Felles elektro/Prosjektering og bygging/Jording og utjevning/Verdier for avledning mellom returkrets og jord

Vedlegg j (informativt) Verdier for avledning mellom returkrets og jord

1 Hensikt og omfang

Det finnes lite kjent underlag om avledningen mellom returkrets og jord. Det er behov for flere målinger ved de byggemetodene som finnes i dag: Nye fundamenttyper for kontaktledningsmaster ved ulike grunnforhold.

Dette kapittelet oppsummerer det underlaget som er kjent i dag.

2 Generelt

God avledning, eller konduktans [math]\displaystyle{ g_E }[/math] mellom returkretsen og jord er viktig for å begrense spenningsstigning i returkretsen ved belastning og kortslutning, slik at tilgjengelig berøringsspenning ikke overskrider gjeldende krav. Avledningen angis i S/km (Siemens per kilometer), og avhenger av jordsmonnet på stedet, dets fuktighet og eventuell frost. Alle fundamenter og ledere som er i direkte kontakt med jordsmonnet bidrar til å øke avledningen mellom returkretsen og jordsmonnet.

I dette dokumentet er eksisterende dokumentasjon om avledningen mellom returkrets og jord oppsummert, og det er funnet noen hovedkonklusjoner. Det dominerende bidraget til avledningen kommer fra kontaktledningsmaster. Det er derfor interessant å kunne angi en gjennomsnittlig verdi for avledning fra ulike typer kontaktledningsfundamenter ved ulike grunnforhold.

Videre gir også andre fundamenter bidrag. Det omfatter for eksempel fundamenter for tekniske bygninger, bruer og tunneler, stasjonsbygninger og utjevninger på plattformene. Gjerdestolper i metall kan også antas å gi et bidrag til avledningen. Der det er benyttet langsgående jordleder forlagt direkte i jord, vil denne gi et betydelig bidrag til avledningen.

De kildene som er funnet, har fokusert på avledning fra kontaktledningsmaster. Det foreligger ikke målte verdier for de borede fundamentene som installeres i Norge, men siden de stikker så pass dypt, kan de få en avledning som likner på de pælefundamentene som er målt i [kilde 3].

For pælefundamenter og borede fundamenter som stikker dypt ned i våt leirgrunn, er det antatt tilsvarende forhold som i beskrivelsene i kildene, og en konduktans som er minst 0,02 S per mast. Mange steder i landet er det andre grunnforhold, og i de verste tilfellene på fjellgrunn ser det ut til at enkelte kilder forventer en konduktans som er helt ned mot 0,0002 S per mast.

Målinger av avledning under slike forhold er ønsket. Slike målinger vil bidra til å gi større sikkerhet rundt valgte verdier for avledning fra mastefundamenter.

Ved maksimal masteavstand på 75 meter vil det være i gjennomsnitt 13,3 master per kilometer for hvert spor. Ved en gjennomsnittlig konduktans på 0,02 S per mast vil det bli en total avledning på 0,02 S/mast x 13,3 master/km = 0,27 S/km for hvert spor.

Det kan være verdt å merke seg at det ved en stor jordresistivitet blir et stort potensial mellom returkretsen og fjern jord. På grunn av større overgangsmotstand for personer som står på grunnen, blir det imidlertid i et slikt tilfelle også tillatt med høyere potensial i returkretsen.

3 Beregning av overgangsmotstand for fundament for kontaktledningsmast

Det henvises til tillegg J i EN 50522 (NEK 440) for formler for estimering av overgangsmotstand i en jordelektrode på et sted med kjent jordresistivitet. Jordresistiviteten kan måles som del av prosjekteringen før byggestart. Sammen med formlene angitt i EN 50522 kan slike målinger benyttes til å estimere hvor stor konduktans som kan oppnås fra kontaktledningsfundamenter.

