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

Elektrisk utforming System B: Sugetransformatorsystem med retur i kjøreskinner


1 Hensikt og omfang

Dette kapittelet beskriver den elektriske utførelsen av kontaktledningsanlegg med sugetransformatorer og retur i kjøreskinner.

Utførelsen er en videreutvikling av et enkelt kontaktledningssystem, og har til hensikt å begrense potensialet i returkretsen og indusert spenning i parallelle telekabler. De viktigste ulempene er at kostnadene er høyere, og at det blir en stor spenningsforskjell mellom kjøreskinner på hver side av hver sugetransformator. For å håndtere denne spenningsforskjellen etableres et nullfelt, som sikrer at man ikke tilfeldig kan berøre begge sidene av en sugetransformator samtidig.

Prinsipielt kan utformingen forstås som et enkelt kontaktledningsanlegg (Utforming A) på strekningen mellom to sugetransformatorer.

Utformingen er betegnet med "System B" 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

Den viktigste komponenten ved sugetransforamtorsystem med retur i kjøreskinnene, er sugetransformatoren. Funksjonen til en sugetransformator er å sikre lik strøm i transformatorens to viklinger. Der det etableres sugetransformator, etableres det også elektrisk brudd i kontaktledningsanlegget og i returkretsen ved sugetransformatoren, slik at returstrømmen tvinges inn i kjøreskinnene ved hver sugetransformator.

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

3 Krav

3.1 Plassering og kobling av sugetransformator

a) Avstand mellom sugetransformatorer: Innbyrdes avstand mellom sugetransformatorer bør være ca. 3,0 km, og skal være mindre enn 4,0 km.

  1. Unntak: Avstanden kan økes ut over 4,0 km. dersom det dokumenteres at krav til potensial i returkretsen og krav til indusert spenning i parallelle telekabler på den aktuelle strekningen blir oppfylt. Det skal også gjøres vurderinger rundt risiko for havari av en sugetransformator.
Dette er for eksempel aktuelt dersom:
  • det ikke er telekabler på strekningen som får overført spenning fra kontaktledningsanlegget
  • det er stor avledning mellom returkrets og jordsmonn, for eksempel som følge av:
    • bruk av mastefundamenter som har god kontakt med jordsmonnet,
    • bruk av langsgående jordleder forlagt direkte i jord,
    • et stort antall utjevnede konstruksjoner i god kontakt med jord,
    • bruk av dobbeltspor med tverrforbindere mellom sporene.
  • farer ved høyt potensiale i returkretsen er håndtert på aktuell strekning ved andre metoder, se EN 50122-1.

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: Sugetransformatorer skal tilkobles returkretsen ved et nullfelt.

  1. Utførelse: Sekundærviklingens midtuttak kan tilkobles en av kjøreskinnene i nullfeltet.

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) Ytelse: Sugetransformatorers ytelse skal være tilpasset transformatorens belastning.

  1. Vurdering: En ytelse på 55 kW for 600 A sugetransformatorer, og 95 W for 800 A sugetransformatorer, vurderes som tilstrekkelig for intervall mellom sugetransformatorer på inntil 4 km.

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) 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.

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

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

4 Plassering av sugetransformatorer

Bruk av sugetransformator har to formål:

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

4.1 Indusert spenning i parallelle telekabler

For begrensning av indusert spenning i parallelle telekabler, har en sugetransformator effekt i ca. 1,5 km til hver side for sugetransformatoren. For dette formålet kan en sugetransformator installeres der hvor en lang parallellføring med en telekabel blir problematisk. For en telekabel som ligger 10 meter fra spormidt, er det i referanse [2] funnet at indusert spenning til telekabelen reduseres fra ca. 40 til ca. 5 [V/(km*kA)]. Dersom telekabelen ligger nærmere spormidt, er effekten av sugetransformatoren en del mindre: 3 meter fra spormidt reduseres indusert spenning fra ca. 30 til ca. 15 [V/(km*kA)] over omtrent 1,5 km. til hver side for sugetransformatoren.

4.2 Potensial i returkretsen

Figur 2 viser profiler for returpotensial ved ulike avledninger mellom returkrets og jord når et tog trekker 100 A belastningsstrøm. Som figuren viser, blir returpotensialet størst rett ved sugetransformatoren, og 0 midt mellom to sugetransformatorer. Figur 3 viser den maksimale verdien for potensialet i returkretsen ved varierende avstand mellom sugetransformatorene.

