Kontaktledning/Prosjektering og Bygging/Elektrisk utforming/Vedlegg/Elutforming-F
Innhold
1 Hensikt og omfang
Dette kapittelet beskriver prinsippet for autotransformatorsystem med enkel negativleder.
AT-systemet er utformet for å doble spenningen i overføringen mellom omformerstasjon og tog fra 15 kV nominelt til 30 kV nominelt. Det øker systemets elektriske kapasitet betydelig sammenliknet med konvensjonell kontaktledning.
2 Anvendelsesbetingelser
TRV:00445
a) Termisk kapasitet: Den termiske kapasiteten (strømføringsevnen) til utformingen begrenses av kontaktledningen og av negativleder. Valg av utformingen skal vurderes opp mot forventet strømbelastning.
TRV:00446
b) Elektrisk kapasitet: Den elektriske kapasiteten (impedansen) til utformingen bestemmes av kontaktledning, negativleder og fysisk avstand mellom ledere. Valg av utformingen skal vurderes opp mot forventet belastning og eventuelle konsekvenser for togenes kjøretid.
TRV:00447
Tofaset drift: AT-ledere skal alltid kobles synkront.
- Utførelse: For elektrisk utforming E skal både positiv- og negativleder for samme spor kobles inn og ut samtidig.
- Utførelse: For elektrisk utforming F skal både negativleder og kontaktledningen for samme spor koples inn og ut samtidig.
3 Beskrivelse
Autotransformatorsystem brukes for å øke den elektriske kapasiteten for en matestrekning slik at man kan kjøre flere tog og tog med større effekt, og samtidig ha større avstand mellom matepunkter, enn det som er mulig med sugetransformatorsystemer.
Prinsippet for AT-system med enkel negativleder er at kontaktledningen og negativleder benyttes til overføring av strøm ved 30 kV over lange avstander, mens autotransformatorene nærmest toget transformerer spenningen ned slik at toget kan ta ut belastning mellom kontaktledningen og returkretsen.
Prinsippet er vist i Figur 1.
Figur 2 viser funksjonsprinsippet for en autotransformator. Den magnetiske koplingen fører til at strømmen blir lik i hver halvdel av viklingen, og at spenningen mellom PL og returuttaket, og mellom NL og returuttaket blir like stor.
Ved konstruksjon søkes det å balansere impedansen i kontaktledningen og negativleder best mulig slik at minst mulig strøm går i kjøreskinnene og jord. Denne utbalanseringen blir ikke perfekt, og med dette systemet går derfor en del av returstrømmen i kjøreskinnene og i jord. Det er ingen krav til maksimal strøm i kjøreskinner og jord, men slik strøm assosieres med høy indusert spenning til parallelle telekabler.
Avstanden mellom negativleder og kontaktledningen gir betydning for impedansen i systemet og for strømmen i kjøreskinnene og i jord. Systemteknisk er det alltid mest fordelaktig å ha negativleder i kortest mulig avstand fra kontakttråden. Ved oppheng på utsiden av kontaktledningsmaster antas det at negativleder får en horisontal avstand på 3,5 meter fra kontakttråden, og en gjennomsnittshøyde på 6,0 meter over marken. I tunneler kan denne avstanden reduseres til under en meter direkte målt avstand, og det reduserer både systemets impedans (spesielt reaktansen) og strømmen i skinner og i jord. Typisk kan impedansen reduseres med mellom 5 og 10% sammenliknet med verdiene vist i påfølgende kapitler, mens strømmen i jord kan reduseres med rundt 20%.
4 Utførelse og krav
4.1 Ledergeometri
Se Kontaktledning, Prosjektering og bygging, Andre elektriske ledere for krav til ledningsføring for NL.
