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

Elektrisk utførelse System E: Autotransformatorsystem med PL, NL og seksjonert kl


1 Hensikt og omfang

Dette kapittelet beskriver autotransformatorsystem med positivleder, negativleder og seksjonert kontaktledning, (Kortform: AT-system med PL, NL og seksjonert kl).

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.

2 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 PL, NL og seksjonert kl er at PL og NL benyttes til balansert overføring av strøm ved 30 kV over lange avstander, mens autotransformatorene nærmest toget transformerer spenningen ned slik at toget kan belaste mellom kontaktledning og returkrets. Prinsippet er vist i Figur 1.

Figur 1: Prinsippskjema for utforming med AT-system med PL, NL og seksjonert kl. Røde piler angir veien for returstrøm.

De røde pilene viser returstrømveiene, der heltrukne streker er ledningsbåren strøm og stiplede linjer viser strømmer i jord. Spesielt har konfigurasjon av lederne betydning for induksjon i metalliske ledere parallelt med og nært jernbanen, mens strømmer i jord har betydning for induksjon i parallelle ledere fjernt fra jernbanen. Ved å seksjonere kontaktledningen oppnår man minimal indusert spenning til telekabler.

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.

Figur 2: Autotransformator. Magnetiseringsimpedansen zm er svært stor slik at strømmen Im i de fleste sammenhenger er neglisjerbar.

3 Potensial i returkretsen

Potensialet mellom returkretsen og jord for strekninger med Elutforming E avhenger i første rekke av avstanden mellom autotransformatorene og avledningen mellom returkrets og jord. Avledningen mellom returkrets og jord domineres av avledning via mastefundamenter og konstruksjoner som ligger i kontakt med jordsmonn, og av eventuelle langsgående jordledere forlagt i direkte kontakt med jordsmonnet.

Figur 3 viser spenningsprofil ved 10 km AT-avstand med 1 kA belastningsstrøm fra et tog. Potensialet i returkretsen er størst der hvor belastningen befinner seg, og det faller kraftig fram til nærmeste autotransformator.

Figur 4 viser tilsvarende spenning ved togets posisjon mens toget kjører langs en matestrekning. Figuren viser at for de nærmeste 10 - 20 % av strekningen fram til neste autotransformator blir spenningen i returkretsen betydelig lavere enn maksimalverdien. Ut ifra de gjennomførte beregningene synes returpotensialet fram til nærmeste seksjonering i kontaktledningen å være begrenset til 50 - 70 % av maksimalverdiene ved de laveste verdiene for avledning mellom returkrets og jord.

Maksimalverdien for spenningen i returkretsen vist i Figur 3 og Figur 4 øker med økende avstand mellom autotransformatorer. Tabell 1 og Tabell 2 angir beregnet maksimalverdi for disse kurvene ved drift og kortslutning og ulike avstander mellom autotransformatorer.

Figur 3: Profil for spenningen i returkretsen ved belastningsstrøm 1 kA ved km 65. Avstanden mellom autotransformatorene er 10 km.
Figur 4: Spenningen i returkretsen ved togets posisjon når toget kjører langs linja og trekker 1 kA. Avstanden mellom autotransformatorene er 10 km.

Tabell 1: Maksimal spenning i returkretsen ved normal drift med varierende avledning og varierende avstand mellom autotransformatorer
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 5 162,8 146,4 123,9 101,0 78,5
10 247,5 210,2 156,2 120,4 88,5
15 301,6 242,8 172,8 124,8 85,0
20 336,4 262,2 176,9 121,0 83,4
Dobbeltspor 5 92,6 84,5 73,3 61,3 48,5
10 145,0 126,1 96,3 75,0 56,8
15 181,6 149,3 107,9 80,3 54,9
20 206,2 163,8 113,5 78,3 53,2

Tabell 2: Maksimal spenning i returkretsen under kortslutning ved varierende avledning og varierende avstand mellom autotransformatorer
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 5 179,7 161,8 136,5 110,9 86,1
10 273,9 231,8 171,5 132,1 96,4
15 332,8 266,9 189,3 135,7 92,3
20 370,2 287,2 192,6 131,4 90,8
Dobbeltspor 5 108,3 98,9 85,3 71,2 56,3
10 169,6 146,9 111,6 86,4 64,9
15 211,4 172,9 123,9 91,8 63,1
20 238,9 188,8 139,8 89,8 61,5

4 Indusert spenning i parallelle telekabler

Forskrift om elsikkerhet i elektronisk kommunikasjonsnett setter krav til maksimalt overført spenning til telekabler. Kort oppsummert er kravet til overført spenning maksimalt 60 V kontinuerlig, og 1030 V under kortslutning.