For et boret fundament er det antatt en diameter for fundamentet på 0,5 meter med elektrisk ledende armering i de ytre veggene, og en dybde på 3,5 meter ned i jordsmonnet. Det er videre antatt at jordresistiviteten på stedet er målt til 1000 Ωm. Da gjelder formel for jordspyd:

[math]\displaystyle{ R_E = \frac{\rho_E}{2 \pi L} \ln{ \left( \frac{4 L}{d} \right)} }[/math]

Ved innsetting finner man at [math]\displaystyle{ R_E }[/math] = 152 Ω, og dermed at konduktansen [math]\displaystyle{ g_E }[/math] = 0,0066 S.

Symbolforklaring:

• [math]\displaystyle{ R_E }[/math] er overgangsmotstand i mastefundament.
• [math]\displaystyle{ \rho }[/math] er jordresistiviteten på stedet.
• [math]\displaystyle{ L }[/math] er fundamentets dybde
• [math]\displaystyle{ d }[/math] er fundamentets diameter

4 Kilde 1: Lærebok for kontaktledningsingeniører

Per Sture, 1993
Verdiene for admittansen (Y) influeres av temperatur og fuktighet. Dessuten har ballasten – sand eller pukk – en vesentlig innflytelse.

I de senere år, etter ca. 1975, har ballasten blitt renere ved NSB. Dette henger bl.a. sammen med innføring av lukkede toalett-systemer på personvogner. En annen årsak til minsking i avledningen er det signalsystem vi har ved NSB. Dette krever bruk av såkalt «flesk» eller isolasjonsplater mellom skinne og underlagsplate. Derved er skinnene isolert fra grunnen, hhv. fra hverandre. For ytterligere å minimalisere det som ble kalt «falskt belegg», dvs. feilaktig anvisning i CTC-sentralen om at et sporfelt var belagt, kom pålegget om å isolere stålmastene fra fundamentene. Endelig har vi bestemmelsen om at det på strekninger med stor strømbelastning skal nyttes isolert jordledning fra mast til skinne.

Hele dette arbeid med å isolere skinne fra grunnen har gått så langt at vi nå må spørre etter sikkerheten for personalet. Nå må det ropes et varsko!

Et annet problem som meget sannsynlig vil komme er at vi i en situasjon hvor spenningsførende ledning faller ned UTEN at effektbryterne i matestasjonene kobler ut. Derfor bør enhver som vurderer returkretsen også ta med en vurdering av nåværende signalsystemer. Det er som alle vet (eller burde vite) ikke riktig å korrigere svakheter i eget system ved krav til andre systemer.

Etter målinger foretatt ved SJ ble det funnet at avledningen mellom skinne og jord varierte fra 0,0004 [S/km] og til 0,143 [S/km]. Hvis den (skinnen) derimot var tilkoblet masten ved jordledninger, det fremgår ikke om det var blanke jordledninger, var grenseverdiene 0,02 og 2,86 [S/km].

En annen kilde opplyser at det etter lang tid med streng kulde (ca. -20 grad. C) var det funnet verdier ned til 0,02 [S/km] med tilkoblet mastejord. Samme kilde sier at høy jordfuktighet og relativ høy lufttemperatur gir et måleresultat på 2 [S/km].

Måleverdier som er funnet for en skinne viser at mastefundamentene har en dominerende virkning på skinnenes admittans.

Hva nå med parallellkobling av to skinner? Målinger har vist at admittansen påvirkes minimalt ved parallellkobling av to skinner i et spor eller om den ene skinnen er isolert.

Konklusjonen blir derved at vi kan med stor sannsynlighet regne med 0,1 [S/km] ved temperaturer under null grader Celsius og 0,5 [S/km] over null. Videre gjør vi ikke noen stor feil ved å se bort fra kapasitansen og bare regne med konduktansen. Vi sier m.a.o. at admittansen er reell.

Skinnenes admittans er, som vist foran, bundet til mastefundamentenes overgangsmotstand. Her vil jeg ta med noen verdier fra målinger utført ved SJ senhøsten 1945 og derved at «marken kunde beräknas vara väl genomfuktad av höstregn».

