Kontaktledning/Prosjektering og Bygging/Elektrisk utforming/Vedlegg/Elutforming-C


1 Hensikt og omfang

Dette kapittelet beskriver den elektriske utførelsen av kontaktledningsanlegg med sugetransformatorer og returleder.

Utformingen er en videreutvikling av sugetransformatorsystem med retur i kjøreskinner, og har til hensikt å begrense potensialet i returkretsen og indusert spenning i parallelle telekabler ytterligere sammenliknet med hva man oppnår med retur i kjøreskinner.

Utformingen er betegnet med "System C" i Referanse [1], og dette er også benyttet i mange andre dokumenter.

1.1 Andre utforminger

Lenker til andre elektriske utforminger av kontaktledningsanlegg:

2 Beskrivelse

Prinsippet for sugetransformatorsystem med returleder er at man bruker returleder mellom sugetransformatoren og tilkoblingspunktet til returkretsen. På strekningen som er dekket av returleder, går all returstrømmen gjennom returlederen. Det fører til kort fysisk avstand mellom tur- og returstrøm, og derfor minimert magnetfelt rundt jernbanen og minimert indusert spenning på parallelle telekabler. Når returstrømmen ikke går i kjøreskinnene blir også potensialstigningen i returkretsen begrenset.

Fordi brudd i returlederen potensielt kan føre til farlig spenning i returkretsen og skade på sugetransformatoren, dubleres returlederen slik at det benyttes to parallellkoblete returledere.

Figur 1 viser ett enkelt avsnitt med sugetransformator og returleder. Ved bruk av kun ett avsnitt kan ikke avstanden mellom de to tilkoblingspunktene for sugetransformatorer være for liten, fordi potensialforskjellen mellom tilkoblingspunktene da vil føre til at det også går en strøm i kjøreskinnene. Praktisk avstand med bruk av kun en seksjon for å unngå dette, vil være størrelsesorden 5-10 km. Kortere avstand kan brukes dersom det installeres nullfelt ved sugetransformatoren.

Figur 1: Prinsippskjema for ett avsnitt med sugetransformator og returleder. Røde piler angir veien for returstrøm.

Figur 2 viser en strekning sammensatt av flere tilstøtende avsnitt med sugetransformatorer og returledere, slik som det vanligvis bygges. Ved bruk av flere tilstøtende avsnitt kan avstanden mellom tilkoblingspunktene reduseres uten at sugetransformatorenes effekt påvirkes negativt, fordi det ikke vil være spenningsforskjell mellom tilkoblingspunktene på hver side av en sugetransformator. Utformingen blir da effektiv uten bruk av nullfelt selv om avstanden mellom tilkoblingspunktene på hver side av en sugetransformator blir liten.

Figur 2: Prinsippskjema for utforming med sugetransformatorer og returleder. Røde piler angir veien for returstrøm.

I noen tilfeller vil det være nødvendig å utforme et hybrid system uten kontinuerlig returleder, som vist i Figur 3. Slik kopling vil være aktuelt på stasjonsområder. Her får man det samme problemet med spenningsforskjell mellom de to tilkoblingspunktene til kjøreskinnene som ved bruk av ett enkelt avsnitt. For å håndtere dette, kan man enten:

  • utforme anlegget slik at avstanden mellom to tilstøtende avsnitt med returledere er liten sammenliknet med lengden for avsnittet med returledere,
  • installere nullfelt ved sugetransformatoren, eller
  • installere returleder også mellom de to tilkoblingspunktene for sugetransformatoravsnitt.
Figur 3: Prinsippskjema for utforming av hybrid løsning med delvis returleder og delvis retur i kjøreskinner. Røde piler angir veien for returstrøm.

3 Krav

3.1 Plassering og kobling av sugetransformatorer

a) Lengde for sugetransformatoravsnitt: Lengde for et sugetransformatoravsnitt og belastningen på sugetransformatoren skal være tilpasset hverandre.

  1. Vurdering: Vanlig benyttet dimensjonering på 600 A / 55 kW og 800 A / 95 kW kontinuerlig belastning, er tilpasset 3,0 km lange sugetransformatoravsnitt. Ved bruk av lengre avsnitt bør ytelsen økes proporsjonalt med økningen i avsnittslengde.

b) Tilkobling til kontaktledningen: Sugetransformatorer skal tilkobles kontaktledningen i et seksjonsfelt, se Kontaktledning/Prosjektering/Seksjonering.

c) Plassering av sugetransformatorer: Sugetransformatorer skal plasseres slik at primærviklingen ikke vil bli kortsluttet i normal drift.

