Nguồn điện phụ trợ trên phương tiện đường sắt: máy biến áp nhỏ cách điện tăng cường theo EN 50155

Bài viết này dành cho các kỹ sư nguồn, linh kiện từ và mua hàng làm việc với thiết bị điện tử lắp trên phương tiện giao thông đường sắt (rolling stock). Bên trong thiết bị trên tàu của bạn thường có một máy biến áp nhỏ cho nguồn điện phụ trợ (auxiliary power), lấy điện từ thanh cái ắc quy và cấp cho các tải điện áp thấp của mạch điều khiển và truyền thông — và nó phải thực hiện cách ly qua rào chắn điện áp cao trong môi trường khắc nghiệt mà EN 50155 quy định. Xuất phát từ ứng dụng cuối, bài viết giải thích rằng cách điện tăng cường (reinforced insulation) của máy biến áp nhỏ này đi theo lộ trình IEC 62368-1 Annex J, rằng lộ trình chứng nhận thực sự tồn tại, đồng thời làm rõ sự phân vai giữa "tài liệu phê duyệt quy cách của dây" và "tư cách của thiết bị". Mọi trị số sản phẩm của DAH JIN TECHNOLOGY đều "theo tài liệu phê duyệt quy cách".

1. EN 50155: ngưỡng môi trường của thiết bị điện tử trên tàu

EN 50155 là tiêu chuẩn cốt lõi cho thiết bị điện tử lắp trên phương tiện giao thông đường sắt (tương đương IEC 60571), quy định các điều kiện ở cấp thiết bị hoàn chỉnh: nhiệt độ, độ ẩm, va đập, rung động, điện áp cấp và tương thích điện từ (EMC). Đây không phải tiêu chuẩn cho một linh kiện đơn lẻ, mà là tư cách ở cấp thiết bị — "thiết bị có sống được và hoạt động bình thường trên tàu hay không". Vài điểm chính:

• Nhiệt độ: EN 50155 định nghĩa nhiều cấp nhiệt độ vận hành; tùy cấp và phiên bản, chúng bao phủ đại khái dải −40°C đến +70/+85°C, trong khi nhiệt độ thực bên trong vỏ thiết bị, gần tầng công suất, thường còn cao hơn.
• Va đập và rung động: thử nghiệm cơ học thực hiện theo EN 61373.
• EMC: phát xạ và miễn nhiễm của thiết bị trên tàu theo EN 50121 (-3-2).
• Gián đoạn nguồn cấp: ví dụ cấp S2 yêu cầu duy trì hoạt động ít nhất 10 ms khi mất nguồn.

Cần lưu ý phân vai: bộ biến đổi điện hoàn chỉnh (bộ biến đổi kéo/bộ biến đổi công suất) do EN 61287-1 quy định riêng, phần mềm do EN 50657 và an toàn chức năng do EN 50129. "Máy biến áp nhỏ của nguồn điện phụ trợ" bàn ở đây là tầng cách ly điện áp thấp bên trong thiết bị trên tàu, không phải bộ biến đổi kéo chính. Chi tiết số điều khoản của tiêu chuẩn chỉ nêu ở mức cần thiết, không triển khai từng điều.

2. Vị trí của nguồn điện phụ trợ trên tàu: từ thanh cái ắc quy đến tải điện áp thấp

Nhiệm vụ của nguồn điện phụ trợ trên tàu là cách ly điện áp ắc quy/thanh cái, hạ xuống dải mà các tải điện áp thấp — điều khiển, truyền thông, cảm biến — dùng được, và tạo cách ly điện (galvanic isolation) giữa phía điện áp cao và phía điện áp thấp. Thực tế thiết kế có ba điểm:

• Điện áp ắc quy: trên đường sắt có năm điện áp danh định ắc quy trên tàu thường gặp — 24 V, 48 V, 72 V, 96 V và 110 V —, trong đó 72 V và 110 V phổ biến nhất (điện áp càng cao thì dòng càng nhỏ ở cùng công suất, tiết kiệm khối lượng dây và không gian). Một số hệ thống dùng nối đất nổi (floating/IT), cả hai ray dòng đều không nối đất trực tiếp, nên cũng thường ghi theo cực tính −72 V/−110 V.
• Điện áp cách ly tăng theo điện áp hệ thống (thực hành trong ngành lấy EN 50155 làm chuẩn, xem bảng dưới).
• Dải đầu vào phải rộng, phải chịu được xung đột biến: thiết bị phải chịu được sụt áp (ví dụ 0.6×VN trong 100 ms) và xung đột biến (ví dụ 1.4×VN trong 1 s); các trường hợp khắt khe hơn còn phải đáp ứng điều kiện xung đột biến theo RIA 12 là 1.5× (1 s) và 3.5× (20 ms).

• < 72 VDC — Cách ly khuyến nghị (thực hành trong ngành)：500 VAC
• 72–125 VDC — Cách ly khuyến nghị (thực hành trong ngành)：1000 VAC/1500 VDC
• 110 V (khi sạc nổi có thể vượt 125 V) — Cách ly khuyến nghị (thực hành trong ngành)：thường khuyến nghị 1500 VAC
• Điện áp chịu đựng/trị số thử nghiệm của dây DAH JIN — Cách ly khuyến nghị (thực hành trong ngành)：theo tài liệu phê duyệt quy cách

Đó là thực tế của máy biến áp nhỏ cho nguồn điện phụ trợ: một máy biến áp thể tích không lớn, phải tạo ra cách ly đạt yêu cầu trong điều kiện đầu vào rộng, xung đột biến khắt khe và qua rào chắn điện áp cao.

3. Vượt qua rào chắn cách ly thế nào: lộ trình Reinforced của IEC 62368-1 Annex J

Để tạo cách điện tăng cường (reinforced) trong máy biến áp nhỏ, cách làm truyền thống dựa vào băng cách điện biên (margin tape) và băng cách điện giữa các lớp để tạo chiều dài đường rò (creepage) và khe hở không khí (clearance) ở hai đầu khung quấn, tách cuộn sơ cấp khỏi cuộn thứ cấp. Nhưng máy biến áp nguồn phụ trợ có thể tích hạn chế, cửa sổ quấn dây chật hẹp: biên băng càng rộng, dây càng khó quấn đủ.

Giải pháp chủ đạo là chuyển sang dây cách điện ba lớp (TIW) đã được chứng nhận. Theo IEC 62368-1 Annex J, dây quấn có cách điện đã được đánh giá độc lập theo Annex J có thể dùng kết cấu ba lớp của chính nó làm cách điện tăng cường cho cuộn dây (reinforced = cách điện chính + cách điện phụ, xấp xỉ ba lớp) — cách điện do chính dây đảm nhiệm, nên cuộn sơ cấp và thứ cấp có thể quấn xen kẽ, bỏ được chiều dài đường rò/khe hở không khí và rào cách điện mà lẽ ra phải tạo bằng băng. Đây chính là thế mạnh của máy biến áp nhỏ cho nguồn điện phụ trợ — "hoàn thành cách điện tăng cường bằng một sợi dây, thu nhỏ thể tích" — và lộ trình chứng nhận tồn tại rõ ràng.

