z. 77 Transport 2011
Jacek Pa , Tadeusz Dbrowski
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydzia Elektroniki, Instytut Systemów Elektronicznych
Janusz Dyduch
Politechnika Radomska, Wydzia Transportu i Elektrotechniki, Instytut Systemów
Transportowych i Elektrotechniki
METODA OCENY BEZPIECZESTWA
EKSPLOATACJI SYSTEMÓW
ELEKTRONICZNYCH UYTKOWANYCH
W TRANSPORCIE
Rkopis dostarczono, wrzesie 2010
Streszczenie: Eksploatacja systemów elektronicznych na rozlegym obszarze kolejowym naraona
jest na oddziaywanie zakóce elektromagnetycznych. Zaburzenia elektromagnetyczne generowane s przez róda zakóce zamierzone lub niezamierzone, stacjonarne lub ruchome. Poziom generowanych zaburze elektromagnetycznych wpywa na bezpieczestwo eksploatacji systemów np. systemów sterowania ruchem kolejowym, systemów elektronicznych. Generowane zakócenia mog by przyczyn wystpienia stanu alarmu w systemie elektronicznym. Niniejszy artyku przedstawia ocen bezpieczestwa eksploatacji systemów elektronicznych, na które oddziaywaj zakócenia elektromagnetyczne.
Sowa kluczowe: system ochrony, system elektroniczny, zakócenia
1. RODOWISKO ELEKTROMAGNETYCZNE
W XX wieku, w wyniku dziaalnoci czowieka wprowadzone zostay sztuczne czynniki ksztatujce elektroklimat. Na skutek powstania niezliczonych róde promieniowania nastpio powane znieksztacenie rodowiska elektromagnetycznego.
Szerokie zainteresowanie si niekorzystnym oddziaywaniem pól elektromagnetycznych, z rónych zakresów czstotliwoci, na organizm ludzki i prac urzdze elektronicznych nastpio z chwil wprowadzenia przez Uni Europejsk dyrektywy dotyczcej kompatybilnoci elektromagnetycznej [15].
W celu oszacowania wielkoci zakóce elektromagnetycznych wystpujcych na obszarze kolejowym naley okreli parametry nastpujcych obwodów:
x obwodów, w których pynie prd o duej wartoci (podstacje trakcyjne, sie trakcyjna, sie powrotna, pojazdy trakcyjne, elektroenergetyczna sie zasilajca);
x obwodów, w których pynie prd o maych wartociach (SRK - systemy sterowania ruchem kolejowym, systemy cznoci przewodowej, radiowej i rozgoszeniowej, systemy elektroniczne) [3,4,5,6].
RODOWISKO ELEKTROMAGNETYCZNE
Pola zakócajce sztuczne Pola zakócajce naturalne
Zakócenia promieniowane Zakócenia przewodzone Wyadowania atmosferyczne Wyadowania elektrostatyczne Konstrukcja wsporcza G1 G2 G3 G4 Gn
G1,...,Gn – urzdzenia systemu bezpieczestwa
...
...
system bezpieczestwa Kompatybilno wewntrzna zewewntrznaRys.1. rodowisko elektromagnetyczne na rozlegym obszarze kolejowym
Na system elektroniczny zainstalowany na rozlegym obszarze kolejowym oddziaywuj zakócenia elektromagnetyczne, których ródem s wymuszenia zewntrzne oraz wewntrzne. Zakócenia te (zamierzone lub niezamierzone) powoduj znaczne znieksztacenie naturalnego pola elektromagnetycznego. Wystpowanie zaburze elektromagnetycznych na obszarze kolejowym, gdzie s uytkowane systemy elektroniczne moe spowodowa zadziaanie systemu elektronicznego [7,8]. System ten moe si aktywowa - przej w stan alarmu. Efektem wystpienia takiego stanu pracy
systemu elektronicznego mog by due straty ekonomiczne (np. zatrzymanie ruchu pocigów, ogoszenie ewakuacji i wezwanie sub porzdkowych na teren dworca).
