Matestasjoner i lastbegrensning

1 Innledning

Et togs effektbehov avhenger av hastighet, akselerasjon og stigning. Variasjonen i disse gjenspeiles i lastprofilen til matestasjonene med høy kortvarig belastning i 10-100 sekunder sammenlignet med den gjennomsnittlige flerminutts- og timesbelastningen. En typisk lastprofil er vist i figur som en tidsvektet varighetskurve. Figuren viser også hvordan en statisk og en roterende omformer kortvarig kan overlastes ved hjelp av termisk reserve. Marginene er store for langtidsbelastning og små ved kortidsbelastning.

Tidsvektet varighetskurve for lastprofil og omformerytelse

Teknisk regelverk for prosjektering og bygging av kraftsystem (546/18) beskriver i avsnitt 4.3 krav til laststrømsmarginer og åpner for reduksjon av disse dersom utstyr automatisk beskyttes med en begrensningsfunksjon eller tilsvarende basert på en risikovurdering. Teknisk regelverk for prosjektering og bygging av matestasjoner (546/19) krever i avsnitt 4 at omformere skal utføres med lastbegrensningsfunksjon i stedet for å koble ut på grunn av overbelastning. Dette er uansett standard for statiske omformere ettersom de er programvarestyrte, og er nødvendig for å beskytte halvlederne som ikke kan overlastes.

2 Stabilitet

Normalt regulerer omformeren utspenningens amplitude og fase og kan representeres som en spenningskilde (Uδ-node) i kraftsystemet og belastningsstrømmen er gitt av togenes behov (modellert som PQ-noder). Ved lastbegrensning reguleres omformeren etter strøm eller effekt og kan representeres som en strømkilde (PQ-node). Innenfor dette finnes det flere ulike måter å utforme en lastbegrensning på. Det kan påvirke stabiliteten i kraftsystemet. Bruk av lastbegrensning er derfor gjenstand for en risikovurdering.

Følgende former for ustabilitet er typiske:

• Spenningsustabilitet - Omformeren når lastgrensen når effektbehovet er større enn kapasiteten, det vil si at det er et misforhold mellom de to PQ-nodene (omformer og tog) og eventuelt tap i systemet. Omformerstasjonen vil senke utspenningen for å redusere belastningen, enten ved å få hjelp fra andre omformere i nærheten eller å få toget til å redusere effektopptaket. Dersom misforholdet er stort må spenningen senkes mye, i verste tilfellet til underspenningsvern løser eller en når "spenningskollaps". Merk at omformeren kan redusere utspenningen raskere enn toget reduserer effektopptaket slik at ustabiliteten kan oppstå på grunn av dynamikk til tross for at det kan finnes en stasjonær likevekt. Eksempel på dette finnes fra Ystad omformer i Sverige.
• Lavfrekvente pendlinger - Dersom omformerens og togets reguleringhastighet/båndbredde er i samme størrelsesorden kan det oppstå pendlinger/svingninger, spesielt siden begge prøver å regulere på samme parameter (strøm eller effekt). Pendlingene kan enten dempes ut, bli stående eller vokse til et vern løser, alt etter forholdene. Forholdene kan være lineære eller ulineære, spesielt dersom spenningen blir så lav at toget også prøver å redusere effektopptaket som funksjon av spenningen. Ulineære lavfrekvente pendlinger er vanskelige å analysere uten å teste ut i virkeligheten. En viktig faktor her antas å være kontaktledningsspenning på 14,25 kV hvor togene iht. EN50388 begynner å begrense maksimaleffekten.
• Elektrisk resonansustabilitet - Avhengig av hvordan omformerens regulering i lastbegrensning er utformet kan antall tilbakekoblingssløyfer for strømmen øke sammen med krav til lavt overharmonisk innhold. Da kan reguleringen likne på reguleringen av et lokomotiv med tilsvarende fare for å være aktiv ved gitte frekvenser. Eksempel på dette finnes fra omformere i Sveits og Østerrike.

3 Risikovurdering

Vi ser for oss tre mulige scenarier med følgende tilhørende risiko:

• Sterkt samkjørt nett
• Svakt samkjørt nett
• Øydrift

3.1 Sterkt samkjørt nett

Når omformeren når lastgrensen vil den normalt styre utspenningens fasevinkel for å skyve belastningen til matestasjoner i nærheten. I et sterkt nett med liten overføringsimpedans til nærliggende matestasjoner vil en moderat vinkelvridning sannsynligvis være tilstrekkelig for å begrense belastningen for den aktuelle stasjonen. Vi har erfaringer med dette fra flere statiske omformere i Oslo-området (eks. Åstorp i Sverige og Lillestrøm) som daglig når strømgrense uten at det er rapportert om problemer. Hver gang omformer nummer 2 i en stasjon automatisk starter på grunn av høy last, går omformer nummer 1 i strømgrense i den tiden det tar å starte opp omformeren, pluss en eventuell tidsforsinkelse. Vi vurderer derfor risikoen ved bruk av lastbegrensningsfunksjon i sterkt nett som liten til moderat så lenge de andre omformerne i nærheten har kapasitet til å ta over lasten. Risikoen bør vurderes i hvert enkelt tilfelle både med tanke på hyppighet, tid i strømgrense, hvor stor effekt som må overføres, konsekvens for togtrafikken, driftssituasjonen og årsaken til strømgrense og sammenholdes med alternative tiltak.