• Nguồn gốc cách điện tăng cường — Cách làm truyền thống với biên băng：Băng biên ở hai đầu khung quấn + băng giữa các lớp tạo chiều dài đường rò/khe hở không khí；Dây cách điện ba lớp đã chứng nhận (Annex J Reinforced)：Cách điện ba lớp của chính dây quấn cung cấp reinforced
• Cửa sổ quấn dây — Cách làm truyền thống với biên băng：Biên chiếm nhiều chỗ, khung quấn nhỏ rất chật；Dây cách điện ba lớp đã chứng nhận (Annex J Reinforced)：Bỏ biên băng, cửa sổ quấn dây được giải phóng
• Bố trí sơ cấp/thứ cấp — Cách làm truyền thống với biên băng：Phải tách thành vùng riêng；Dây cách điện ba lớp đã chứng nhận (Annex J Reinforced)：Có thể quấn xen kẽ, không cần rào cách điện
• Tiêu chuẩn đánh giá — Cách làm truyền thống với biên băng：Đánh giá theo tổ hợp băng và kết cấu；Dây cách điện ba lớp đã chứng nhận (Annex J Reinforced)：IEC 62368-1 Annex J (TLW-F có thêm UL 2353)
• Đường kính/trị số điện áp chịu đựng của dây DAH JIN — Cách làm truyền thống với biên băng：—；Dây cách điện ba lớp đã chứng nhận (Annex J Reinforced)：theo tài liệu phê duyệt quy cách

Dây cách điện ba lớp dòng DAH JIN TLW được đánh giá là Reinforced theo VDE 40008834 (Annex J/IEC 62368-1); TLW-F có thêm UL 2353 Reinforced. Tương quan giữa Annex J và 61558 Annex K xem tại IEC 62368-1 Annex J và 61558 Annex K; bảng đối chiếu thử nghiệm điển hình Annex J/K/L xem tại Đối chiếu thử nghiệm điển hình Annex J/K/L.

4. Môi trường nhiệt và phân vai chứng nhận: tài liệu phê duyệt quy cách của dây không phải là tư cách của thiết bị

Máy biến áp nhỏ cho nguồn điện phụ trợ thường nằm sát tầng công suất, điều kiện tản nhiệt kém, nhiệt độ bên trong có thể cao hơn rõ rệt so với môi trường bên ngoài tàu. Lúc này cấp chịu nhiệt (thermal class) của dây mới có ý nghĩa:

• Nhiệt độ chịu được của dây DAH JIN TLW tùy theo mã sản phẩm — TLW-F là Class F, 155°C; TLW-B/TLW-BB/TLW-B7S là 130(B). Khi chọn, lấy môi trường nhiệt đối chiếu với cấp chịu nhiệt của mã sản phẩm; trị số cụ thể theo tài liệu phê duyệt quy cách.
• Nhưng phải phân biệt hai loại "tư cách": tài liệu phê duyệt quy cách của dây xác định vật liệu (mã sản phẩm và dải đường kính, đánh giá cách điện tăng cường, cấp chịu nhiệt); EN 50155/EN 61373 (rung động)/EN 50121 (EMC) là tư cách của linh kiện từ thành phẩm và thiết bị hoàn chỉnh trong môi trường đường sắt. Cấp chịu nhiệt của dây không bằng và không thay thế chứng nhận thiết bị của thành phẩm dưới điều kiện kết hợp rung động, EMC và nhiệt độ. Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống/thành phẩm thuộc hai đăng ký khác nhau, xem chi tiết tại Cấp chịu nhiệt của dây và cấp chịu nhiệt của hệ thống cách điện.

Nói gọn một câu: dây cách điện ba lớp giúp bạn đạt cách điện tăng cường qua rào chắn điện áp cao trong cửa sổ quấn dây nhỏ, và dùng cấp chịu nhiệt của mã sản phẩm để đáp ứng môi trường nhiệt trong tàu; nhưng trách nhiệm về việc "máy biến áp này, thiết bị này có đạt EN 50155 hay không" vẫn thuộc về phía thiết kế và kiểm chứng của linh kiện từ thành phẩm và thiết bị hoàn chỉnh. Bước đầu khi chọn có thể tham khảo Hướng dẫn chọn TIW và Chuỗi chứng nhận TIW.

DAH JIN TECHNOLOGY là nhà sản xuất dây (không phải công ty thương mại), sản xuất tại nhà máy riêng ở Quy Nhân, Đài Nam, Đài Loan; địa điểm sản xuất ghi trong hồ sơ đăng ký UL chính là nhà máy này — sản xuất tại Đài Loan.