Systemy elektroniczne rozpatrywane w tym artykule s to systemy, których celem jest wykrywanie zagroe wystpujcych w procesie transportowym (zarówno dla obiektów stacjonarnych jak i ruchomych). Systemy te s coraz czciej stosowane w procesie transportowym, gdzie zapewniaj bezpieczestwo:
1. ludziom (np. systemy zainstalowane w obiektach staych lotnisk, dworców kolejowych, portów, itd.);
2. przewoonym towarom w obiektach staych (np. bazy logistyczne, terminale przeadunkowe ldowe i morskie, itp.);
3. przewoonym towarom w obiektach ruchomych (transport kolejowy, drogowy i morski – a w poczeniu z systemem GPS mog monitorowa stan adunku i trasy przejazdu danego rodka lokomocji).
Na rozlegych obszarach kolejowych najczciej wykorzystuje si nastpujce systemy elektroniczne:
system sygnalizacji wamania i napadu (SSWiN); system telewizji przemysowej (CCTV);
system kontroli dostpu (SKD); system sygnalizacji poarowej (SSP).
2. MODEL NIEZAWODNOCIOWY SYSTEMU
ELEKTRONICZNEGO, NA KTÓRY ODDZIAYWUJ
ZAKÓCENIA
Dokonujc analizy niezawodnociowej systemów elektronicznych, które s eksploatowane na rozlegym obszarze kolejowym mona stwierdzi, e ich struktura niezawodnociowa jest najczciej struktur mieszan typu szeregowo-równolegego [10,11]. Rys. 2 ilustruje relacje zachodzce w systemie nadzoru w aspekcie bezpieczestwa.
Uszkodzenie którego z elementów znajdujcych si w gazi szeregowej struktury powoduje przejcie systemu ze stanu penej zdatnoci R0 do stanu zawodnoci
bezpieczestwa QB. Uszkodzenie którego z elementów znajdujcych si w gazi równolegej struktury powoduje przejcie ze stanu penej zdatnoci R0 do stanu zagroenia bezpieczestwa QZB1 [1]. Stosujc odpowiednie przeksztacenia matematyczne otrzymujemy zalenoci pozwalajce wyznaczy wartoci prawdopodobiestw przebywania systemu w wyrónionych stanach R0, QZB1, QB.
R0 QZB1 Q B OB1+JZ ZakóceniaXZ(t) OZB1 OZB2+J1Z
Rys. 2. Relacje zachodzce w systemie gdzie:
– R0 – stan zdatnoci systemu, QB – stan zawodnoci bezpieczestwa systemu, QZB1 – stan
zagroenia bezpieczestwa;
– OB1 – intensywno przejcia systemu ze stanu R0 do stanu QB,
– OZB1; OZB2 – intensywno przejcia systemu ze stanu danego do stanu nastpnego,
– J Z – intensywno przejcia systemu ze stanu R0 do stanu QB pod wpywem zakóce,
– J1Z – intensywno przejcia systemu ze stanu QZB1do stanu QB pod wpywem zakóce.
RO(t) – funkcja prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie penej zdatnoci
t ) ( ZB Z B
e
)
t
(
R
1 1 0 O J O (1)QZB1(t)– funkcja prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zagroenia
bezpieczestwa » ¼ º « ¬ ª ) ( ] t ) ( exp[ ] t ) ( exp[ ) t ( Q Z ZB ZB Z B Z ZB ZB Z B ZB ZB 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 J O O J OJ O O J O O (2)
(QB (t) – funkcja prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zawodnoci
bezpieczestwa » » » » » » » » » » » » » » » ¼ º « « « « « « « « « « « « « « « ¬ ª » ¼ º « ¬ ª » ¼ º « ¬ ª » ¼ º « ¬ ª » ¼ º « ¬ ª ) ( ) ( ] t ) ( exp[ ] t ) ( exp[ ) ( ) ( ] t ) ( exp[ ) ( ) ( ] t ) ( exp[ ] t ) ( exp[ ] t ) ( exp[ ) ( ) ( ] t ) ( exp[ ] t ) ( exp[ ) ( ) ( ) t ( Q ZB Z ZB B ZB B Z ZB ZB Z ZB B Z Z ZB ZB B ZB B ZB B Z ZB Z ZB ZB B ZB B ZB ZB B B ZB B ZB ZB B B Z ZB ZB B ZB B Z ZB ZB B ZB ZB Z ZB ZB B Z ZB ZB B ZB ZB B 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 1 1 1 2 1 2 1 O J O O O O O J O O J O J J O O O O O O O J O J O O O O O O O O O O O O O O O J O O O O OO O O J O O J O O OO O O O J O (3)
3. WYZNACZANIE WSKANIKA
J ODDZIAYWANIA
ZAKÓCE NA SYSTEM ELEKTRONICZNY
W przypadku oddziaywania zakóce na systemy elektroniczne mona wyróni nastpujce przejcia pomidzy stanami systemu:
1. system elektroniczny nie reaguje na zakócenie zewntrzne i wewntrzne;
2. urzdzenia wchodzce w skad systemu elektronicznego samoczynnie likwiduj zakócenia poprzez zastosowane np. filtry pasywne lub aktywne;
3. wystpienie zakócenia powoduje przejcie systemu elektronicznego ze stanu zdatnoci do stanu niezdatnoci czciowej systemu (np. uszkodzenie jednej z wielu magistral(central, moduów, itd.) transmisyjnych sygnaów alarmowych – system realizuje zadanie z mniejsz efektywnoci – cz obszaru kolejowego pozbawiona jest ochrony elektronicznej;
4. wystpienie zakócenia w systemie elektronicznym powoduje uszkodzenie systemu – system jest cakowicie niezdatny.