Figur 3 og Figur 4 viser normalt profil på fri linje for hhv. enkeltspor og dobbeltspor. Plasseringen av NL er valgt slik at NL ikke skal synke under kontakttråd ved masteavstand på 75 meter og minimal temperatur på -40°C. Det er da beregnet en maksimal pilhøyde på 2 400 mm ved driftstemperatur på 80°C. I dette tilfellet blir minste innfestingshøyde for NL 2 400 mm over kontakttrådhøyden.
Plasseringen av NL må tilpasses stedlige betingelser, slik at NL for eksempel plasseres nærmere kl i tunneler, føres på åk over stasjonsområder, etc. Andre plasseringer av NL påvirker impedansen i systemet. Generelt reduseres impedansen ved plassering nærmere kl, mens plassering i større avstand fra kl øker impedansen.
TRV:00448
a) Høyde for NL: For å sikre tilstrekkelig avstand til bakken skal NL ved største pilhøyde ikke være lavere enn kontakttråden.
TRV:08226
Luftledninger montert på travers: For luftledninger som monteres på travers skal isolatorene festes på traversens underside.
- Utførelse: Støtteisolatorer med fire-bolts innfesting kan benyttes på traversens underside.
- Utførelse: Hengekjeder kan benyttes på traversens underside.
4.2 Tilrettelegging for jording av NL
TRV:00449
a) Master: Alle kontaktledningsmaster skal være utført med hull for innfesting av jordingskuler som angitt på mastetegning slik at PL og NL kan jordes til masta med portabelt jordingsapparat med bruk av betjeningsstang.
TRV:00450
b) Etablering av jordingskuler og -kroker: Utvalgte kontaktledningsmaster skal utstyres med jordingskuler og -kroker slik at NL kan jordes til masta på en måte som er hensiktsmessig for hver strekning.
4.3 Føring av NL gjennom tunneler og forbi tvangspunkter
Se Felles elektro, Prosjektering og bygging, Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse for krav til direkte avstander til konstruksjoner og deler nær jernbanen.
Normal lederplassering kan ofte ikke brukes forbi tvangspunkter som tunneler, kulverter, snøoverbygg, skjæringer og overgangsbruer. En del muligheter for å framføre NL forbi slike punkter er listet opp under. Løsningene må prosjekteres og tilpasses det enkelte tilfellet.
- Innfesting i konstruksjon over jernbanen
- Innfesting i åk over sporene - tilstrekkelig høyde må sikres
- Innfesting i travers inn over sporet og kontaktledningen - tilstrekkelig høyde må sikres
- Føring av PL og NL utenom tvangspunkter på egne masterekker eller i fellesføring med andre kraftlinjer kan benyttes
- NL kan kables - men kabling er generelt uhensiktsmessig fordi:
- Kabling er kostbart - i tillegg til kabelkostnaden omfatter det føringsvei og lynbeskyttelse av kabelen
- Kabler har stor kapasitans - det reduserer matestrekningens elektriske resonansfrekvens og øker sannsynligheten for at resonansen eksiteres, med økt slitsje og havari av komponenter som mulig konsekvens
For noen av løsningene over vil det være nødvendig med lavere pilhøyde enn det som planlegges normalt. Løsninger for å oppnå det er:
- Lav avstand mellom innfestingspunkter gir lav pilhøyde
- Alternative innspenningsmetoder (fjæravspenning, loddavspenning) gir lavere pilhøyde
- Stive skinneføringer kan brukes for å unngå pilhøyde
4.4 Valg av ledertype for NL
Valg av ledertype for negativleder er avhengig av ledertyper for kontakttråd og bæreline. Kombinasjonen av ledertyper for kontakttråd, bæreline og negativleder gir konsekvens for systemets impedans , strømføringsevne og jordstrøm. Stor jordstrøm assosieres med stor induktivt overført spenning til parallelle teleanlegg.
