Sandkasse/stoy/2018KL/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.

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 Anvendelsesbetingelser

Utformingen med seksjonert kontaktledning er utarbeidet spesielt for å begrense induktivt overført spenning til parallelle telekabler. Dette oppnås effektivt på kontaktledningsseksjoner som ikke er belastet. Utformingen fleksibelt tilpasses kapasitetsbehovet ved valg av ledertverrsnitt og antall ledere. Lederplasseringen kan og justeres fleksibelt etter stedlige behov.

a) Termisk kapasitet: Den termiske kapasiteten (strømføringsevnen) til utformingen er begrenset av positivleder og negativleder. Ved valg av utformingen skal tilstrekkelig tverrsnitt for positivleder og negativleder velges.

Tidligere undersøkelser for enkeltsporede matestrekninger inntil ca 130 km viser at den termiske kapasiteten normalt vil være tilstrekkelig ved bruk av 239-AL1 eller en annen leder med større termisk kapasitet.

b) Elektrisk kapasitet: Den elektriske kapasiteten (impedansen) til utformingen er bestemt av positivleder, negativleder og fysisk avstand mellom lederne. Valg av utformingen skal vurderes opp mot forventet belastning og eventuelle konsekvenser for togenes kjøretid.

Tidligere undersøkelser for enkeltsporede matestrekninger inntil ca 130 km viser at den elektriske kapasiteten normalt vil være tilstrekkelig ved bruk av 381-AL1 eller annen leder med lavere impedans for positivleder og negativleder, og med 1 m avstand mellom positivleder og negativleder.

c) Vedlikehold: Utformingen skal velges i en av følgende varianter:

1. Høye master med stor avstand mellom positivleder/negativleder og kontaktledningen. Denne varianten skal velges der det er behov for at PL og NL er spenningsførende samtidig med arbeid på kontaktledningen.
2. Lave master med kort avstand mellom positivleder/negativleder og kontaktledningen. Ved valg av denne varianten skal det legges til rette for at kontaktledning, positivleder og negativleder på et spor alltid frakobles samtidig.

Valg av koblingskonsept på strekningen vil være avgjørende for om det velges høye eller lave master.

d) Tilgjengelighet for overføring: Utforming med uavhengighet mellom PL/NL og kontaktledning gir mulighet for effektoverføring mellom viktige matestasjoner og sårbare belastninger med stor kapasitet og god tilgjengelighet.

3 Beskrivelse

Autotransformatorsystem brukes for oppnå stor elektrisk og termisk kapasitet for en matestrekning slik at man kan kjøre mange tog og tog med stor effekt, og samtidig ha stor avstand mellom omformerstasjoner.

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 z_m er svært stor slik at strømmen I_m i de fleste sammenhenger er neglisjerbar.

4 Utførelse og krav

4.1 Ledergeometri

4.1.1 Generelt

Se Kontaktledning, Prosjektering og bygging, Andre elektriske ledere for krav til ledningsføring for PL og NL.

4.1.2 Plassering og faseavstand for PL og NL

Liten faseavstand er generelt fordelaktig fordi det gir lav systemimpedans og god spenning for tog. Samtidig er det viktig å unngå fasesammenslag ved vind, da det vil innebære kortslutning og driftsavbrudd. I Lenke: Felles elektro, Prosjektering og bygging, Isolasjonskoordinering og overspenningsbeskyttelse er det angitt krav til avstand mellom høyspenningsledere i luftspenn for å unngå fasesammenslag. Det er angitt en normal faseavstand på 1000 mm ved spennlengder inntil 75 meter, men at det er adgang til å justere dette ut ifra stedlige forhold.