System elektroniczny zainstalowany na terenie kolejowym pracuje w zrónicowanym rodowisku elektromagnetycznym. W zakresie maych czstotliwoci, na tym terenie, wystpuje dosy powane znieksztacenie rodowiska elektromagnetycznego. Zakóceniem, które wystpuje pamie czstotliwoci (0-100) kHz – o katastroficznych czsto skutkach – jest wyadowanie atmosferyczne. Wartoci indukcji B pola magnetycznego i natenia E pola elektrycznego wystpujce przy wyadowaniu atmosferycznym osigaj bardzo due wartoci, które prowadz do uszkodzenia systemu – rys. 3.
Skadowa H[A/m] Skadowa E[V/m]
Odlego r[m] od gównego kanau wyadowania Odlego r[m] od gównego kanau wyadowania rzdu m rzdu kilkudziesiciu – kilkuset kilku kA/m kilkuset A/m Kilku kilkunastu m kilkuset kV/m kilkudziesiciu kV/m kilka kV/m 100 V/m rzdu kilkudziesiciu rzdu kilkuset rzdu kilkunastu km
Skadowa H[A/m] Skadowa E[V/m]
Odlego r[m] od gównego kanau wyadowania Odlego r[m] od gównego kanau wyadowania rzdu m rzdu kilkudziesiciu – kilkuset kilku kA/m kilkuset A/m Kilku kilkunastu m kilkuset kV/m kilkudziesiciu kV/m kilka kV/m 100 V/m rzdu kilkudziesiciu rzdu kilkuset rzdu kilkunastu km
Rys. 3. Wartoci skadowych pola elektromagnetycznego H[A/m], E[V/m] indukowanych podczas wyadowania atmosferycznego w funkcji odlegoci od gównego kanau wyadowania
Przebiegi prdów wyadowa atmosferycznych bywaj zrónicowane i zmieniaj si w funkcji wysokoci. Podczas wieloletnich bada do opisu prdu pioruna byy stosowane róne formuy matematyczne. Wiele zalenoci opisujcych przebiegi prdu wyadowa atmosferycznych tworzonych jest na podstawie ogólnego wzoru Heidlera [1,12]. W normach IEC oraz KTA stosuje si nastpujce wzory, dla N=10 [13].
) / t exp( ) / t ( ) / t ( ] N exp[ I ) / t exp( ) / t ( ) / t ( I ) t ( i N N N m N N m 2 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 1 1 W W W W W W W W W W K ¸¸¹ · ¨¨© § ¸¸¹ · ¨¨© § (4)
Widmo prdu wyadowania mona przedstawi za pomoc równania
) j )( j ( ) ( I k ) j j ( I k ) ( I i m m I Z E Z D D E Z E Z D Z 1 1 (5) gdzie:
2 d N d 10, Im –warto maksymalna prdu, K - wspóczynnik korekcyjny, W1 - wspóczynnik czasu trwania czoa, W2 – wspóczynnik czas opadania; D, E - wspóczynniki okrelajce czas trwania czoa i czas do pószczytu.
Dokonujc analizy widmowej przebiegu wyadowania atmosferycznego mona stwierdzi, e w pamie do 100 kHz zgromadzona jest znaczca wikszo energii wyadowania (okoo 99,6% cakowitej energii).