I Norge i dag brukes følgende kombinasjoner av kontakttråd og bæreline:
- Kontakttråd 120 mm2 CuAg0,1, og bæreline 70 mm2 BzII (Mekanisk utforming S25)
- Kontakttråd 100 mm2 CuAg0,1, og bæreline 50 mm2 BzII (Øvrige mekaniske utforminger med kontakttråd og bæreline)
Tabell 1 viser aktuelle ledertyper for ulike kombinasjoner av kontaktledning og negativleder, med tilhørende beregnet impedans for enkeltspor og dobbeltspor og beregnet strømføringsevne for hvert spor. Impedansen er beregnet for normalkonfigurasjon av ledere som vist i Figur 3 og Figur 4.
TRV:00451
a) Valg av ledertype for NL: Ved behov kan også andre ledertyper enn de som er angitt i Tabell 1 benyttes. Dette er spesielt relevant ved tvangspunkter med særlige krav til ledningsføring og pilhøyde.
Kontaktledning | Ledertype for NL | Kontinuerlig strømførings-evne per spor, ref 15 kV [A] | Enkeltspor | Dobbeltspor | Kommentar til NL | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Impedans z [Ω/km] | Resistans r [Ω/km] | Reaktans x [Ω/km] | Gj.sn. jordstrøm [% av belastnings-strøm] | Impedans z [Ω/km] | Resistans r [Ω/km] | Reaktans x [Ω/km] | Gj.sn. jordstrøm [% av belastnings-strøm] | ||||
Kontakttråd: 100 mm2 CuAg0,1 Bæreline 50 mm2 BzII |
212-AL1 | 1 333 | 0,0923 | 0,0705 | 0,0596 | 1,69 | 0,0474 | 0,0356 | 0,0312 | 0,83 | Vanlig langsgående jord-, retur-, positiv- og negativleder i Sverige for innfesting i master. |
239-AL1 | 1 438 | 0,0895 | 0,0671 | 0,0593 | 2,25 | 0,0460 | 0,0340 | 0,0310 | 1,24 | Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge) | |
243-AL1 | 1 450 | 0,0892 | 0,0668 | 0,0591 | 2,27 | 0,0458 | 0,0338 | 0,0309 | 1,27 | Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland) | |
279-AL1 | 1 588 | 0,0867 | 0,0631 | 0,0594 | 3,12 | 0,0445 | 0,0320 | 0,0310 | 1,81 | Fra EN 50182:2001, tabell F.28 (Mye brukt i Spania) | |
294-AL1 | 1 642 | 0,0859 | 0,0619 | 0,0595 | 3,42 | 0,0441 | 0,0314 | 0,0310 | 2,00 | Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge) | |
299-AL1 | 1 678 | 0,0856 | 0,0616 | 0,0595 | 3,50 | 0,0440 | 0,0312 | 0,0310 | 2,05 | Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland) | |
Kontakttråd: 120 mm2 CuAg0,1 Bæreline 70 mm2 BzII |
239-AL1 | 1 438 | 0,0829 | 0,0598 | 0,0574 | 1,88 | 0,0427 | 0,0303 | 0,0302 | 0,54 | Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge) |
243-AL1 | 1 450 | 0,0826 | 0,0596 | 0,0572 | 1,83 | 0,0426 | 0,0302 | 0,0300 | 0,55 | Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland) | |
279-AL1 | 1 588 | 0,0802 | 0,0561 | 0,0573 | 2,05 | 0,0414 | 0,0284 | 0,0300 | 0,89 | Fra EN 50182:2001, tabell F.28 (Mye brukt i Spania) | |
294-AL1 | 1 642 | 0,0794 | 0,0550 | 0,0573 | 2,22 | 0,0410 | 0,0279 | 0,0300 | 1,04 | Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge) | |
299-AL1 | 1 659 | 0,0791 | 0,0546 | 0,0572 | 2,27 | 0,0408 | 0,0277 | 0,0300 | 1,08 | Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland) | |
381-AL1 | 1 937 | 0,0761 | 0,0499 | 0,0574 | 3,32 | 0,0394 | 0,0253 | 0,0300 | 1,80 | Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge) | |
400-AL1 | 1 969 | 0,0755 | 0,0491 | 0,0574 | 3,51 | 0,0390 | 0,0249 | 0,0300 | 1,92 | Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland) | |
Merknader | Merknad 1: Angitt strømføringsevne er for den av negativleder eller kontaktledning som er mest begrensende. Strømføringsevnen er beregnet ut ifra følgende omgivelsesbetingelser:
Merknad 2: Jordstrømmen er beregnet ut ifra følgende forutsetninger:
