse correnti
Sensibilità a campi magnetici
esterni
Misura di tensione ricondotta a
misura di corrente mediante carico
resistivo su circuito AT
Elaborato da letteratura tecnica
Misura di tensione e corrente
(tecnologia basata su anello chiuso con
tecnologia Flux-gate)
Usato per misure in c.c. e in c.a.
fino a decine di kHz
Buon isolamento galvanico
Buona linearità a basse correnti
Sensibilità a campi magnetici
esterni
IP=0
Sensore magnetico
ad alta permeabilità e
stabilità magnetica
IP>0
Misura di tensione ricondotta a
misura di corrente mediante carico
resistivo su circuito AT
Elaborato da letteratura tecnica
IP<0
Misura di tensione e corrente
(tecnologia basata su Shunt e Partitore Resistivo,
conversione A/D – D/A con isolamento)
Ip
Vp
Alimentazione da
catenaria
RShunt
ADC
Rm
DAC
Link Ottico
o
Magnetico
ADC
DAC
Vcc
AC/DC
RAT
Area AT
Trasformatore
d’isolamento
Alimentazione ausiliaria BT
Elaborato da letteratura tecnica
Usato per misure in cc e in ca
Banda passante di decine di kHz
Buon isolamento galvanico
Limitata linearità a basse correnti
Sensibilità a campi elettrici
Is
Vs
Alcuni esempi di sensori VFM e CFM
commerciali
LEM: Trasduttore di corrente continua ITC 4000-S
In=4000 A - Tecnologia Fluxgate
Estratti da Brochure di prodotto LEM
LEM: Trasduttore di tensione continua DV 4200/SP4
Vn=4200 V - Tecnologia con partitore resistivo, ADC
e DAC, isolamento a trasformatori fra AT e BT
Alcuni esempi di sensori VFM e CFM
S.T.E.: Trasduttore di corrente e tensione c.c.
Mod. ETROS In= 2500 A – Vn = 4000 V
Tecnologia con partitore resistivo, ADC e DAC,
isolamento a trasformatore e a fibre ottiche fra AT e BT
Estratti da Brochure di prodotto di S.T.E. e di T.E.M
S.T.E./TEM: Trasduttore di corrente e tensione in c.a.
Mod. TOTEM 2N In= 1000 A – Vn = 15 Vac@16,7 Hz e 25 Vac @ 50 Hz
Tecnologia con partitore resistivo, ADC e DAC, isolamento a
trasformatore e a fibre ottiche fra AT e BT
Certificazione di conformità CE
(Interim Statement of Verification)
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Tipo di certificazione CE:
Il sotto-sistema EMF non è individuato come Componente d’Interoperabiltà dalla STI
Loc&Pass e pertanto si valuta nell’ambito della certificazione CE del materiale rotabile in
cui è usato
Sono possibili Certificati Intermedi di Verifica CE (ISV) per il sotto-sistema EMF nel suo
insieme o anche per i singoli trasduttori VFM e CFM, ai sensi della Dir. 2011/18/UE
I moduli certificativi più appropriati sono SH1 (test a carico del costruttore) o SB (test sotto
la responsabilità dell’Organismo Notificato) + SD (qualità per i prodotti di serie)
Fasi del percorso certificativo
Esame della documentazione di progetto Hw, Sw, meccanica e d’installazione/integrazione
Esame dei rapporti di verifica e validazione del costruttore (es. accuratezza delle catene di
misura, sicurezza elettrica, adeguatezza all’uso)
Esame della documentazione di fabbricazione, istallazione, uso e manutenzione
Approvazione delle Specifiche di Prova
Audit di qualità ai siti di fabbricazione e collaudo (mod. SH1 o mod. SD)
Assistenza (mod. SH1) o supervisione (mod. SB) alle prove di qualifica e d’integrazione
Esame della totalità dei rapporti di prova
Rapporto di Certificazione CE e ISV
Certificazioni CE e STI
Misura di tensione e corrente
(ritorni di esperienza)
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Aree di attenzione:
Installazione e influenza di campi magnetici esterni
Installazione e influenza di campi elettrici esterni
Installazione e distanze d’isolamento fra parti in AT e parti in BT in condizioni ostili
Sovratensioni transitorie e correnti di corto-circuito su catenaria
Stress termici e meccanici
Cambi di tensione di catenaria
Interruzioni della tensione di alimentazione ausiliaria
Invecchiamento dei materiali dielettrici e verifiche periodiche
Cause tipiche d’imprecisione o di mal funzionamento:
Effetto termico e invecchiamento dei materiali (scariche parziali)
Influenze di campi elettrici e/o magnetici in c.c. o in c.a.
Tensioni e correnti di offset dei circuiti elettronici e loro dipendenza termica
Stabilità di tensioni, correnti e frequenze di riferimento per i circuiti elettronici
Procedure di compensazione di cause statiche di errore
Disturbi irradiati/condotti impulsivi e ad alta frequenza
Ritorni di esperienza
Misura di tensione e corrente
(domande e discussione)
Grazie per l’attenzione
Per informazioni:
[email protected]
+39 010 5385 791
Conclusioni