  1. Utførelse: Sugetransformatorer skal plasseres minst 300 meter fra steder hvor elektrisk traksjonsmateriell kan få stoppsignal.
  2. Utførelse: Sugetransformatorer skal ikke plasseres ved dødseksjoner eller andre steder der de kan bli forbikoblet.

d) Tilkobling til returkretsen: Sekundærviklingen til en sugetransformator skal kobles i serie med en returleder, som er tilkoblet kjøreskinnene en avstand til begge sider fra sugetransformatoren.

  1. Utførelse: Det skal ikke benyttes nullfelt i kjøreskinnene.
  2. Utførelse: Sekundærviklingens midtuttak skal være åpen.

e) Avstand mellom avsnitt for sugetransformatorer: Påfølgende avsnitt mellom sugetransformatorer bør være sammenhengende, der de to avsnittene har felles nedføring til kjøreskinner. Se Figur 2.

  1. Unntak: Ved plattformer og andre begrensede strekninger kan det være et intervall melom to påfølgende avsnitt, der returstrømmen går i kjøreskinner eller andre returledere. Se Figur 3.

3.2 Krav til sugetransformator

a) Omsetningsforhold: Sugetransformatorer skal ha et omsetningsforhold på 1:1.

  1. Utførelse: Eventuelle toleranser bør være slik at sekundærviklingen får lavere strøm enn primærviklingen.

b) Strømføringsevne: Strømføringsevnen til sugetransformatorer bør minst motsvare strømføringsevnen til det tilhørende kontaktledningsanlegget.

  1. Vurdering: Kontaktledningsanlegg med 100 mm2 CuAg kontakttråd og 50 mm2 Bz II bæreline angis konvensjonelt med en kontinuerlig strømføringsevne på 600 A.
  2. Vurdering: Kontaktledningsanlegg med 120 mm2 CuAg kontakttråd og 70 mm2 Bz II bæreline angis konvensjonelt med en kontinuerlig strømføringsevne på 800 A.

c) Kortslutningsimpedans: Kortslutningsimpedansen til sugetransformatorer skal begrenses for å begrense spenningsfallet over en strekning med sugetransformatorer.

  1. Vurdering: Kravet vurderes som oppfylt når den summerte kortslutningsimpedansen for sugetransformatorer over en lengre strekning ikke utgjør mer enn ca. 6 % av strekningens impedans.
  2. Vurdering: Der den summerte kortslutningsimpedansen i sugetransformatorer overstiger ca. 6 % av strekningens impedans bør det gjennomføres en konkret vurdering av strekningens kapasitet.
Kravet innebærer at en sugetransformator med høy kortslutningsimpedans kan kompenseres med andre sugetransformatorer med lavere kortslutningsimpedans. Lange avsnitt for sugetransformatorer vil også bidra til å oppfylle kravet.

d) Oljeoppsamling: Oljeisolerte sugetransformatorer i kiosk på bakken skal utstyres med oljeoppsamling.

e) Sugetransformatorer i tunnel: Oljeisolerte sugetransformatorer som er plassert i tunnel skal benytte brannhemmende olje.

  1. Utførelse: Se også Tunneler/Prosjektering og bygging/Sikkerhetstiltak for krav til brannforebygging i tunneler.

f) Merking: Tilkoblinger for sugetransformatorer skal merkes A og B for primærviklingen, og a-0-b for sekundærviklingen, der '0' er sekundærviklingens midtuttak.

g) Måling: Sugetransformatorer skal installeres slik at det blir mulig å måle strøm gjennom og spenning over sugetransformatorens sekundærvikling.

3.3 Krav til returledere

a) Fremføring: Returleder skal fremføres som luftledning.

  1. Unntak: På steder der det er nødvendig kan returledning fremføres som kabel. Se Felles elektro/Prosjektering og bygging/Kabellegging og kabelkanaler for krav.

b) Dimensjonering og dublering: Returledere skal være dublert med strømføringsevne for full kontaktledningsstrøm i hver av lederne.

  1. Utførelse: Avstand mellom returlederne skal minst være 0,5 meter.

c) Sikkerhetsavstand til returleder: Returleder skal anses som en lavspenningsleder.

  1. Utførelse: Fri høyde over marken skal være minst 4,0 meter.

d) Avstand til ledere som fører kontaktledningsstrøm: Avstand til kontaktledning, forsterkningsleder, eller andre ledere som fører kontaktledningsstrømmen, skal ikke være større enn nødvendig, slik at indusert spenning til parallelle ledere begrenses.

  1. Utførelse: Se Felles elektro/Prosjektering og bygging/Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse for krav til minste avstand.

e) Montasje: Returlederne skal monteres symmetrisk om utliggerens øverste konsoll.

f) Høyde over marken: Returledere som er innspent i kontaktledningsmaster, skal ved høyeste temperatur ikke være lavere enn kontakttråden.