Overført spenning til telekabler opptrer i hovedsak som følge av induktiv kopling mellom kontaktledningsanlegget og telekabler som ligger parallelt med jernbanetraseen over lengre strekninger. I eldre anlegg ble kabler forlagt i kabelkanal eller i jord ca. 12 meter til siden for spormidt, mens kablene i nyere anlegg er forlagt i kabelkanal ca. 3 meter fra spormidt.

Telekabler som går parallelt med jernbanen omfatter langlinjekabler og (langlinje-)kabler i offentlig aksessnett (Telenor).

Langlinjekabler er kabler for overføring av telesignaler over lange strekninger, og er utført med skjerm med god reduksjonsfaktor (0,1-0,3). Med de kabellengder som finnes i dag, vil kravene til overført spenning gitt i Forskrift om elsikkerhet i elektronisk kommunikasjonsnett i flere tilfeller ikke overholdes. Kablene er i seg selv konstruert slik at de ikke blir skadet av slike overspenninger, og kravene er derfor kun begrunnet med elsikkerhet. Fordi det ikke kan sikres at kravene overholdes for de lengste av disse kablene, er det viktig at det finnes rutiner for sikkert arbeid med slike kabler. Slike kabler erstattes i økende grad med fiberoptiske kabler ved nybygging og fornyelse. Overført spenning til langlinjekabler med metalliske komponenter er derfor en utgående problemstilling.

Dette gjelder Bane NORs egne langsgående tele og signalkabler som har lang parallell føring. Disse er ikke tilgjengelige før det utføres fysisk arbeid på disse og det er derfor vi trenger rutiner som sikrer at montører ikke utsettes for fare. Nye anlegg vil i hovedsak utføres med fiberkabel og problemet er ikke tilstede. Kortere AT avstand fører ikke til at forskriftens krav overholdes, men spenningen reduseres.

Kabler i offentlig aksessnett er kabler fra en telesentral og fram til abonnenter. Referanse [1] fra 1979 angir at 99-persentil av lengden til slike kabler for hele landet er 5,4 km, og ved spredt bebyggelse 6,1 km. 90-persentil er knappe 2 km kortere for begge kategorier.

Telenettet har imidlertid gjennomgått en stor endring de siste årene. Det er vanskelig å komme med gode estimater på dagens persentilverdier, men følgende trekk forteller sitt:

  • antallet sentraler (med terminering av abonnentlinje) økte med 28 % i tiden fra 1981 til 2005 og har siden hatt en svak vekst (generell reduksjon av linjelengder)
  • antall abonnementer for telefoni (ISDN inkludert) med kobberkabel er redusert med 30 % siden 1974 (færre abonnentlinjer)
  • årlig reduksjon av abonnement med telefoni/ISDN er nå 15 %
  • antall abonnementer på IP-telefoni er i dag like stort som for analog telefoni, pluss ISDN
  • antall abonnementer tilknyttet med optisk fiber er i dag i samme størrelsesorden (mange kan ha IP-telefoni på optisk fiber, kabel-TV eller ADSL/VDSL)
  • årlig vekst i antall abonnement med optisk fiber er nå 17 % (kringkasting, internett og/eller annen telekommunikasjon)
  • årlig reduksjon i antall abonnement med xDSL (ADSL/VDSL etc.) er nå 7 %
  • teknisk løsning med ADSL/VDSL (og uten telefoni/ISDN) på kobberkabel er uten overføring av likestrøm. Det samme er tilfellet hos kunder av kabel-TV
  • summert opp:
    • stor økning i tjenesteyting,
    • sterk reduksjon i antall abonnentlinjer på kobberkabel,
    • generelt kortere abonnentlinjer på kobberkabel.