Wska nik J oddziaywania zakóce na system elektroniczny osiga wartoci z zakresu od zera do jeden. Przy uwzgldnieniu oddziaywa wyadowania atmosferycznego oraz zakóce stacjonarnych i ruchomych (generowanych w sposób zamierzony lub niezamierzony na obszarze kolejowym) warto graniczna wspóczynnika zostaa okrelona jako:
= < 0, 1 > (6)
gdzie:
J = 0 – na system nie oddziaywuj zakócenia (system ekranowany – klatka Faradaya); J = 1 – system naraony na wyadowanie atmosferyczne (peron dworca kolejowego).
4. WYZNACZENIE FUNKCJI
* BEZPIECZESTWA
PRACY SYSTEMU ELEKTRONICZNEGO
Systemy elektroniczne nale do klasy systemów zoonych. Praktycznie niemoliwe jest stworzenie systemu elektronicznego o tzw. uniwersalnym zastosowaniu. Dlatego w praktyce transportowe systemy elektroniczne budowane s dla efektywnej pracy w okrelonych warunkach najbardziej typowych dla systemów danej klasy (klasy systemu elektronicznego I-IV). Warunki te mona nazwa warunkami normalnymi, a proces
funkcjonowania systemu w warunkach normalnych – procesem niezakóconym funkcjonowania systemu nadzoru.
Funkcja poziomu * bezpieczestwa pracy systemu elektronicznego to charakterystyka
liczbowa, która okrela stopie przystosowania systemu do wykonywania postawionych zada w danym rodowisku elektromagnetycznym istniejcym na rozlegym obszarze kolejowym – rys. 4. Warto funkcji poziomu * bezpieczestwa pracy systemu elektronicznego powinna by jak najwiksza ze wzgldu na oddziaywujce zakócenia elektromagnetyczne – system posiada wiksz odporno na zakócenia. Sposób okrelenia funkcji * bezpieczestwa zosta przedstawiony na rys. 4 – im wska nik posiada wiksz warto tym system elektroniczny jest bardziej odporny na oddziaywanie zakóce.
Funkcja poziomu * bezpieczestwa pracy systemu elektronicznego zaley od wielu parametrów, wród których podstawow rol odgrywaj parametry D1, D2,..., Dn systemu (np. impedancja/rezystancja/ wejciowa/wyjciowa, wzmocnienia napiciowe, prdowe, mocy,..., parametry elementów elektronicznych biernych i aktywnych itd. elementów skadowych /urzdze/ systemu elektronicznego) oraz parametry charakteryzujce wpyw otoczenia J1, J2, ..., Jm (np. temperatury, wilgotnoci lub zakóce elektromagnetycznych).
Zatem funkcj bezpieczestwa * systemu elektronicznego mona zapisa w postaci:
* = *(D1, D2,..., Dn; J1, J2, ..., Jm)
Wpyw zakóce na wartoci wspóczynników Di* parametrów Di mona przedstawi w postaci:
Di* = Di0r 'Di
gdzie: Di0 – oznaczaj wartoci parametrów systemu w normalnych warunkach; a 'Di – zmiany parametrów pod wpywem zakóce. Zakócenia powoduj zmian wartoci parametrów J1, J2, ..., Jm. Zakócone wartoci Jj* parametrów Jj mona przedstawi w postaci:
Ji* = Ji0r 'Ji
gdzie: Ji0 – oznaczaj wartoci parametrów charakteryzujcych wpyw otoczenia w normalnych warunkach, a 'Ji – zmiany parametrów wywoane zakóceniami.