3.2 Svakt samkjørt nett

Når omformeren når lastgrensen vil den på samme måte som i sterkt nett styre fasevinkelen. Men på grunn av større overføringsimpedans til nærliggende matestasjoner er ikke fasevinkelstyringen nødvendigvis tilstrekkelig for å avlaste omformeren. Den må da også styre ned utspenningens amplitude for å begrense den reaktive effektbelastningen. Vår erfaring er at tog er mer følsomme for endring i spenningens amplitude enn i spenningens fase. Blant annet er alle tog etter EN50388 utstyrt med en lastbegrensningsfunksjon der tillatt maksimaleffekt reduseres ved synkende kontaktledningsspenning. Det er usikkert hvordan lastbegrensningsfunksjonene i omformer og tog dynamisk spiller sammen ettersom det ikke finnes krav som sikrer god tilpasning mellom disse. Vi vurderer derfor risikoen ved dimensjonering av omformerstasjoner slik at de hyppig går i lastbegrensning i svakt nett som for høy inntil mer detaljerte undersøkelser er utført. Vår erfaring og usikkerhet er basert på at vi har flere statiske omformere i svakt samkjørt nett (eks. Stavne, Kjelland og Sarpsborg), men har ikke underlag for å vurdere risikoen nærmere.

3.3 Øydrift

Når omformeren når lastbegrensningen i øydrift er den eneste måten omformeren kan beskytte seg på å styre utspenningens amplitude for å aktivere togenes spenningsavhengige lastbegrensningsfunksjon. Det er stort sprang mellom matestasjonens normale utmatespenning på rundt 16,5 kV og startpunktene for togenes spenningsavhengige lastbegrensningfunksjon, henholdsvis 14,25 og 17,5 kV. Når aktiv og reaktiv effekt har likt fortegn (1. og 3. kvadrant i PQ-diagrammet) er situasjonen lik som i svakt samkjørt nett, men med større utslag. Når aktiv og reaktiv effekt har motsatt fortegn (2. og 4. kvadrant) er omformerens styringsstrategi vanskelig definerbar. Der strategien om å redusere belastningen ikke lykkes, kan det være nødvendig å koble ut mateenheten. Vi mangler den praktiske erfaringen med dette siden det er sjelden omformerne går i øydrift og belastningen samtidig er høy nok.

3.4 Vurdering

Ved bruk av lastbegrensningsfunksjon i samkjørt drift, er en forutsetning at det er tilgjengelig kapasitet i de nærliggende omformerstasjonene, slik at belastningen kan dekkes av ledig kapasitet i den nærmeste omformerstasjonen. Basert på en sannsynlighetsbetraktning kan det argumenteres for at det skal mye til at flere omformerstasjoner i nærheten av hverandre (med rundt 120 km. innbyrdes avstand) går i strømgrense samtidig. Om det likevel en sjelden gang skulle skje, vil vernutkobling som følge av dette være en akseptabel konsekvens. Dersom en slik situasjon skulle oppstå ofte er det en indikasjon på at kraftsystemet er effektmessig underdimensjonert.

Omformerstasjoner har i de fleste tilfeller flere forbindelser (typisk to for en stasjon på en lang banestrekning) til omkringliggende omformerstasjoner. Øydrift er derfor en sjelden hendelse, og i de tilfellene øydrift oppstår, vil belastningen på omformerstasjonen ofte være begrenset. I de tilfellene en slik omformerstasjon likevel skulle bli så høyt belastet at den går i strømgrense ved øydrift, vil automatisk frakobling være akseptabelt. Hvor kritisk en slik situasjon er vil måtte vurderes i hvert enkelt tilfelle basert på vedlikeholdsbehov og feilsannsynlighet. Øydrift kan forekomme hyppigere og med større belastning for omformerstasjoner som bare har en forbindelse til andre omformerstasjoner. På Nordlandsbanen vil dette være tilfelle for Steinkjer omformerstasjon, som bare får en forbindelse til Hell omformerstasjon. For slike stasjoner må øydriftstilfellet vurderes som mer kritisk enn for andre omformerstasjoner ettersom brutt samkjøring fremdeles er innenfor n-1 kriteriet.

4 Oppsummering

Oppsummert er det usikkerheter rundt de dynamiske egenskapene til samspillet mellom lastbegrensningsfunksjonen i omformerstasjoner og regulatorer i tog i nettverk som er så svake at funksjonen styrer spenningens amplitude i tillegg til spenningens fasevinkel. Risikoen vurderes i dag som for høy.

Det bør uavhengig av enkeltprosjekter gjennomføres analyser og tester av dette, slik at funksjonen kan benyttes med lavere risiko også i svake nett. Gevinsten dersom man kan utnytte lastbegrensningsfunksjonen med akseptabel risiko, er at omformerstasjoner kan dimensjoneres med mindre marginer mot overbelastning, og at man slik sett kan bygge mindre kostbare anlegg.