Fra tidligere tider er det flere utsatte kabler som er forlagt i jernbanens kabelkanal eller parallelt med jernbanetraseen. Indusert spenning i slike kabler kan lett bli tilgjengelig hos sluttkunde. Hvor stor spenning som induseres i en slik kabel er blant annet avhengig av følgende forhold, se Tabell 3.

Tabell 3: Parametre som påvirker indusert spenning i parallell kabel
Parameter Symbol Enhet Behandling
Induserende lengde for parallellføring mellom kabel og jernbanetrase Xind km Beregninger i dette avsnittet viser hvordan maksimal indusert spenning varierer med induserende lengde. Beregningene er gjort for en kabel som er forlagt på den delen av en matestrekning som gir størst indusert spenning. Det vil si at beregningene er gjort i verste tilfelle.
Avstand mellom kabel og spormidt ved parallellføringen Dkabel m Beregninger i dette avsnittet er gjort ved 3 og 12 meters avstand fra spormidt.
Avstand mellom autotransformatorer LAT km Beregninger i dette avsnittet er gjort med AT-avstander mellom 5 og 20 km.
Antall spor - - Beregninger i dette avsnittet er gjort for enkeltspor og for dobbeltspor
Posisjon for tog og matestasjon - - Beregninger i dette avsnittet er gjort med belastning langt fra matestasjon, i den delen av et AT-vindu som gir størst indusert spenning.
Avledning mellom skinner og jord gE S/km Verste tilfelle for indusert spenning er ved stor avledning mellom skinner og jord. For å begrense antall beregninger, er beregninger i dette avsnittet kun gjort konservativt ved 2,0 S/km.

Figur 5 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.

Figur 5: Profil for indusert spenning i parallell uskjermet kabel ved belastningsstrøm 1 kA ved km. 107,5 ved forlegning 3 og 12 meter fra spormidt.

Den induserte spenningen i en kabel som ligger på en del av denne strekningen, er forskjellen i spenning mellom de to punktene i dette profilet ved hver ende av kabelen. For en 5 km lang parallell kabel er den maksimalt induserte spenningen ved 1000 A belastningsstrøm beregnet til 57,5 V ved forlegning 3 meter fra spormidt, og 77,6 V ved forlegning 12 meter fra spormidt.

Figur 6 viser den maksimalt induserte spenningen i en kabel forlagt parallelt med jernbanetraseen, beregnet ut ifra kurvene vist i Figur 5. Forlegning i avstand på 3 og 12 meter fra spormidt er valgt fordi disse avstandene er vanlige å finne i praksis. Det er også gjort beregninger ved andre avstander, som viser at ca. 12 meter gir den høyeste induserte spenningen, og at spenningen derfra synker ved økende avstander. Ved forlegning i 100 meter avstand oppnås omtrent samme indusert spenning som ved forlegning i 3 meter avstand.

Tabell 4 og Tabell 5 viser tallverdier for kurvene i Figur 6 ved ulike avstander mellom autotransformatorene, for hhv. enkeltspor og dobbeltspor. For å finne verdier mellom angitte tallverdier kan de angitte formlene for kurvetilpasning benyttes, eller det kan interpoleres lineært i tabellene.

Figur 6: Maksimal indusert spenning i kabel som funksjon av lengde for parallellføring, ved forlegning 3 og 12 meter fra spormidt