Warto *0norm funkcji bezpieczestwa * dla normalnych warunków funkcjonowania systemu elektronicznego mona okreli jako:
*0
norm = *(D01, D02,..., D0n; J01,J02,...,J0m)
Warto **zakóce funkcji bezpieczestwa * pod warunkiem dziaania na system zakóce zewntrznych i wewntrznych z okrelonymi charakterystykami jako:
** zakóce = *(D*1, D*2,..., D*n; J*1,J*2, ..., J*m) (7) (8) (9) (10) (11)
Rys. 4. Okrelenie poziomu bezpieczestwa *E1 i *E2 dziaania transportowego systemu
elektronicznego w przypadku oddziaywania zakóce elekromagnetycznych dla zakresu czstotliwoci ELF i VLF – natenie E pola elektrycznego
Objanienia do rys. 4: a){d} wyznaczony poziom *E1 i *E2 bezpieczestwa w przypadku
oddziaywania natenie E pola elektrycznego dla zakresu czstotliwoci ELF {VLF} dla kabli elektroenergetycznych bez ekranów, b){e} wyznaczony poziom *’E1 i *,E2 bezpieczestwa w
przypadku oddziaywania natenie E pola elektrycznego dla zakresu czstotliwoci ELF {VLF} dla kabli elektroenergetycznych z ekranami, c){f} wyznaczony poziom *E1u i *E2u bezpieczestwa
w przypadku oddziaywania natenie E pola elektrycznego dla zakresu czstotliwoci ELF {VLF} dla wybranych elektrycznych urzdze stanowicych ródo zakóce dla systemu nadzoru.
Warto rónicy '*0zakóce = *0norm - **zakóce moe by przyjta jako warto funkcji okrelajca stopnie odporno ci systemu na zakócenia – rys. 5.
Intensywno uszkodze systemu elektronicznego O mona zapisa jako:
t X X t F t t F t w w w w w w () () ) ( O
¦
¦
¦
¦
ww w w w w w w w w w w w w w w Z m E kC C C k E E k M M k Z Z t X X t F t X X t F t X X t F t X X t F t 1 1 1 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( Ogdzie: F(t) – funkcja zawodnoci systemu elektronicznego, X – zapas wytrzymaoci elementów z których zbudowany jest transportowy system nadzoru; - wytrzymao: zakóceniowa XZ; mechaniczna XM; elektryczna XE; cieplna XC.
(12)
Rys. 5. Wyznaczenie wska ników JE1, JE2 i okrelenie poziomu bezpieczestwa *E1, *E2 dla
systemu elektronicznego przy oddziaywaniu natenia E pola elektrycznego dla zakresów czstotliwoci ELF i VLF
5. ODDZIAYWANIE ZAKÓCE NA SYSTEM
ELEKTRONICZNY O STRUKTURZE
NIEZAWODNOCIOWEJ SZEREGOWO-RÓWNOLEGEJ
Symulacj zachowania si systemu elektronicznego przeprowadzono dla zakóce, które s wytwarzane na rozlegym obszarze kolejowym – od wartoci pola elektromagnetycznego, które istnieje w pomieszczeniu uytkowym przez wartoci pola generowane na terenie peronu kolejowego – do wyadowania atmosferycznego (zakres zmian wartoci J - rys. 4). Dla w/w wartoci J wyznaczono wska niki R0(t), QZB1(t) oraz QB(t) bezpieczestwa eksploatacji systemu nadzoru – rys. 6, 7.Analizujc rys. 6, 7 mona stwierdzi e dla maych wartoci wska ników J zakóce system praktycznie utrzymuje sta warto parametru R0(tb)Z – system elektroniczny jest niewraliwy na zakócenia o maych amplitudach (do J = 1010-6). Jeeli system elektroniczny zainstalowany jest na terenie budynków dworca kolejowego to naley uwzgldni ekranujcy wpyw instalacji odgromowej o rónych wymiarach oka instalacji odgromowej. Wymiary oka instalacji odgromowej wpywaj na przebieg funkcji stanu penej zdatnoci R0(tb)Z – (rys. 7). Zmniejszanie wymiarów oka instalacji odgromowej (20x20 m na 5x5 m) powoduje, e system elektroniczny jest mniej wraliwy na zakócenia - funkcja poziomu bezpieczestwa * równa jest J = 10010-6.
Rys.6. Przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu o strukturze szeregowo-równolegej w rónych stanach w funkcji wska nika zakóce
R0(tb)Z QZB1(tB)Z QB(tB)Z R0(tb)Z5x5 QZB1(tB)Z5x5 QB(tB)Z5x5 R0(tb)Z QZB1(tB)Z QB(tB)Z R0(tb)Z5x5 QZB1(tB)Z5x5 QB(tB)Z5x5 J 110-6 1010-6 10010-6 50010-6 80010-6 1
Objanienia do rysunku 6: System w stanach: R0(t)Z, QZB1(t)Z, QB(t)Z - zainstalowany na terenie
peronów kolejowych; R0(tb)Z5x5, QZB1(tB)Z5x5, QB(tB)Z5x5 – system zainstalowany w budynku dworca
kolejowego wyposaonego w instalacj odgromow o wymiarach oka 5x5 m; RO(tb)Z – funkcja
prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie penej zdatnoci; QZB1(tb)Z – funkcja
prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zagroenia bezpieczestwa; QB(tb)Z – funkcja
prawdopodobiestwa przebywania systemu w stanie zawodnoci bezpieczestwa.
