Kontaktledning/Prosjektering og Bygging/Kontaktledningsutforming/Vedlegg/Elutforming-A

Elektrisk utførelse System A: Enkel kontaktledning


1 Hensikt og omfang

Dette kapittelet beskriver den elektriske utførelsen av et enkelt kontaktledningsanlegg uten sugetransformatorer eller autotransformatorer. Kapittelet angir hvilke problemstillinger som oppstår ved bruk av dette systemet, og angir begrensninger i bruk som følge av disse problemstillingene.

Det enkle kontaktledningsanlegget kjennetegnes ved at det ikke brukes sugetransformatorer eller autotransformatorer. Returstrømmen fordeler seg mellom kjøreskinnene og jordsmonnet. Utformingen er i dag i bruk på de fleste korte sidespor, og på to delstrekninger på Bergensbanen.

Oppsummert kan det oppstå høyt potensial i returkretsen og store induserte spenninger i parallelle telekabler ved bruk av denne utformingen, og det vil begrense mulig bruk av systemet. Likevel er systemet egnet på korte strekninger og på strekninger med lav belastning. Der de aktuelle problemstillingene håndteres på andre måter enn ved tiltak i kontaktledningsanlegget, kan denne utformingen også brukes uten brudd på krav til funksjon eller elsikkerhet.

Selv om utformingens relevans er begrenset, gir beskrivelsen av utformingen en forståelse også av andre tilgjengelige elektriske utforminger av kontaktledningsanlegget. For eksempel kan denne elektriske utformingen anses som en grenseverdi av utformingen med sugetransformator og retur i skinner, der avstanden mellom sugetransformatorene blir stor.

Utformingen er betegnet med "System A" 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

Figur 1 viser prinsippskjema for den elektriske utformingen av kontaktledningsanlegget. Returstrømmen går delvis gjennom kjøreskninene, men en del går også gjennom jordsmonnet.

Figur 1: Prinsippskjema. Røde piler angir veien for returstrøm i skinner og i jordsmonn.

3 Elektrisk kapasitet

Den elektriske kapasiteten begrenses av spenningsfall mellom matestasjon og tog. Spenningsfallet er gitt av impedansen toget ser mellom matestasjonen og toget, og strømmen som går gjennom anlegget. Impedansen er her beregnet for normale komponentverdier og oppheng for kontakttråd og bæreline, ved bruk av Carsons formler for spenningsfall i magnetisk koplete ledere med felles retur i jord.

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

  • r = 0,149 [Ω/km]
  • x = 0,150 [Ω/km]
  • z = 0,211 [Ω/km]

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. 30 km. Med de samme forutsetningene ved tosidig mating vil maksimal lengde på en matestrekning økes 4 ganger, til 120 km. Denne kapasiteten er en del større enn tilsvarende kapasitet for systemer med sugetransformatorer.

4 Potensial i returkretsen

Krav til potensial i returkretsen er stilt i Felles_elektro/Prosjektering_og_bygging/Jording_og_utjevning#Potensial_i_returkretsen. Utformingen av kontaktledningssystemet påvirker dette potensialet, og det er derfor interessant å beregne hvor stort potensialet i returkretsen blir.

For å undersøke dette potensialet er det gjort en beregning for en ensidig matet strekning på 120 km med parametrene som er beskrevet i Lenke: Parametre benyttet i beregninger, med en stiv spenning på 16,5 kV ved km. 0 og en belastning på 100 A ved km. 120. Figur 2 viser spenningsprofilet i kjøreskinnene som oppstår i denne situasjonen. Det maksimale skinnepotensialet oppstår ved toget og ved matestasjonen, og blir 39 V i dette tilfellet. For beregningen som er gjort her, er det valgt en ganske konservativ verdi for denne parameteren. Sammenhengene er lineære, og derfor kan det sluttes dette systemet et skinnepotensial på 39 V per 100 A belastning ved de antatte beregningsparametrene.

Som Figur 2 viser, heves potensialet i kjøreskinnene over en stor avstand rundt matestasjonen og belastningen. Der belastningen er nærmere matestasjonen enn dette, lekker ikke like mye strøm ut i jordsmonnet som tilfellet i Figur 2, og potensialstigningen i returkretsen blir da mindre. Som et eksempel på dette er den den samme beregningen som i Figur 2 gjennomført på nytt, men nå med en ensidig matet strekning på kun 6 km. Resultatet er vist i Figur 3. Det maksimale skinnepotensialet er nå redusert til 19 V ved 100 A belastningsstrøm.