  1. Utførelse: På planoverganger skal returlederens laveste punkt være høyere enn 0,3 m. over kontakttråden.
  2. Utførelse: Avstand fra returleder til signal, lysmast, o.l. skal minst være 0,5 m.

g) Lasteområder: Returleder skal ikke føres over lasteområder.

h) Publikumsområder: Kryss av områder som er tilgjengelige for publikum bør unngås.

i) Mekanisk påkjenning: Returledere i frie spenn skal i ugunstigste belastningstilfelle ikke påkjennes mer enn 50% av de høyeste tillatte påkjenninger for høyspenningsledninger.

j) Materiell: Fester, strømførende forbindelser, og øvrig materiell, skal tilfredsstille gjeldende regler for lavspenningsanlegg.

k) Nedføringer: Nedføringer mellom returledere og kjøreskinner skal ha like stor strømføringsevne som returlederne.

l) Dobbeltspor: Det skal være tverrforbinder mellom de to sporene ved nedføringer mellom returledere og kjøreskinner.

  1. Utførelse: Tverrforbinderen skal ha like stor strømføringsevne som returlederen.

4 Lengde på avsnitt med returledere og sugetransformatorer

Bruk av sugetransformator med returledere har to formål:

  1. begrense indusert spenning i parallelle telekabler, og
  2. begrense potensialet i returkretsen

4.1 Indusert spenning i telekabler

I referanse [2] er det funnet at indusert spenning til telekabler langs jernbanen reduseres til omtrent samme nivå som ved bruk av sugetransformatorer med retur i kjøreskinner. Sugetransformatoren har her effekt over hele strekningen som er dekket av returleder, og i tillegg et stykke (~1,5 km) forbi forbindelsen mellom returlederen og kjøreskinnene. Lengden på et avsnitt med en sugetransformator og tilhørende returledere begrenses av tog som befinner seg på den aktuelle strekningen, der den fulle returstrømmen går i kjøreskinnene mellom toget og nærmeste nedføring fra returlederne.

4.2 Potensial i returkretsen

Ved bruk av returledere har potensialet i kjøreskinnene liten avhengighet med avledningen mellom returkretsen og jordsmonnet. Profilet for returpotensial i Figur 4 er derfor her vist med kun en verdi for avledning gE = 0,1 S/km og lengden for sugetransformatoravsnittene er 6 km. Figuren er beregnet når et tog trekker 100 A rett utenfor en sugetransformator ved km 45.

Figur 5 viser hvordan returpotensialet er ved toget når toget beveger seg langs hele matestrekningen.

Som Figur 5 viser, oppstår det høyeste returpotensialet når toget er ved den sugetransformatoren som er nærmest matestasjonen. I dette tilfellet er det beregnet et maksimalt returpotensial på 11,23 V per 100 A belastningsstrøm, eller 112,3 V per kA. Ved de øvrige sugetransformatorene er potensialet 7,65 V per 100 A belastningsstrøm, eller 76,5 V per kA.

Figur 4: Profil for potensialet i returkretsen ved 6 km. lange avsnitt for sugetransformatorer, og en laststrøm på 100 A.
Figur 5: Potensialet i returkretsen. En belastning på 100 A flytter seg langs linjen.

Tabell 1: Maksimalt potensial i returkreten ved ulik lengde for sugetransformatoravsnitt
Lengde for sugetransformatoravsnitt
[km]
Spenning ved første sugetransformator
[V per 100 A]
Spenning ved andre sugetransformator
[V per 100 A]
2 5,50 4,27
3 7,06 5,12
4 8,71 5,95
5 10,09 6,71
6 11,23 7,67
7 12,18 8,94
8 12,97 10,07
9 13,64 11,08
10 14,21 11,99

4.3 Belastning av sugetransformatorer

Normalt er verken potensialet i returkretsen eller indusert spenning i parallelle telekabler dimensjonerende for hvor langt et sugetransformatoravsnitt kan være. Den faktiske begrensningen ligger heller i belastningen av sugetransformatorene. Ved lang returleder øker spenningen over sugetransformatorens sekundærvikling, og det fører til økt belastning på transformatoren. Ved lange avsnitt må sugetransformatoren være dimensjonert for aktuell belastning.

Beregningene viser at spenningen over sugetransformatoren i praksis er lineært avhengig av lengden til avsnittet med sugetransformator. Ved 3 km. lange sugetransformatoravsnitt og 600 A belastningsstrøm, blir spenningen over sugetransformatorens sekundærvikling 106 V, og belastningen på sugetransformatoren blir 64 kW. Ved økning til 20 km. lange sugetransformatoravsnitt øker spenningen til 697 V, og sugetransformatoren belastes nå med 418 kW. Lengden på et sugetransformatoravsnitt gir derfor en stor konsekvens på dimensjoneringen av hver sugetransformator.