Det gjelder ingen faste krav for om PL eller NL skal monteres inn mot spor eller ut mot terreng. Men følgende anleggspraksis er etablert og kan med fordel benyttes:

• For enkeltspor kan PL monteres til høyre ved stigende kilometrering ("ryggen mot Oslo").
• For dobbeltspor kan PL for begge spor monteres inn mot sporene mens NL plasseres ut mot terrenget.
• I noen tilfeller er det likevel mest hensiktsmessig at begge sporene har PL montert til høyre etter anleggspraksisen for enkeltspor, og da kan det velges. Eksempler er:
  • Ved flere enn to parallelle spor
  • For å unngå ekstra vekslinger/revolveringer

a) Ulike kurser: Der det er flere kurser med PL og NL i samme mast eller åk skal det være tydelig skille mellom kursene slik at den enkelte kursen kan identifiseres og slik at planlegging av arbeid forenkles.

4.1.3 Høye master

Figur 3 og Figur 4 viser normaltegning av profil med høye master på fri linje for hhv. enkeltspor og dobbeltspor. Bruk av høye master velges der det planlegges mulighet for å gjøre vedlikeholdsoppgaver på kontakttråd mens PL og NL er spenningsførende, og avstander må tilpasses dette.

Plasseringen av PL og NL må tilpasses stedlige forhold, slik at de for eksempel plasseres nærmere kl i tunneler, føres på åk over stasjonsområder, etc. Andre plasseringer av PL og NL kan påvirke muligheten for arbeid på kl mens PL og NL er spenningsførende.

a) Høyde for PL og NL: PL og NL skal innfestes i en høyde som gir mulighet for arbeid på kontaktledningen samtidig som PL og NL er spenningsførende.

1. Utførelse: Dersom denne avstanden ikke kan opprettholdes på hele strekningen, skal det dokumenteres og merkes tydelig hvilke delstrekninger som ikke har tilstrekkelig avstand.

Direkte avstand mellom spenningsførende del i kontaktledningen og spenningsførende del i PL og NL på 2,0 m anses som tilstrekkelig for at det kan gjennomføres mange vedlikeholdsoperasjoner på kontaktledningen mens PL og NL er spenningsførende. Merk at det ved planlegging av arbeid i henhold til FSE alltid skal vurderes om avstanden er tilstrekkelig for den konkrete arbeidsoperasjonen som skal gjennomføres.

Figur 3: Normalt tverrsnitt med høye master for enkeltspor.

Figur 4: Normalt tverrsnitt med høye master for dobbeltspor.

4.1.4 Lave master

Figur 5 og Figur 6 viser normaltegning av profil med lave master på fri linje for hhv. enkeltspor og dobbeltspor. Plasseringen av PL og NL er valgt slik at PL og NL ikke skal synke under kontakttråden ved masteavstand på 75 meter og minimal temperatur på -40°C. Det er da lagt til grunn en maksimal pilhøyde på 2 400 mm ved driftstemperatur på 80°C. Kontakttrådhøyden er i dette tilfellet 5 100 mm.

Plasseringen av PL og NL kan tilpasses stedlige forhold, slik at de for eksempel plasseres nærmere kl i tunneler, føres på åk over stasjonsområder, etc. Slik tilpasning fører ikke til systemmessige konsekvenser.

a) Pilhøyde for PL og NL: For å sikre tilstrekkelig avstand til bakken skal PL og NL ved største pilhøyde ikke være lavere enn kontakttråden.

Figur 5: Normalt tverrsnitt med lave master for enkeltspor.

Figur 6: Normalt tverrsnitt med lave master for dobbeltspor.

4.2 Tilrettelegging for jording av PL og NL

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.

b) Etablering av jordingskuler og -kroker: Utvalgte kontaktledningsmaster skal utstyres med jordingskuler og -kroker slik at PL og NL kan jordes til masta på en måte som er hensiktsmessig for hver strekning.

4.3 Føring av PL og 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 PL og NL forbi slike punkter er listet opp under. Løsningene må prosjekteres og tilpasses det enkelte tilfellet.