Merknad 3: Av regnetekniske årsaker er beregning med 212-AL1 gjort med 20 cm økt horisontal avstand mellom NL og spormidt. |
Det er gjort en eksempelberegning med dobbeltspor, AC-120 CuAg0,1 kontakttråd, 70 mm2 BzII bæreline og 294-AL1 negativleder, som antyder at:
- plassering av negativleder i en meter avstand fra kontakttråd (tenkt tilfelle for innfesting i tunneltak) reduserer impedansen med omtrent 10%, og
- plassering av negativleder på bakkenivå (tenkt tilfelle for kabling) øker impedansen med omtrent 10%
4.5 Autotransformatorer
Se Kontaktledning, Prosjektering og bygging, Komponenter, Transformatorer for krav til autotransformatoren og til montasje.
TRV:00452
a) Dobbeltspor: Dersom valgt koblingskonsept tillater det, kan det benyttes felles autotransformator for flere parallelle spor.
5 Potensial i returkretsen
Potensialet mellom returkretsen og jord avhenger av avstanden mellom autotransformatorene, avledningen mellom returkretsen og jord, serieimpedansen for returkretsen (skinner og eventuelle retur/jordledere) og av belastningsstrømmen. Valg av ledertyper og oppheng/geometri for kontaktledning og negativleder har liten påvirkning på potensialet i returkretsen.
Figur 5 viser skinnepotensialet ved togets posisjon for ulike avledninger mellom returkretsen og jord, når toget kjører langs en 120 km lang matestrekning med 10 km mellom hver autotransformator, og trekker konstant strøm på 1000 A.
Figur 6 viser profilen for skinnepotensialet langs en hel matestrekning når toget befinner seg midt mellom to autotransformatorer.
Tabell 2 viser maksimalverdien for kurvene ved normal drift for ulik avledning og ulik avstand mellom autotransformatorene, for enkeltspor og for dobbeltspor. Tabell 3 viser tilsvarende verdier for kortslutning. Verdiene for normal drift og for kortslutning er beregnet med ulik skinneimpedans, fordi den indre impedansen i ei skinne er ulineæart avhengig av strømmen i skinna.
Normal drift | AT-avstand [km] |
Maksimal spenning gE = 0,1 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 0,2 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 0,5 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 1,0 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 2,0 S/km [V/kA] |
---|---|---|---|---|---|---|
Enkeltspor | 5 | 154 | 139 | 115 | 95 | 73 |
10 | 231 | 196 | 145 | 111 | 81 | |
15 | 282 | 226 | 159 | 114 | 80 | |
20 | 313 | 242 | 161 | 113 | 81 | |
Dobbeltspor | 5 | 91 | 81 | 68 | 55 | 42 |
10 | 131 | 112 | 84 | 64 | 48 | |
15 | 159 | 129 | 92 | 68 | 48 | |
20 | 178 | 140 | 96 | 68 | 48 |
Kortslutning | AT-avstand [km] |
Maksimal spenning gE = 0,1 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 0,2 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 0,5 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 1,0 S/km [V/kA] |
Maksimal spenning gE = 2,0 S/km [V/kA] |
---|---|---|---|---|---|---|
Enkeltspor | 5 | 182 | 164 | 136 | 111 | 85 |
10 | 272 | 231 | 167 | 129 | 93 | |
15 | 331 | 264 | 184 | 132 | 93 | |
20 | 366 | 281 | 187 | 131 | 93 | |
Dobbeltspor | 5 | 109 | 97 | 81 | 66 | 51 |
10 | 158 | 135 | 100 | 76 | 57 | |
15 | 191 | 155 | 110 | 81 | 57 | |
20 | 213 | 167 | 114 | 80 | 57 |
Merknad til tabellene: Avledningen gE er den summerte avledningen for begge sporene. Som utgangspunkt vil man anta at dobbeltspor har dobbelt så stor avledning som et tilsvarende enkeltspor. Beregningene for dobbeltspor er gjort med sammenkopling av kontaktledning og negativleder for de to sporene ved hver autotransformator.
