Sandkasse/stoy/KL-utforming-AT 1xNL

Elektrisk utforming F: Autotransformatorsystem med enkel NL

OBS: Dette er en høringsversjon for utgivelse 2019-01-01.

1 Hensikt og omfang

Dette kapittelet beskriver prinsippet for autotransformatorsystem med enkel negativleder (kortform ATNL).

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

a) Termisk kapasitet: Den termiske kapasiteten (strømføringsevnen) til utformingen er begrenset av kontaktledningen og av negativleder. Valg av utformingen skal vurderes opp mot forventet strømbelastning.

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

c) Vedlikehold: Kontaktledning og negativleder skal alltid kobles synkront. Det vil si at dersom kontaktledningen frakoples, så skal også negativleder for samme spor frakoples.

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 1: Prinsippskjema for utforming med AT-system med negativleder. Røde piler angir veien for returstrøm.

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 for de fleste formål er neglisjerbar.

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, og med stort potensial i returkretsen.

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, 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

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

Figur 3 og Figur 4 viser normaltegning av 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 lagt til grunn en maksimal pilhøyde på 2 400 mm ved driftstemperatur på 80°C. Kontakttrådhøyden er i dette tilfellet satt til 5 100 mm.

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.

Figur 3: Normalt tverrsnitt for enkeltspor.

Figur 4: Normalt tverrsnitt for dobbeltspor.

4.2 Tilrettelegging for jording av NL

a) Master: Alle kontaktledningsmaster skal være utført med hull for innfesting av jordingskuler på egnet sted slik at NL kan jordes til masta med portabelt jordingsapparat.

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

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 100 mm² CuAg0,1, og bæreline 50 mm² BzII
• Kontakttråd 120 mm² CuAg0,1, og bæreline 70 mm² BzII

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.

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.

Tabell 1: Ledertyper for negativleder

Kontaktledning	Ledertype for NL	Kontinuerlig strømføringsevne per spor, ref 15 kV [A]	Enkeltspor				Dobbeltspor				Kommentar til NL
			Impedans z [Ω/km]	Resistans r [Ω/km]	Reaktans x [Ω/km]	Gjennomsnittlig jordstrøm [% av belastningsstrøm]	Impedans z [Ω/km]	Resistans r [Ω/km]	Reaktans x [Ω/km]	Gjennomsnittlig jordstrøm [% av belastningsstrøm]
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: Omgivelsestemperatur: 35 °C Vindhastighet: 1 m/s Solinnstråling: 1050 W/m2 (absorpsjonsfaktor 0,7 for aluminium og 0,85 for kopper/bronse) Absorpsjonsfaktor for varmeinnstråling fra omgivelsene er lik absorpsjonsfaktor for solinnstråling Emissivitet for varmeutstråling er lik absorpsjonsfaktor Merknad 2: Jorsdstrømmen er beregnet ut ifra følgende forutsetninger: Det er en enfase kilde (matestasjon) i den ene enden av matestrekningen, og en enfase belastning (tog) i den andre enden Matestrekningen er 120 km lang Enkeltspor har 10 km mellom autotransformatorer, dobbeltspor har 15 km mellom autotransformatorer Overgangsmotstand mellom kjøreskinner og jord er 0,5 S/km (totalt fra hele returkretsen - likt for enkeltspor og dobbeltspor) Jordresistivitet er 5 000 Ωm Det er ingen returledere eller langsgående jordledere 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

Potensial i returkretsen og indusert spenning til parallelle telekabler avgjør hvor stor avstand som er mulig mellom autotransformatorer. Legg merke til at der avstanden mellom autotransformatorene blir stor, kan høy spenning i returkretsen kompenseres med andre tiltak i jordingsanlegg og indusert spenning i telekabel kan kompenseres med tiltak på telekabelen.

a) Avstand mellom autotransformatorer: Avstand mellom autotransformatorer skal velges slik at potensialet i returkretsen begrenses til akseptabelt nivå i henhold til Lenke: Felles elektro, Prosjektering og bygging, Jording og utjevning, Potensial i returkretsen, og slik at indusert spenning til parallelle telekabler begrenses til akseptabelt nivå i henhold til Lenke: Felles elektro, Prosjektering og bygging, Jording og utjevning, Kabler for lavspenning.

1. Utførelse: Det kan alltid velges en avstand mellom autotransformatorer inntil 10 km for enkeltspor og 15 km for dobbeltspor.
2. Utførelse: For vurdering av økt autotransformatoravstand utover verdiene angitt i punkt (1) kan potensialet i returkretsen som angitt i Lenke: Potensial i returkretsen og den induserte spenningen til parallelle ledere som angitt i Lenke: Indusert spenning legges til grunn.
3. Unntak: På strekninger som ikke har parallelle telekabler med gjennomgående metalliske elementer nærmere enn 100 m til hver side for jernbanetraseen, er det ikke nødvendig å vurdere indusert spenning.

b) Håndtering av utfall: Fordi utfall av en autotransformator vil føre til økt potensial i returkretsen og økt induksjon til parallelle telekabler utover dimensjoneringsforutsetningene, skal det finnes operative rutiner for å håndtere slike utfall.

1. Operative tiltak: Det skal finnes rutiner for raskt bytte av autotransformator slik at situasjonen med økte berøringsspenninger i anlegget blir mest mulig kortvarig.
2. Operative tiltak: Det bør finnes rutiner som begrenser berøring av returkretsen i aktuelt AT-vindu ved utfall av en autotransformator.
3. Operative tiltak: Rutiner for å begrense berøringsspenning ved utfall av en autotransformator kan omfatte begrenset strømtrekk fra tog i aktuelt AT-vindu ved utfall av en autotransformator.

c) Dobbeltspor: Der 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.

For dobbeltspor er den angitte avledningen den summen av avledningen for begge sporene. Beregningene er gjort med sammenkopling av kontaktledning og negativleder for de to sporene ved hver autotransformator.

Figur 5: Potensial i returkretsen ved togets posisjon ved ulik avledning mellom returkretsen og jord. Toget beveger seg langs en 120 km. lang matestrekning og trekker konstant 1000 A. Det er 10 km. mellom hver autotransformator.

Figur 6: Profil for skinnepotensial når toget befinner seg på km. 65, midt mellom to autotransformatorer. Det er en matestasjon ved km. 0.

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	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

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	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

6 Indusert spenning

Den induserte spenningen i en kabel 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. Det forutsettes her at kabler for lavspenningsforsyning er så korte at indusert spenning til jordlederen i slike kabler fra jernbaneanlegget ikke vil utgjøre noen fare.

For langlinjekabler som går parallelt med jernbanen over lengre strekninger har man liten mulighet til å hindre at spenningen i slignallederne antar farlige nivåer. 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

For dette formålet er langsgående jordleder mest effektiv hvis den monteres i mastene. Vanligvis har langsgående jordleder som formål å begrense spenning i returkretsen, og da er den mest effektiv om den er forlagt uisolert i jord.

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.

Figur 7: Profil for indusert spenning i en uskjermet kabel langs en 120 km lang enkeltsporet trase

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	14	22	28	31
Dobbeltspor	7,3	13	18	20
Merknader:	Verdiene er beregnet for: Kontakttråd: 100 mm2 CuAg0,1 Bæreline: 50 mm2 BzII Negativleder: og 239-AL1 Verdiene er beregnet ved 4 km parallellføring Kortere parallellføring gir noe høyere verdier Lengre parallellføring gir noe lavere verdier Verdiene varierer lite under 12 meter fra spormidt Mer enn 12 meter fra spormidt synker den induserte spenningen