Tabell 4: Beregnet maksimal indusert spenning til telekabel per kA belastningsstrøm, som funksjon av telekabelens lengde. Den induserte spenningen synker igjen under verdien for forlegning 3 meter fra spormidt når forlegningen er over ca. 100 meter fra spormidt. Enkeltspor.
Enkeltspor AT-avstand 5 km AT-avstand 10 km AT-avstand 15 km AT-avstand 20 km
Induserende lengde Xind
[km]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
0,0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,5 7,2 5,6 8,1 8,6 8,9 8,8 12,4 12,6
1,0 13,0 11,1 14,5 17,0 19,4 19,4 20,2 20,9
1,5 15,9 16,2 18,5 25,4 25,9 27,3 31,0 33,0
2,0 18,2 21,3 24,3 33,5 31,2 35,4 37,5 40,7
2,5 21,0 26,3 29,7 41,4 37,3 46,0 46,1 51,7
3,0 23,3 30,8 35,4 48,9 42,8 53,9 50,7 58,4
3,5 25,0 35,6 41,6 56,0 48,7 61,6 56,9 67,6
4,0 26,5 40,0 47,4 63,6 56,9 71,7 61,6 72,9
4,5 28,5 43,8 52,8 70,9 63,2 79,1 69,2 81,9
5,0 31,2 47,1 57,5 77,6 69,5 86,8 74,2 88,7
5,5 34,3 50,1 61,5 83,7 77,7 97,3 82,2 98,9
6,0 38,2 52,6 64,6 89,0 83,7 104,9 87,7 105,5
6,5 41,9 54,8 68,4 94,1 89,4 112,3 96,0 116,3
7,0 45,1 56,8 73,0 98,8 96,6 121,6 101,5 123,5
Kurvetilpasning
Uind=A · X2ind+B · Xind
A = -0,40
B = 8,8
A = -0,55
B = 12,1
A = -0,43
B = 13,4
A = -0,54
B = 18,1
A = -0,27
B = 15,5
A = -0,15
B = 18,4
A = -0,69
B = 18,9
A = -0,50
B = 20,9


Tabell 5: Beregnet maksimal indusert spenning til telekabel per kA belastningsstrøm, som funksjon av telekabelens lengde. Den induserte spenningen synker igjen under verdien for forlegning 3 meter fra spormidt når forlegningen er over ca. 100 meter fra spormidt. Dobbeltspor.
Dobbeltspor AT-avstand 5 km AT-avstand 10 km AT-avstand 15 km AT-avstand 20 km
Induserende lengde Xind
[km]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
3 m fra spormidt
[U/kA]
Indusert spenning Uind
12 m fra spormidt
[U/kA]
0,0 0 0 0 0 0 0 0 0
0,5 3,7 4,8 6,1 7,1 6,1 7,5 9,7 11,6
1,0 7,3 9,6 12,1 14,1 14,2 17,5 16,1 19,3
1,5 10,6 14,2 18,0 21,0 20,2 24,7 25,5 30,5
2,0 14,0 18,5 23,8 27,7 26,2 31,7 31,5 37,8
2,5 17,1 22,1 29,3 34,3 34,0 40,4 40,0 48,4
3,0 19,9 25,3 34,5 40,6 39,8 46,4 45,3 55,0
3,5 22,7 28,1 39,4 46,6 45,4 51,9 52,5 64,4
4,0 25,4 30,5 43,9 52,2 52,7 60,2 56,7 70,2
4,5 27,8 32,6 48,8 57,5 57,9 66,3 62,8 78,0
5,0 29,8 34,4 53,4 62,3 63,0 72,3 66,7 82,5
5,5 31,5 36,0 57,4 66,3 69,4 79,9 73,7 88,1
6,0 33,0 37,3 61,1 69,6 74,6 85,4 78,6 91,1
6,5 34,2 38,5 64,7 72,5 79,8 90,7 85,6 97,5
7,0 35,2 39,4 67,7 74,9 86,3 97,1 90,1 102,9
Kurvetilpasning
Uind=A · X2ind+B · Xind
A = -0,43
B = 8,1
A = -0,69
B = 10,4
A = -0,46
B = 12,9
A = -0,76
B = 16,3
A = -0,26
B = 14,1
A = -0,39
B = 16,5
A = -0,50
B = 16,0
A = -1,00
B = 21,6

5 Elektrisk kapasitet

Impedansen over lang avstand sett fra et tog er beregnet til å være z = r + j·x for aktuelle linetyper for PL og NL:

Tabell 6: Impedans for AT-system med PL, NL og seksjonert kl
Linetype PL og NL z [Ω/km] r [Ω/km] x [Ω/km]
240 mm2 Al 0,0799 0,0601 0,0526
400 mm2 Al 0,0628 0,0381 0,0500

Ved bruk av 400 mm2 aluminiumsliner er impedansen ca. 1/4 av impedansen for et sugetransformatorsystem med returledere. Med lik belastning for en linje kunne strekningen da ha vært 4 ganger lengre eller så kunne belastningen på linjen være 4 ganger større. I praksis vil man legge til rette for en kombinasjon av dette: både større belastning og lengre matestrekninger.