6 Indusert spenning
Den induserte spenningen i en telekabel er tilgjengelig i kabelenden ved at skjermen er jordet på stedet mens det er indusert spenning i signallederne. Aktuelle kabler som kan bli utsatt for indusert spenning er telekabler i to utførelser: Langlinjekabler og kabler i aksessnettet.
For langlinjekabler som går parallelt med jernbanen over lengre strekninger har man liten mulighet til å hindre at spenningen i slignallederne antar nivåer over grenseverdiene. Dette er Bane NOR sine egne kabler, og det må finnes særskilte sikkerhetsrutiner for arbeid på slike kabler. Fordi langlinjekabler med metalliske ledere i økende grad blir erstattet med fiberkabler, er indusert spenning til langlinjekabler en utgående problemstilling.
Kabler i aksessnettet går parallelt med jernbanen over kortere strekninger, men stor indusert spenning i disse kablene vil medføre større fare for tilfeldig berøring, fordi spenningen kan være ført fram til apparater for tredjeperson uten spesiell beskyttelse. Slike kabler har heller ikke nødvendigvis noen god reduksjonsfaktor. Sikkerhetskrav til indusert spenning i slike kabler må derfor overholdes. Kravene er gitt i "Forskrift om elsikkerhet i elektronisk kommunikasjonsnett", og er kort gjenfortalt 60 V ved normal drift og 1030 V ved kortslutning.
Figur 7 viser profil for indusert spenning i en uskjermet leder som er forlagt hhv. 3 og 12 meter fra spormidt langs en 120 km lang enkeltsporet strekning med 10 km avstand mellom autotransformatorer, på den siden av sporet som gir størst indusert spenning. Dette er en konservativ betraktning - når kl-master veksler hvilken side av sporet de står på vil det endrede magnetiske feltbildet føre til lavere total induksjon enn den beregnete.
Den induserte spenningen i en kortere leder er forskjellen mellom spenningen i to punkter i Figur 7. Den maksimalt induserte spenningen i en uskjermet telekabel som ligger parallelt med jernbanen på det mest ugunstige stedet er beregnet, og basert på beregningene er Tabell 4 utarbeidet som et konservativt anslag på indusert spenning til en uskjermet parallell telekabel i verste posisjon.
Mulige tiltak ved høy indusert spenning for en telekabel:
- God skjerming og jording av kabelen
- Oppdeling av kabelen med galvanisk skille for lange ledere (skilletransformator eller optokopler)
- Føring i større avstand fra jernbanetraseen
- Forbruker kan beskyttes mot høy spenning ved bruk av skilletransformator i kabelinntaket
- Tettere plassering av autotransformatorer
- Etablering av langsgående jordleder for returkretsen
Ved enkeltspor er det verste tilfellet når alle mastene står på samme side av sporet over hele parallellføringen. Der mastene står på ulik side av sporet for ulike deler av parallellføringen, blir overført spenning til telekabelen redusert fordi magnetfeltet som kabelen utsettes for har ulik retning. I beregningene under er det forutsatt at hele kabelen utsettes for et magnetfelt i samme retning.
Indusert spenning [V/(km·kA)] | ||||
---|---|---|---|---|
AT-avstand → | 5 km | 10 km | 15 km | 20 km |
Enkeltspor | 14 | 22 | 28 | 31 |
Dobbeltspor | 7,3 | 13 | 18 | 20 |
Merknader: |
|