Figurene viser at sugetransformatorer gir lavest returpotensiale hvis avstanden mellom sugetransformatorene er kort. Ved høy avledning har sugetransformatorer ingen effekt hvis innbyrdes avstand er større enn ca. 3 km. Ved lavere avledning viser figuren at sugetransforer har effekt opp til ca. 10 km. innbyrdes avstand mellom sugetransformatorene. Der sugetransformatorene har effekt, viser figuren at sugetransformatorene begrenser potensialet i returkretsen til ca. 3,3 V per 100 A per kilometer sugetransformatoravstand.

Sugetransformatorer kan benyttes til å begrense potensialet i returkretsen. Dersom man legger til grunn et konservativt krav om at potensialet i returkretsen som følge av belastningsstrøm skal være mindre enn 65 V, en belastningsstrøm på 600 A, og 3,3 V per 100 A per km sugetransformatoravstadn, så kan man beregne sugetransformatoravstanden som skal til for å sikre at spenningsgrensen ikke overskrides: 65 / (3,3*6) = 3,3 km. Ved kortere sugetransformatoravstand og lavere belastningsstrøm enn dette, vil potensialet i returkretsen alltid være under de angitte 65 V. For vurdering av berøringssikkerhet er det imidlertid tillatt å ta høyde for at personer har på seg sko, og potensialutbredelse i jordsmonnet, slik at grenseverdien i praktiske tilfeller vil være høyere enn de angitte 65 V, og sugetransformatoravstanden kan være større.

Dersom avledningen mellom skinner og jordsmonn er større enn ca. 1,0 S/km (antatt ut ifra Figur 3), har ikke sugetransformatorer noen effekt med tanke på å begrense potensialet i returkretsen. Ved nybygging av kontaktledningsanlegg med nye mastefundamenter med god kontakt med jordsmonnet, vil en høyere avledning enn dette være vanlig.

Figur 2: Profil for potensialet i returkretsen ved 6 km. sugetransformatoravstand og en laststrøm på 100 A, ved ulik avledning gE mellom skinner og jord.


Figur 3: Høyeste potensiale i returkretsen utenfor sugetransformator ved en laststrøm på 100 A som funksjon av avstanden mellom sugetransformatorer, ved ulik avledning gE mellom skinner og jord.

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 et mindre tverrsnitt i jordsmonnet. Ved 3 km. sugetransformatoravstand er systemets impedans beregnet til å øke med omtrent 10% sammenliknet med et anlegg uten sugetransformatorer.

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

  • r = 0,158 [Ω/km]
  • x = 0,169 [Ω/km]
  • z = 0,231 [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. 21 km. Med de samme forutsetningene ved tosidig mating vil maksimal lengde på en matestrekning økes 4 ganger, til 84 km.

Denne elektriske utformingen med retur i kjøreskinnene har historisk vært utført i Norge med en avstand mellom to matestasjoner på i størrelsesorden 80 km.

6 Kostnader

De ekstra sugetransformatorene og den noe svakere elektriske kapasiteten fører til at dette systemet er noe mer kostbart enn et kontaktledningsanlegg uten sugetransformatorer (Utforming A).

7 Oppsummering

Kontaktledningsanlegg med retur i kjøreskinner har elektrisk kapasitet for matestrekninger opp til ca. 21 km. ved ensidig mating og 84 km. ved tosidigmeting, med en belastningsstrøm på 600 A.

Sugetransformatorer kan begrense potensialet i returkretsen. En sugetransformatoravstand mindre enn 3,3 km vil sikre at potensialet i returkretsen er under 65 V ved driftsstrøm på 600 A. Så kort avstand er likevel ikke alltid nødvendig for å oppnå dette. Ved stor avledning mellom returkretsen og jordsmonnet vil bruk av sugetransformatorer ikke ha innvirkning på det maksimale potensialet i returkretsen. Det er heller ikke ubetinget krav om at potensialet i returkretsen skal være så lavt som de 65 V som er benyttet i regneeksempelet.

Sugetransformatorer bidrar også til redusert induksjon i parallelle telekabler, noe som gjør at mulig lengde for langsgående telekabler i ledende materiale kan økes betydelig sammenliknet med systemet uten sugetransformator. En sugetransformator er da effektiv for parallellføringer i omtrent 1,5 km. til hver side av sugetransformatoren. Bruk av sugetransformator til dette formålet velges ut ifra hvorvidt det finnes sårbare telekabler det aktuelle stedet.

I mange tilfeller vil man derfor kunne bruke en større sugetransformatoravstand samtidig som kravene til potensiale i returkretsen og induset spenning i telekabler oppfylles.

Utforming med sugetransformatorer og retur i kjøreskinner er i dag i omfattende bruk på eldre enkeltsporede hovedstrekninger. Utformingen er under utfasing, og vil i framtiden erstattes med 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 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

Data for sugetransformator:

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