• Postglacial lera: ca. 7 [ohm/stolpe]
• Lergyttja: ca. 10 [ohm/stolpe]
• Gyttja: ca. 15 [ohm/stolpe]
• Glacial lera: ca. 16 [ohm/stolpe]
• Torv: ca. 20 [ohm/stolpe]
• Mo (finkornet sand): ca. 70 [ohm/stolpe]
• Grus og grov sand: ca. 100 [ohm/stolpe]
• Morene (pinnmo]: ca. 190 [ohm/stolpe]

Det vi savner er verdier for master (stolper) på fjell. For disse må det regnes med verdier i området 1000 – 5000 [ohm/stolpe]. Videre må verdiene i tabellen foran multipliseres med 10, for å få sannsynlige verdier under vinterforhold. Ved frossen mark er det mest sannsynlig at vi må regne med de samme verdier som fjellgrunn.

5 Kilde 2: Elektromagnetisk miljö utmed elektrifierad järnväg i Sverige

Banverkets tekniska rapporter no 1994:3
[…] Stolparnas jordning blir i hög grad bestämmande för s-rälens avledning mot jord.

Vid långvarig sträng kyla kan g2 anta låga värden, t.ex. 0,02 1/Ωkm. Vid hög temperatur och fuktig väderlek med stolpar placerade i lerjord kan g2 anta värden på cirka 2 1/Ωkm. Vi har utförd beräkningar för g2 = 0,1, 0,5, 1,0 och 2,0 1/Ωkm med följande resultat […].

6 Kilde 3: Rapport fra måleturer for måling av overgangsmotstand og resistivitet langs Gardermobanen

Anna Sofie Mørland, NTNU, 1996.
Rapporten omfatter måling av overgangsmotstand mellom mastefundamenter og jord. Det er skilt mellom pælefundamenter, som penetrerer traubunnen og går ned i løsmassene under, og sålefundamenter som ligger som en såle oppå traubunnen (og dermed ikke går ned i jordsmonnet). Det er gjennomført måling på 25 fundamenter ved ulike værforhold. Resultatene oppsummeres her:

Tabell 1: Oppsummering av målinger

Type fundament og værforhold	Antall målte fundamenter	Gjennomsnittsverdi [Ω]	Standardavvik [Ω]
Pælefundamenter, vått vær	9	17	10
Pælefundamenter, tørt vær	1	12	-
Sålefundamenter, vått vær	2	36,5	-
Sålefundamenter, tørt vær	13	196	110

I rapporten er det i tillegg gjennomført en måling av overgangsmotstand fra to skinner på sviller som ikke er tilkoplet master, over en strekning på 400 meter. Resultatet fra målingen er en avledning på 0,002 S/km.

7 Kilde 4: Deutsche Bahn: Richtlinie 997.0202

Retningslinjen angir følgende krav til minste avledning mellom returkretsen og jord for dobbeltspor:

• Strekninger med inntil 600 A per tog: 0,4 S/km.
• Strekninger med inntil 900 A per tog: 0,8 S/km.
• Strekninger med inntil 1200 A per tog: 1,2 S/km.
• Strekninger med inntil 1500 A per tog: 1,5 S/km.

Retningslinjen angir videre at kjøreskinnene i seg selv har en avledning mellom 0 og 0,1 S/km avhengig av sporkonstruksjon. I tillegg er følgende avledninger angitt:

• Stålmast med konvensjonell fundamentering: 0,025 S (40 Ω)
• Betongmast med betongfundament: 0,02 S (50 Ω)
• Mast med ledende forbindelse til en stålpæle: 0,07 S (14,3 Ω)
• Båndjordleder (dvs. langsgående jordleder/jordbånd forlagt i jordsmonn), for dobbeltspor: 6 S/km.

Merk at det må antas at verdier for avledning vil være lavere i Norge enn i Tyskland på grunn av høyere resistivitet i jordsmonnet, spesielt på steder med fjellgrunn.