• Innfesting i konstruksjon over jernbanen – eventuelt med redusert avstand til kontaktledningen
• 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
• Elektrisk utforming F (kun NL) kan brukes på delstrekninger
• PL og 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.

Når kabelandelen overstiger ca. 10 % av en matestrekning øker sannsynligheten for at resonansfrekvensen synker under kravet i Banestrømforsyning/Prosjektering og bygging/Kraftsystem#Elektriske resonanser - og da blir det nødvendig å vurdere forholdet mer detaljert.

Uisolerte ledere i tunneler vil kunne kreve at spenningen frakobles for enkelte typer vedlikeholdsarbeid. Kabling av AT-ledere har tekniske og økonomiske ulemper og kabler brukes derfor kun der hvor det er nødvendig.

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 PL og NL

Ledertype velges ut ifra behovet for termisk kapasitet (strømføringsevne), elektrisk kapasitet (impedans/spenningsfall) og kostnader. Ved tvangspunkter kan tillatt strekkraft og pilhøyde påvirke valg av ledertype . Utredning av banestrømforsyningen gir føringer for valg av ledertype.

De mest aktuelle ledertypene med beregnet impedans for enkeltspor og dobbeltspor er angitt i Tabell 1. Impedansen er beregnet ved en faseavstand på 1,0 meter.

Tabell 1: Ledertyper for PL og NL

Ledertype	Kontinuerlig strømføringsevne ref 15 kV [A]	Enkeltspor			Dobbeltspor - sammenkoblet			Merknad
		Impedans z [Ω/km]	Resistans r [Ω/km]	Reaktans x [Ω/km]	Impedans z [Ω/km]	Resistans r [Ω/km]	Reaktans x [Ω/km]
212-AL1	1333	0,0869	0,0687	0,0533	0,0443	0,0347	0,0275	Mye brukt i Sverige
239-AL1	1438	0,0807	0,0611	0,0527	0,0411	0,0309	0,0272	Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge)
243-AL1	1450	0,0800	0,0606	0,0523	0,0408	0,0306	0,0270	Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland)
279-AL1	1589	0,0737	0,0525	0,0517	0,0377	0,0266	0,0267	Fra EN 50182:2001, tabell F.28 (Mye brukt i Spania)
294-AL1	1642	0,0717	0,0500	0,0514	0,0367	0,0253	0,0265	Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge)
299-AL1	1659	0,0710	0,0492	0,0512	0,0364	0,0249	0,0265	Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland)
381-AL1	1937	0,0633	0,0388	0,0500	0,0325	0,0197	0,0259	Fra EN 50182:2001, tabell F.22 (Mye brukt i Norge)
400-AL1	1998	0,0620	0,0370	0,0497	0,0319	0,0189	0,0257	Fra EN 50182:2001, tabell F.17 (Mye brukt i Tyskland)
Merknader	Strømføringsevnen er strømmen omregnet til 15 kV. Fysisk strøm som går i PL og NL er halvparten av den angitte strømmen.

4.5 Autotransformatorer

Se Kontaktledning, Prosjektering og bygging, Komponenter, Transformatorer for krav til autotransformatoren og til montasje.

a) Dobbeltspor: Dersom valgt koblingskonsept tillater det, kan det benyttes felles autotransformator for flere parallelle spor.

4.6 Seksjonering av kontaktledningsnettet

Prinsippet er at kontaktledningen seksjoneres slik at gjennomgående strøm ikke går i kontaktledningen. Dette bidrar til å begrense strøm i kjøreskinner og jord, og på den måten begrenses induktivt overført spenning til parallelle telekabler. Seksjonering av kontaktledningen gir spenningsforskjell over seksjoneringspunkter. Slik spenningsforskjell kan antenne lysbuer ved togpassering og føre til sviskader på kontakttråden eller i verste fall nedbrenning. Kontaktledning/Prosjektering/Seksjonering krever derfor at spenningsforskjellen over vekslingsfelter ved togpassering ikke skal overstige 1200 V.