Na warto funkcji * poziomu bezpieczestwa systemu elektronicznego maj wpyw ekranujce waciwoci budynków, które s wyposaone w instalacj odgromow. Take przegrody budowlane (ciany, stropy, pokrycia metalowe dachów) powoduj zmniejszenie skadowych E, H pola elektromagnetycznego szczególnie z zakresu wyszych czstotliwoci (np. zakres czstotliwoci wykorzystywany w telefonii komórkowej). Skadowa E pola elektromagnetycznego z zakresu maych czstotliwoci do 100 kHz jest wydatnie tumiona przez przegrody budowlane, natomiast skadowa H nie podlega osabieniu [8]. Wpyw wymiarów oka instalacji odgromowej na przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu elektronicznego o strukturze szeregowo-równolegej w stanie penej zdatnoci R0(tb)Z w funkcji wska nika J zakóce zosta przedstawiony na rys. 7. Zmniejszanie wymiarów oka instalacji odgromowej (wzrost tumienia sygnau zakócajcego) powoduje zwikszenie wartoci funkcji * poziomu bezpieczestwa.
Rys. 7. Przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu o strukturze szeregowo-równolegej w stanie penej zdatnoci R0(tb)Z w funkcji wska nika J zakóce
Objanienia do rysunku 7: (R0(tb)Z – stan penej zdatnoci, system zainstalowany na terenie peronu;
R0(tb)Z20X20, R0(tb)Z10X10, R0(tb)Z5X5 – system zainstalowany w pomieszczeniach budynku dworca
kolejowego wyposaonego w instalacj odgromow o rónych wymiarach oka np. Z20xZ20 (20 m x 20m) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 R0(tb)Z R0(tb)Z20x20 R0(tb)Z10x10 R0(tb)Z5x5 *SZ5x5 *SZ10x10 110-6 1010-6 10010-6 50010-6 80010-6 1 *SZ20x20 *SZ R0(tb) R0(tb)Z20x20 R0(tb)Z10x1 R0(tb)Z5x5 J
5.
ZAKOCZENIE
W artykule przedstawiono metod oceny bezpieczestwa eksploatacji systemów elektronicznych uytkowanych w transporcie. Systemy elektroniczne coraz czciej wykorzystywane s w procesie transportowym, gdzie zapewniaj bezpieczestwo - ludziom (s to systemy instalowane w obiektach staych – lotniska, dworce, itd.) oraz przewoonym towarom (w obiektach staych – np. bazy logistyczne lub ruchomych – np. transport kolejowy, morski, itd.). Systemy elektroniczne uytkowane s w zrónicowanych warunkach klimatycznych oraz rodowisku elektromagnetycznym.
Wprowadzenie sztucznych róde promieniowania elektromagnetycznego zamierzonego (stacje radiowe, telewizyjne, itd.) i niezamierzonego (np. elektroenergetyczne linie zasilajce) spowodowao znieksztacenie elektroklimatu – wytworzenie „smogu” elektromagnetycznego. Wybrane róda zakóce istniejce na obszarze kolejowym, które znieksztacaj naturalne pole elektryczne istniejce na tym obszarze przedstawiono na rys. 5. Wystpowanie zakóce elektromagnetycznych moe by przyczyn aktywowania systemu – wystpienie stanu alarmowania w systemie elektronicznym co jest zwizane z powstaniem wymiernych strat ekonomicznych (np. zatrzymanie ruchu pocigów).
Prawidowe funkcjonowanie systemów elektronicznych uytkowanych w transporcie uzalenione jest od:
niezawodnoci poszczególnych czci skadowych tworzcych system; wewntrznej struktury niezawodnociowej systemu elektronicznego; przyjtych do realizacji strategii eksploatacji systemu elektronicznego;
zakóce elektromagnetycznych oddziaywujcych na proces eksploatacji systemu elektronicznego uytkowanego na rozlegym obszarze.