I Lenke: 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 600 A føre til en maksimal lengde for en ensidig matet strekning på ca. 115 km. Med den samme forutsetningen ved tosidig mating vil maksimal lengde på en matestrekning økes 4 ganger, til 460 km. Imidlertid vil det som regel være flere tog som trekker strøm på en så lang strekning. Det planlegges også å utnytte den økte kapasiteten til å trekke tyngre tog med større belastning. Ved så store avstander vil også andre forhold enn spenningsfall få betydning i vurderingene, spesielt sårbarhet i forsyningen til togene. Praktisk avstand mellom matestasjoner vil derfor være mye mindre enn de angitte 460 km.

6 Parametre benyttet i beregninger

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

Tabell 7: Data for ledere ved beregning av ekvivalent impedans
Leder Høyde over terreng [m] Materiale Kordeller Tverrsnitt [mm2] Ytre diameter [mm] DC-resistans [Ω/km] Kommentar Kilde
Kontakttråd 5,8 CuAg0,1 1 100 12,0 0,178 EN 50149
Bæreline 6,6 BzII / CuMg0,5 19 50 9,0 0,448 Materialdata for CuMg0,5 er benyttet EN 50149
PL / NL
239-AL1
10,0 Al1 19 239 20,0 0,1204 1 meters faseavstand 3 og 4 meter til siden for spormidt EN 50182:2001
PL / NL
381-AL1
10,0 Al1 37 381 25,3 0,0757 1 meters faseavstand 3 og 4 meter til siden for spormidt EN 50182:2001

Kjøreskinner parametriseres på en annen måte enn øvrige ledere, fordi ei kjøreskinne ikke uten videre kan tilnærmes som en rund leder. Referanse [3] anbefaler å legge til grunn målinger av indre impedans for ei kjøreskinne, og anbefaler å bruke følgende parametre for ei S60 skinne:

  • Indre impedans, zindre: Øker lineært fra 0,060 + j 0,075 Ω/km ved 100 A, til 0,125 + j 0,110 Ω/km ved 1000 A. For høyere strømmer er den indre impedansen fast.
  • For beregning av ytre impedans zytre tilnærmes ei S60 skinne som en rund leder med ekvivalent radius 0,04936 m.

I beregningene i dette vedlegget er skinnene lagt 0,7175 m til hver side av spormidt og i 0,2 meters høyde over bakken.

Tabell 8: Data for autotransformator
Parameter Symbol Verdi Enhet Kilde
Merkeytelse Sr 5 MVA Datablad
Merkespenning Ur 16,5 / 33 kV Datablad
Kortslutningsimpedans ek 0,4 % Datablad
Tomgangstap P0 2 300 W Datablad
Belastningstap PL 10 600 W Datablad
Kortslutningsimpedans ek 0,872 Ω Beregnet fra ovenstående
Kortslutningsresistans er 0,448668 Ω Beregnet fra ovenstående
Kortslutningsreaktans ex 0,747716 Ω Beregnet fra ovenstående
Magnetiseringskonduktans gm 2,112 µS Beregnet fra ovenstående
Magnetiseringssusceptans bm 5,280 µS antatt lik 2,5·gm
Magnetiseringsadmittans ym 5,687 µS Beregnet fra ovenstående

7 Referanser

[1] AS Elektrisk Bureau: Prosjektrapport: Digitalt abonnementnett. 1979
[2] Klepsland, P: Prosjektering av teleinstallasjoner. Elforlaget, Oslo, 2016. ISBN 978-82-73345-657-1
[3] Kießling, Puschmann, Schmieder: Fahrleitungen elektrischer Bahnen, 3. Ausgabe. Publicis, 2014. ISBN 978-3895784071