Elkraft/Elektrisk kraft i 100 år

Vi hører mye om det grønne skiftet, men kanskje ikke alle er klar over at det startet for over 100 år siden på jernbanen. Første elektriske tog på Drammenbanen Oslo V til Brakerøya gikk i 1922. Første elektriske malmtog på Ofotbanen gikk i 1923. I etterkrigstiden skjøt elektrifiseringen fart med NSBs program «Vekk med dampen». Etter 100 år er rundt 60 % av banenettet elektrifisert og rundt 80 % av togtrafikken drives med elektrisk kraft. Men hvordan fungerer det egentlig?

Elektrisk strøm, spenning og kraft

Elektrisk kraft består av elektrisk strøm og elektrisk spenning og som vi kan nyttiggjøre til å utføre et arbeid. Den elektriske strømmen er elektrisk ladning (elektroner) som beveger seg. Ladningen drives rundt i en elektrisk krets av spenningen.

Det er vanlig å sammenligne en elektrisk krets med et system der vann sirkulerer. Figur 1 illustrerer dette.

Figur 1: Sammenligning mellom vann som sirkulerer i en krets og strøm i en elektrisk krets til tog. Tegnet av Erik Wiborg, Statkraft SF

En pumpe driver vannstrømmen som består av vannmolekyler som flytter seg. Pumpen lager et vanntrykk som tilsvarer en elektrisk generator som er spenningskilden. Vannmolekylene og elektronene får da potensiale (mulighet) til å utføre arbeid. I vannhjulet eller turbinen kan arbeidet utnyttes. Det tilsvarer den elektriske motoren i for eksempel et tog.

For å ha kontroll på strømmen må den følge vannrør eller elektriske ledninger i en sluttet (lukket) krets. Den elektriske kretsen sluttes ved at strømmen går fra generatoren gjennom kontaktledningen frem til toget, gjennom toget via strømavtakeren og hjulene. Deretter følger den returkretsen, for eksempel kjøreskinnene, tilbake til generatoren.

Noe av potensialet tapes i rørene eller ledningene gjennom motstand. Det kan begrense transportkapasiteten og føre til oppvarming. Dersom kretsen brytes, stopper strømmen. Dersom strømmen finner en enklere vei med mindre motstand kortsluttes kretsen og strømmen kan bli stor.

Effekt (kraft) er produktet av elektrisk strøm og spenning tilsvarende produktet av vannstrømmen og vanntrykket. Jo høyere strøm eller spenning, jo høyere effekt. Energien er dette produktet over tid, for eksempel en time.

Kraftproduksjon og overføring

Elektrifiseringen i Norge har vært sterkt knyttet vannkraftverk. Tabell 1 viser en oversikt over de første elektrifiserte strekningene og forsyning av elektrisk kraft. Dersom kraftverkene ikke var plassert rett ved jernbanen ble kraften overført via egne kraftledninger. Figur 1 illustrerer også dette.

Bane	Spenning	Frekvens	Kraftverk	År	Metode
Thamshavnbanen	6 600 V	25 Hz	Skjenaldfossen	1908	Omforming i kraftverk
Rjukanbanen/Tinnosbanen	10 000 V	16 2/3 Hz	Ovnshus/Svelgfoss	1911	Omforming i kraftverk
Drammenbanen	15 000 V	16 2/3 Hz	Hakavik	1922	Direktegenerering
Ofotbanen	15 000 V	15 Hz	Porjus (Sverige)	1923	Direktegenerering
Hovedbanen	15 000 V	15 Hz	Rånåsfoss	1927

Banene ble elektrifisert med vekselspenning. Det betyr at strøm og spenning periodisk veksler retning og polaritet. Det gjør forståelsen en tanke mer abstrakt sammenlignet med likestrøm og -spenning som har fast polaritet. Strøm og spenning med samme retning og polaritet kan nyttes til arbeid. Magnetiske felt i for eksempel spoler og elektriske felt i for eksempel kondensatorer, kan gjøre at vekselspenningen og vekselstrømmen ikke veksler retning og polaritet samtidig. Denne reaksjonen gir en reaktiv strøm som ofte ikke gir noen nytte og kan føre til ekstra tap.

Magnetfelt kan utnyttes til å enkelt endre vekselspenningens størrelse ved hjelp av transformatorer. Da kan den samme elektriske effekten (kraften) overføres med høyere spenning og lavere strøm. Det reduserer tapene i ledningene og gjør det mulig å overføre kraften over lang avstand. Vekselstrøm kan enkelt stoppes og dermed kontrolleres ved hjelp av brytere.

Kraftomforming

For å styre togenes hastighet med datidens teknologi, måtte vekselspenningsfrekvensen være lav. Ulike forvaltninger gjorde ulike valg, men i dag er alle normalsporede baner i Norge elektrifisert med 15 000 V 16 2/3 Hz. Det er en standardisert forsyningsspenning som deles med Sverige, Sveits, Tyskland og Østerrike.