Parameteren gE beskriver den konduktive avledningen mellom skinner og jordsmonn. Avledningen til jordsmonn er lavt, fører det til en stor potensialstigning i returkretsen, og hvis avledningen er stor blir potensialstigningen i returkretsen mindre. I Figur 2 og Figur 3 er det vist hvordan returpotensialet varierer med ulike verdier for denne parameteren. Størrelsen på avledningen avhenger av frost, fuktighet og av returkretsens utførelse. I henhold til referanse [3] forventes det at variasjonsintervallet i Norge vil være mellom 0,02 og 2,2 S/km for enkeltspor uten tilknyttede elektroder eller mastefundamenter. På strekninger med betongfundamenter for master kan det forventes et tillegg på minst 0,02 S/km ved svært dårlig avledning mellom fundamenter og jordsmonn. I de fleste tilfeller vil avledningen være en god del større.

Det er gjennomført beregninger med betydelig lavere jordresistans ρE, men det er funnet at påvirkningen på potensialet i returkretsen blir liten.

Oppsummert er potensialet i returkretsen avhengig av matestrekningens lengde, avledning mellom returkretsen og jordsmonn, og belastningsstrømmen.

Figur 2: Profil for skinnepotensial ved ulik avledning mellom skinner og jordsmonn. En ensidig matet matestrekning mates med en fast spenning på 16,5 kV ved km. 0, og belastes med 100 A ved km. 120.
Figur 3: Profil for skinnepotensial ved ulik avledning mellom skinner og jordsmonn. En ensidig matet matestrekning mates med en fast spenning på 16,5 kV ved km. 0, og belastes med 100 A ved km. 6.

5 Indusert spenning i telekabler

I Felles_elektro/Prosjektering_og_bygging/Jording_og_utjevning#Kabler_for_lavspenning.2C_inkludert_tele-_og_signalkabler er det stilt krav til indusert spenning i telekabler. Magnetfeltet som skapes rundt kontaktledningsanlegget når det belastes med strøm, avgjør hvor stor den induserte spenningen i parallelle telekabler blir. Referanse [2] har undersøkt dette forholdet for et enkelt kontaktledningssystem, og funnet at størst indusert spenning oppstår om den påvirkede telekabelen ligger i en avstand på ca. 10 meter fra spormidt. Den induserte spenningen i en uskjermet leder blir da omtrent 40 V per km parallellføring per kA strøm som går i kontaktledningssystemet ( 40 [V/(km·kA)] ).

Telekabler i abonnentnettet kan ha en reduksjonsfaktor opp mot 1, og slike telekabler kan da ikke bli særlig lange før kravet til indusert spenning blir brutt. Ved 600 A belastningsstrøm i kontaktledningen blir maksimal kabellengde ca. 2,5 km før kravet til langvarig overført spenning på 60 V brytes. Langlinjekabler har en reduksjonsfaktor mellom 0,1 og 0,3 avhengig av kabelens utførelse og jording, og med den samme belastningsstrømmen får slike kabler en maksimal lengde for parallellføring mellom 8 og 25 km før kravet blir brutt.

6 Kostnader

På grunn av den begrensede anleggsmengden uten ekstra transformatorer og andre ledere, er dette den klart billigste elektriske utformingen av kontaktlendingsanlegg. For hele kraftsystemet kan likevel andre løsninger totalt sett bli billigere, da dette enkle kontaktledningssystemet fordrer en forholdsvis kort avstand mellom matestasjoner for å oppnå tilstrekkelig høy overføringskapasitet.

7 Oppsummering

Det enkle kontaktledningsanlegget (system A i referanse [1]) har elektrisk kapasitet for matestrekninger opp til ca. 30 km. ved ensidig mating og en belastningsstrøm på 600 A. Merk at man normalt må legge til grunn belastningsstrøm fra flere tog som summerer seg til mer enn dette. Hvorvidt utformingen er akseptabel styres av tilgjengelige berøringsspenninger som følge av potensial i returkretsen og som følge av indusert spenning i parallelle telekabler.

Selv om utformingen gir høy spenning i returkretsen, er det i mange tilfeller mulig å håndtere kravene til tilgjengelig berøringsspenning og indusert spenning i telekabler, ved tiltak i returkretsen og på telekablene, men slike tiltak kan i sum bli kostbare. Et eventuelt valg av andre systemer med dette som begrunnelse er derfor et spørsmål om kostnadsoptimalisering.

Utformingen synes best egnet for korte eller lavt belastede strekninger, for eksempel sidespor og driftsbanegårder. Slike baner får lavest potensial i returkretsen og lavest indusert spenning i parallelle telekabler.

Utformingen er i dag i drift på to delstrekninger på Bergensbanen, i tillegg til et stort antall kortere sidespor.

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 1: 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 12,00 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 0,0338 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