Ved vanlige maksimalbelastninger for tog kan en slik spenningsforskjell opptre ved rundt 3 km mellom seksjoneringspunktet og utmating til kontaktledningen. Der strømbelastningen ved passering av seksjoneringspunktet er lav, blir spenningsforskjellen ved passering liten, og større avstander kan aksepteres.

a) Seksjonering av kontaktledningen: Kontaktledningen skal seksjoneres for å hindre gjennomgående strøm.

1. Utførelse: Ved bruk av høye master skal hver kl-seksjon mates via en fjernstyrt lastskillebryter fra PL midt på seksjonen.
2. Utførelse: Ved bruk av lave master kan hver kl-seksjon kobles direkte til PL uten kontaktledningsbryter midt på seksjonen.
3. Utførelse: I tilfeller der matingen fra PL ikke kan skje midt på seksjonen kan forskyvninger tillates. Endematede seksjoner er tillatt.
4. Utførelse: For å sikre en maksimal spenningsforskjell over seksjoneringspunkter ved togpassering på 1200 V skal maksimal avstand fra utmatingspunkt til seksjoneringspunkt være 3 km.
5. Unntak (til 4): Der strømtrekket er lavt ved passering av seksjoneringspunktet kan tilsvarende større avstand mellom seksjoneringspunkt og utmatingspunt tillates.

På flate strekninger med lav fart er erfaringen så langt at inntil 5 km fra utmatingspunkt til seksjoneringspunkt ikke har ført til synlig skade på kontaktledningen.

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 for PL/NL og oppheng/geometri har liten påvirkning på potensialet i returkretsen.

Figur 7 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 8 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 7 og Figur 8 øker med økende avstand mellom autotransformatorer. Tabell 2 og Tabell 3 angir beregnet maksimalverdi for disse kurvene ved drift og kortslutning og ulike avstander mellom autotransformatorer, når ledertypen for PL og NL er satt til 381-AL1. Tallverdiene kan brukes som underlag ved vurdering av berøringsspeninng i samsvar med Felles_elektro/Prosjektering_og_bygging/Jording_og_utjevning#Potensial_i_returkretsen.

Figur 7: Profil for spenningen i returkretsen ved belastningsstrøm 1 kA ved km 65. Avstanden mellom autotransformatorene er 10 km.

Figur 8: Spenningen i returkretsen ved togets posisjon når toget kjører langs linja og trekker 1 kA. Avstanden mellom autotransformatorene er 10 km.

Tabell 2: 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 3: 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

6 Indusert spenning

Indusert spenning 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 signallederne antar farlige nivåer. Det må derfor 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 9 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.

Den induserte spenningen i en kortere leder er forskjellen mellom spenningen i to punkter i Figur 9. 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 eller optokopler i forbrukerens kabelinntak
• Tettere plassering av autotransformatorer
• Etablering av langsgående jordleder for returkretsen

Figur 9: Profil for indusert spenning i parallell uskjermet kabel ved belastningsstrøm 1 kA ved km. 107,5 ved forlegning 3 og 12 meter fra spormidt.

Tabell 4: Konservativt anslag for indusert spenning til parallell uskjermet kabel inntil 12 meter fra spormidt (V per km parallellføring per kA belastningsstrøm)

	Indusert spenning [V/(km·kA)]
AT-avstand →	5 km	10 km	15 km	20 km
Enkeltspor 3 m fra spormidt	7	11	15	16
Enkeltspor 12 m fra spormidt	10	16	18	19
Dobbeltspor 3 m fra spormidt	7	11	14	15
Dobbeltspor 12 m fra spormidt	8	13	15	18
Merknader	Verdiene er beregnet ved 4 km parallellføring. Kortere parallellføring gir noe høyere verdier Lengre parallellføring gir noe lavere verdier 3 meter fra spormidt er typisk avstand ved forlegning i kabelkanal 12 meter fra spormidt er omtrent det verste tilfellet