Frekvensen til spenningen i kraftnettet og i stikkontakten hjemme er til sammenligning 50 Hz. Land som elektrifiserte jernbanen senere bruker i stor grad denne frekvensen direkte med en spenning på 25 000 V. Mange tog i dag kan motta begge typene forsyningsspenning.

Figur 3: Venstre: Generatorer i Hakavik kraftverk. Midten: Transportabel roterende frekvensomformer. Høyre: Statisk frekvensomformer.

Etter hvert ble det bestemt at statens jernbane ikke skulle produsere den elektriske kraften selv, men forsynes fra kraftnettet. Den lave vekselspenningsfrekvensen kunne likevel beholdes ved hjelp av frekvensomformere langs jernbanestrekningen. Først med roterende elektriske maskiner der en 50 Hz-motor driver en 16 2/3 Hz-generator. Dernest med kraftelektronikk etter samme teknologi som en mobillader. Kraftelektronikk har ingen bevegelige deler og omformerne omtales derfor som statiske. Bane NOR har både roterende og statiske frekvensomformere i dag som vist i Figur 3.

Kraftfordeling

Den elektriske kraften fordeles fra frekvensomformerne til togene ved hjelp av kraftledninger og kontaktledninger. Kontaktledningen over jernbanesporet sikrer elektrisk forbindelse med togets strømavtaker og at toget dermed alltid har kontinuerlig tilgang på elektrisk kraft. Kontaktledningen har en elektrisk spenning i forhold til kjøreskinnene og omgivelsene slik at det kan drives en strøm igjennom toget og dermed overføre elektrisk effekt til fremdrift og oppvarming . Desto lenger avstand, jo mer spenning tapes i ledningene og jo mindre kraft kan fordeles til nytte for togene.

Kraftforbruk

I dag utgjør drift av elektriske tog i størrelsesorden 0,5 % av Norges elektrisitetsforbruk. Forbruket måles om bord i hvert enkelt tog og betales av togselskapene med et påslag for tap i omforming og overføring. Figur 3 illustrerer kraftforbruket i et energiflytdiagram for norsk elektrisk jernbane.

Figur 3: Energiflytdiagram for norsk elektrisk jernbane.

Togene kan selv påvirke tapene i omforming og overføring med kjørestil og teknisk løsning. Noen tog trekker mye reaktiv strøm. Andre tog kan kontrollere den reaktive strømmen for å kompensere for de reaktive tapene og dermed forbedre overføringskapasiteten i strømforsyningsanleggene. I gjennomsnitt tapes i størrelsesorden 13 % av energien ved frekvensomforming og overføring i kontaktledningsanlegget.

De fleste nye tog de siste 40 år regenererer elektrisk kraft fra motorene når de bremser. Typisk 20 % av energien som leveres til toget regenereres og leveres tilbake slik at den kan brukes av andre tog. Malmtogene på Ofotbanen bremser med tung last ned til Narvik og regenererer rundt 50 % av energien som det får levert på norsk side.

Flere og flere nye tog kan også lagre elektrisk energi om bord, for eksempel i batterier. De kan lade batteriene på elektrifisert strekning for så å kjøre elektrisk selv på ikke-elektrifiserte strekninger.

Kraftuttrykk

Det er lett å bli forvirret av kraftuttrykkene i denne artikkelen. Legg merke til at regenerert strøm og reaktiv strøm ikke er det samme som returstrøm selv om alle begynner med forstavelsen «re»:

Figur 4: Regenerert strøm (grønn) i motfase med spenningen (sort)

Regenerert strøm er når togenes elektriske motor drives som en generator som genererer (produserer) elektrisk kraft som leveres tilbake til strømforsyningsanlegget. Vekselspenningen og -strømmen har motsatt retning og polaritet som illustrert i figur 4. Nytten er som rekuperativ bremse på en elbil. Energien kan brukes av andre tog i nærheten.

Figur 5: Reaktiv strøm (blå) i ute av fase med spenningen (sort)

Reaktiv strøm oppstår når vekselspenningen og vekselstrømmen ikke veksler retning og polaritet samtidig. Det mellomlagres elektrisk kraft i magnetiske felt og elektriske felt i deler av vekselspenningsperioden og som utlades i andre deler av vekselspenningsperioden. Denne periodiske oppladingen og utladningen kan føre til ekstra tap. Se illustrasjon i figur 5.

Figur 6: Returstrøm (gul) i kjøreskinnene

Returstrøm er en betegnelse på strømmen i returkretsen, oftest kjøreskinnene og tilkoblede elektriske ledere. Se figur 6. Returstrømmen kommer ut av togets hjul og kan blant annet være både reaktiv og regenerert.