Til høring/Kontaktledning/Prosjektering og bygging/Kontaktledningsutforming/Vedlegg/Elutforming-E
Elektrisk utførelse System E: Autotransformatorsystem med PL, NL og seksjonert kl
OBS: Dette er en høringsversjon for utgivelse 2019-01-01.
Innhold
- 1 Hensikt og omfang
- 2 Anvendelsesbetingelser
- 3 Beskrivelse
- 4 Utførelse og krav
- 5 Potensial i returkretsen
- 6 Indusert spenning
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 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.
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.
c) Vedlikehold: Utformingen kan velges i følgende varianter:
- Høye master med stor avstand mellom positivleder/negativleder og kontaktledningen. Ved valg av denne varianten skal anlegget utformes slik at kontaktledningen kan frakoples og en del vedlikehold kan utføres på kontaktledningen med spenningsførende positivleder og negativleder.
- 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.
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.
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.
4 Utførelse og krav
4.1 Ledergeometri
4.1.1 Plassering og faseavstand for PL og NL
a) Høyde for PL og NL: For å sikre tilstrekkelig avstand til bakken skal PL og NL ved største pilhøyde ikke være lavere enn kontakttråden.
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
4.1.2 Høye master
Figur 3 og Figur 4 viser normaltegning av profil med høye master på fri linje for hhv. enkeltspor og dobbeltspor. Plasseringen av PL og NL er satt slik at direkte avstand til kl er tilstrekkelig stor til at en stor andel av vedlikeholdsoppgaver på kl kan gjøres med spenningsførende PL og NL.
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.
4.1.3 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.
4.2 Tilrettelegging for jording av PL og NL
a) Master: Alle kontaktledningsmaster skal være utført med hull for innfesting av jordingskuler på egnet sted slik at PL og NL kan jordes til masta med portabelt jordingsapparat.
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
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
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.
| 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
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 på sårbare telekabler som er ført parallelt med jernbanen.
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 for å begrense indusert spenning til parallelle telekabler til akseptabelt nivå i henhold til Lenke: Felles elektro, Prosjektering og bygging, Jording og utjevning, Kabler for lavspenning.
- Utførelse: Det kan alltid velges en avstand mellom autotransformatorer inntil 10 km. for enkeltspor og 15 km. for dobbeltspor.
- 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.
- 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.
- Operative tiltak: Det skal finnes rutiner for raskt bytte av autotransformator slik at situasjonen med økte berøringsspenninger i anlegget blir mest mulig kortvarig.
- Operative tiltak: Det bør finnes rutiner som begrenser berøring av returkretsen i aktuelt AT-vindu ved utfall av en autotransformator.
- 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: Dersom valgt koblingskonsept tillater det, kan det benyttes felles autotransformator for flere parallelle spor.
4.6 Seksjonering av kontaktledningsnettet
Prinsippet er at kontaktledningen skal 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 fra utmating til kontaktledningen og fram til seksjoneringspunktet. Der belastningen ved passering av seksjoneringspunktet er lav, blir spenningsforskjellen ved passering liten, og større avstander kan aksepteres.
a) Avstand mellom utmating til kl og seksjoneringspunkt: For å sikre en maksimal spenningsforskjell over seksjoneringspunkter ved togpassering på 1200 V skal maksimal avstand fra utmatingspunkt til seksjoneringspunkt være 3 km.
- Unntak: Der strømtrekket er lavt ved passering av seksjoneringspunktet kan tilsvarende større avstand mellom seksjoneringspunkt og utmatingspunt tillates.
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.
| 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 |
| 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 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.
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 i kabelinntaket
- Tettere plassering av autotransformatorer
- Etablering av langsgående jordleder for returkretsen
| 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 |
| |||