Analizujc prac systemów elektronicznych o strukturze szeregowo-równolegej mona stwierdzi, e funkcja bezpieczestwa * pracy systemu elektronicznego zaley od miejsca zainstalowania – teren otwarty (np. peron kolejowy) czy teren zamknity (np. budynki, magazyny znajdujce si na rozlegym obszarze kolejowym) – rys. 7. W przypadku gdy systemy elektroniczne s uytkowane w budynkach lub magazynach wyposaonych w instalacj odgromow warto funkcji * poziomu bezpieczestwa pracy zaley od wymiarów oka instalacji odgromowej. Poprzez wymiary oka instalacji mona ksztatowa przebieg prawdopodobiestwa przebywania systemu o strukturze szeregowo-równolegej w stanie penej zdatnoci R0(tb)Z – rys. 7.
Wartoci poszczególnych prawdopodobiestw przebywania systemu elektronicznego w wyrónionych stanach zale od waciwoci zakócajcego pola elektromagnetycznego – czy dominuje wektor pola magnetycznego czy elektrycznego. Zmniejszanie wymiarów oka instalacji odgromowej (20x20 m na 5x5 m) powoduje, e system elektroniczny jest mniej wraliwy na zakócenia. Funkcja poziomu bezpieczestwa * jest odpowiednio wiksza co zostao przedstawione na rys. 6 (wzrost funkcji poziomu bezpieczestwa * do wartoci J = 10010-6 dla instalacji odgromowej o wymiarach 5x5 m).
Najwikszy wpyw na prawdopodobiestwa przebywania systemu elektronicznego w wyrónionych stanach ma indukcja B pola magnetycznego z zakresu czstotliwoci ELF –
tj. czstotliwoci zawartych w pamie od 0 Hz do 2 kHz. (tumienie indukcji B pola magnetycznego przez instalacj odgromow dla tego zakresu czstotliwoci jest najmniejsze). Najmniejszy wpyw na prawdopodobiestwa przebywania systemu w wyrónionych stanach ma natenie E pola elektrycznego z zakresu czstotliwoci VLF, tj. czstotliwoci zawartych w pamie od 2 kHz do 100 kHz. Wybrane róda zakóce elektromagnetycznych w pamie czstotliwoci od 0 do 100 kHz dla skadowej elektrycznej pola zostay przedstawione na rys. 5.
Podsumowujc, funkcja bezpieczestwa * dziaania systemu elektronicznego zale y od:
- waciwoci pola elektromagnetycznego – skadowe pól E, H;
- czci skadowych systemu elektronicznego, które maj waciwoci ekranujce zakócenia elektromagnetyczne (np. kable koncentryczne z oplotem ekranujcym; zamknite w metalowej obudowie centrale alarmowe, kamery, moduy rozszerze lub mocy, czujki systemu posiadajce metalow podstaw obudowy;
- miejsca zainstalowania elementów systemu nadzoru – teren otwarty lub zamknity obiektu kolejowego – tumienie zakóce przez przegrody budowlane tj. ciany, stropy, metalowe dachy, itd.;
- sposobu uoenia - budowy wewntrznej kabli magistral transmisyjnych – np. kable koncentryczne z oplotem ekranujcym,
- sposobu prowadzenia instalacji /magistral/ systemu elektronicznego np. z wykorzystaniem ekranujcych waciwoci metalowych ekranów /metalowe podwieszane korytka/;
- stosowanie oddzielnych kanaów budowlanych dla prowadzenia magistral transmisyjnych systemów elektronicznych w przypadku wystpowania linii energetycznych w których przepywaj prdy o znacznych wartociach – zasilanie trakcji kolejowej;
- zachowanie minimalnej odlegoci magistrala transmisyjna – kabel energetyczny dla zachowania wymaga braku wzajemnego oddziaywania elektromagnetycznego (pojcie kompatybilnoci elektromagnetycznej).