5 Elektrisk kapasitet

Sugetransformatorene påvirker til en viss grad den elektriske kapasiteten. Sugetransformatorer har vært antatt å ha en kortslutningsimpedans på 0,035 Ω med en vinkel på 45°. I tillegg tvinger sugetransformatorene returstrømmen gjennom returlederne, som utgjør en begrenset ledeevne sammenliknet med jordsmonnet. Ved 3 km. sugetransformatoravstand er systemets impedans beregnet til å øke med omtrent 30% sammenliknet med et kontaktledningsanlegg uten sugetransformatorer, og med 19% sammenliknet med sugetransformatorsystem med retur i kjøreskinner.

Med parametre angitt i Lenke: Parametre benyttet i beregninger er anleggets impedans sett fra toget beregnet til å være z = r + j·x:

  • r = 0,203 [Ω/km]
  • x = 0,185 [Ω/km]
  • z = 0,275 [Ω/km]

Impedansen blir noe lavere ved større avstand mellom sugetransformatorene.

I Banestrømforsyning/Prosjektering_og_bygging/Kraftsystem#Kvalitet er det angitt at man kan anta at toget holder sin rute ved kontaktledningsspenning høyere enn 13,5 kV. Hvis dette legges til grunn som en parameter for nye anlegg, og matestasjonen mater ut en fast spenning på 16,5 kV, vil et tog som trekker strøm tilsvarende kontaktledningens kontinuerlige strømføringsevne på 600 A føre til en maksimal lengde for en ensidig matet strekning på ca. 18 km. Med de samme forutsetningene ved tosidig mating vil maksimal lengde på en matestrekning økes 4 ganger, til 72 km.

6 Kostnader

Dette er det mest kostbare systemet med kontaktledning, på grunn av de ekstra returlederne som må installeres i mastene, og på grunn av den lave elektriske kapasiteten, som kan gjøre det nødvendig med kortere avstand mellom matestasjoner. Mulig økning av avstand mellom sugetransformatorer virker i motsatt retning, og kan begrense kostnadene noe.

Det svært begrensede returpotensialet som oppnås med denne utformingen gjør at det potensielt kan innhentes kostnadsbesparelser i utforming av anlegg for jording og utjevning på strekninger som er dekket med sugetransformatorer og returledere.

7 Oppsummering

Ved bruk av kontaktledningsanlegg med returledere oppnår man formålet med lavt returpotensiale og lav indusert spenning i parallelle telekabler i alle praktiske tilfeller.

De største ulempene med utformingen er høye kostnader uten tilhørende økning i kapasitet. Kontaktledningsanlegg med returledere har elektrisk kapasitet for matestrekninger opp til ca. 18 km. ved ensidig mating og 72 km. ved tosidig mating, ved en belastningsstrøm på 600 A.

Utforming med sugetransformatorer og returledere har vært brukt for mange nybyggingsprosjekter fra 1980-tallet og fram til i dag. De aller fleste dobbeltsporstrekninger i landet er bygget med sugetransformatorer og returleder. Framtidig bruk vil være på strekninger der man ikke ser det som lønnsomt å bygge AT-system.

8 Referanser

[1] Sture, P: Lærebok for kontaktledningsingeniører, NSB Baneteknisk kontor, 1993.
[2] Stensby, Ø: Indusert spenning i telekabler, Jernbaneverket Teknologi Elkraft, 2016. Dokumentnr. EK.800412-000
[3] Kießling, Puschmann, Schmieder: Contact Lines for Electric Railways, Siemens, 2001.

9 Parametre benyttet i beregninger

  • Resistivitet for jordsmonn: ρE = 5000 Ω.m
  • Konduktans kjøreskinner-jordsmonn: gE = 0,1 - 2,0 S/km

Tabell 2: Data for ledere ved beregning av ekvivalent impedans
Leder Gjennomsnittlig høyde over terreng [m] Materiale Magnetisk relativ permeabilitet Kordeller Tverrsnittsareal [mm2] Ytre lederdiameter [mm] DC-resistans [Ω/km] Kommentar Kilde
Kontakttråd 5,8 CuAg0,1 1 1 100 12,0 0,178 EN 50149
Bæreline 6,6 BzII / CuMg0,2 1 19 50 9,0 0,448 Materialdata for CuMg0,2 er benyttet EN 50149
Kjørekinner 0,2 Stål 100 1 7686 152,0 0,0338 To kjøreskinner med 1,435 m avstand. Angitte data gjelder separat for hver skinne.
Lederdiameter er beregnet ut ifra omkretsen ved sirkulær leder.
Antatte verdier
Returledere 6,2 og 6,0 Al 1 19 239 20,0 0,118 To like returledere i vertikalt oppheng Nexans "AHF 150"


Data for sugetransformator:

  • Kortslutningsimpedans zk = 0,035 Ω, vinkel 45°
  • Magnetiseringsimpedans zm = 500 kΩ, vinkel 45°