Do zwikszenia funkcji * bezpieczestwa systemu elektronicznego wymagane jest: - zastosowanie elementów optoelektronicznych, np. kabli wiatowodowych jako
magistral transmisyjnych;
- zastosowanie bezprzewodowego poczenia elementów systemu elektronicznego, który wykorzystuje wysokie czstotliwoci (rzdu GHz) i modulacj cyfrow odporn na zakócenia istniejce na obszarze kolejowym;
- w miejscach o wysokim poziomie zaburze elektromagnetycznych stosowanie urzdze wykonawczych (np. sygnalizatorów) lub czujek o duym poziomie sygnau uytecznego (poziom napi zakócajcych zbyt may – nieprzekroczony dopuszczalny poziom zakóce wasnych systemu);
- stosowanie elementów elektronicznych wykonawczych odpornych na zakócenia – np. wczanie/wyczanie alarmu elementy typu przeka nik;
- zwikszenie poziomu sygnaów uytecznych w elektronicznych systemach alarmowych;
- stosowanie odpowiednich filtrów aktywnych lub pasywnych w celu tumienia zakóce elektromagnetycznych;
- wykorzystanie ekranowania róde zakóce i elementów systemu elektronicznego.
Bibliografia
1. Aniserowicz K.: Analiza zagadnie kompatybilnoci elektromagnetycznej w rozlegych obiektach naraonych na wyadowania atmosferyczne. Politechnika Biaostocka 2005.
2. Bdkowski L., Dbrowski T.: Podstawy eksploatacji, cz 2. Wydawnictwo WAT, Warszawa 2006. 3. Dyduch J., Moczarski J.: Podstawy eksploatacji systemów sterowania ruchem kolejowym.
Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 2009.
4. D y d u c h J . , P a J . : Optymalizacja procesu eksploatacji w transportowych systemach nadzoru, XII Midzynarodowa Konferencja Naukowa „TransComp – 2008” Zakopane.
5. Dyduch J., Pa J.: Eksploatacja transportowych systemów nadzoru na rozlegym obszarze kolejowym” VII Krajowa Konferencja „Diagnostyka Techniczna Urzdze i Systemów” Diag’ 2009 Ustro.
6. Dyduch J., Pa J.: „rodowisko elektromagnetyczne na kolei i jego wpyw na systemy bezpieczestwa”. Transport i Komunikacja nr 1/2009.
7. Mikulik J. (praca pod red. E. Niezabitowskiej): Budynek inteligentny. T. 2, Podstawowe systemy bezpieczestwa w budynkach inteligentnych. Wydawnictwo Politechniki lskiej, Gliwice 2005. 8. Pa J., Dyduch J.: Oddziaywanie zakóce elektromagnetycznych na transportowe systemy
bezpieczestwa. Pomiary Automatyka Robotyka nr 10/2009.
9. Pa J., Dyduch J.: rodowisko elektromagnetyczne na rozlegym obszarze kolejowym XXIII Midzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Ochrona ludnoci przed skutkami nadzwyczajnych zagroe” Ekomilitaris 2009, Zakopane.
10. Pa J.: Wpyw rozrzutu waciwoci elementów linii dozorowej na niezawodno funkcjonaln systemów bezpieczestwa. Warszawa, Biuletyn WAT nr 2(650) /2008
11. Pa J., Dbrowski T.: „Methodology of teaching of diagnosing technical security system with examples of system of signalization of burglary and fire” 4TH International Congress on Technical Diagnostic Olsztyn 09-12.09. 2008 r. str. 140.
12. Wójcik A. (red.): Mechaniczne i elektroniczne systemy zabezpiecze. Verlag Dashofer, Warszawa 2008. 13. Normy: PN-IEC 61312 – seria norm: Ochrona przed piorunowym impulsem elektromagnetycznym. 14. KTA 2206 Auslegung von Kernkraftwerken gegen Blitzeinwirkungen (norma niemiecka).
15. International Standard IEC 50 (161): International Electrotechnical Vocabulary, Chapter 161: Electromagnetic Compatibility; First edition Geneva 1990.
METHOD OF SECURITY OF UTILIZATION OF SECURITY ELECTRONIC SYSTEMS USED ON A RAILWAY AREA
Abstract: Utilization of electronic systems on a vast railway area is exposed to the impact of electronic
disturbances. Electromagnetic disturbances are generated by deliberate or in deliberate sources, stationary or mobile. The level of generated electromagnetic disturbances has impact on the process of security of utilization of systems e.g. systems of railway travel control, security electronic transport systems. Generated disturbances can be the cense of alarm in security electronic systems. This paper presents the evaluation of security of utilization of security electronic systems, on which electromagnetic disturbances have impact.
Keywords: technical security system, electronic systems, disturbances
