Sandkasse/Frank/Strømflyt i AT-system

Strømflyt i AT-system

Strømflyt i autotransformatorsystem (AT-system) er komplisert fordi det går strøm på to spenningsnivåer (15 kV og 30 kV) samtidig, eller sakt på en annen måte så går det både strømkomponenter for en- og tofset strøm samtidig. Artikkelen «Bruk av autotransformatorer i banestrømforsyningen» forklarer sammenheger og formler for autotransformatorer (AT-er) med størst vekt på selve AT-systemet. Her blir kvantitavive forhold rundt strømflyen i AT-systemt forklart for AT-system med elektrisk utforming E (ATNLPL-system), men forskjellen med elektrisk utforming F (ATNL-system) er ikke stor.

Innledning

Autotransformatorene som benyttes i jernbanen i Norge og Sverige har en omsetning på 33:16,5 kV og vanligvis en merkeeffekt på 5 MVA. Dog er nominell spenning for AT-systemet 30 og 15 kV. Autotransformatorenes midpunkt eller nøytralpunkt er tilkoblet skinnene og jord. Den ene spenningsførende terminmalen er tilkoblet kontaktledning og/eller positivleder (PL) og den andre negativleder (NL). Mellom skinnejord og PL (fasespenning) er det således 15 kV og samme spenning finner en mellom skinnejord og NL. Det er en faseforskyvning på 180° mellom NL og PL. Det vi si at spenningen (hovedspenningen) mellom de to faselederne (NL og PL) er 30 kV. Faselederne kalles for øvrig AT-ledere.

Et annet kjennetegn med autotransformatorene er meget lav kortslutningsimpedansen; 0,4 % eller 0,218 Ω for enheter på 5 MVA. Til sammenligning er det vanlig for vanlige transformatorer med galvanisk adskilte viklinger at kortslutningsimpedansen er 6–12 %. Impedansen for AT-lederne er mye større, typisk 0,0633 Ω/km (referert 15 kV-nivå), slik at for 80 km med AT-system er impedansen 5,04 Ω. Dette er greit å vite ved analyse av AT-systemet, fordi det betyr at impedansen i autotransformatorene ofte kan sees bort fra.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A rett ved seksjonsfeltet nærmest spenningskilden til venstre og nærmest t-avgreiningen fra PL. Sorte tall viser resulterende strøm, røde tall er strømkomponenten på 15 kV-nivå og blå er strømkomponent på 30 kV-nivå. Over autotransformatorene er belastningen vist

Strømflyt i AT-system med tre AT-vinduer

Nedenfor er det vist fem skisse som viser strømmen som flyter i lederne basert på beregningene utført av Varju, samt antagelser for en matestrekning som er 30 km istedenfor 84 km. Tallene i sort er hentet ut fra beregningen av Varju. Her er det forutsatt at toget trekker 1000 A (alle verdiene fra Varjus beregninger er doblet). En skal her i detalj forklare hva som skjer og hvordan strømflyten går.

I tilfellet der toget er midt på strekningen som i figuren under ser en at strømmen er likt fordelt mellom PL og NL i føste og tredje AT-vindu. Det tilsvarer omtrent strømflyten beregnet av Varju for tilfellet der toget er ved km 42. Videre vises strømmens komponenter på 15- og 30 kV-nivå med henholdsvis røde og blå piler, mens sorte tall viser virkelig (resulterende) strøm for lederen. I dette tilfelle skjer all effektoverføring fra spenningskildene på 30 kV-nivå og autotransformatorene rett ved toget omsetter strøm til toget på 15 kV-nivå. Det ville vært tilfelle om impedansen i autotransformatorene var null, men siden det ikke er mulig og matestrekningen heller ikke er spesielt lang, vil noe strøm komme fra tilstøtende spenningskilder på 15 kV-nivå. Denne strømmen er såpass liten, anslagsvis noen få amper, at den sees bort fra her. Om matestrekningen var lengre og det var mange AT-vinduer, ville autotransformatoren mellom spenningskildene og toget ikke omsatt strøm i det hele tatt. Videre er det i tegningen vist strømbelastningen for autotransformatorene som brøker over hver enhet. Alle autotransformatorene her belastes 500 A på sekundersiden og 250 A på primærsiden.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A rett ved autotransformatoren midt på matestrekningen. Sorte tall viser resulterende strøm, røde tall er strømkomponenten på 15 kV-nivå og blå er strømkomponent på 30 kV-nivå. Over autotransformatorene er belastningen vist.

Strømflyten når lasten er rett ved autotransformatoren 1/3 ut på matestrekningen fra spenningskilden til venstre, er vist i figur 78. Det tilsvarer omtrent strømflyten i Varjus beregnet for tilfellet der toget er ved km 36,002. Som en ser, går 84 % av strømmen på 15 kV-nivå via autotransformatoren rett ved lasten. Legg merke til at autotransformator nummer to og tre fra venstre også omsetter strøm til toget. Legg også merke til at 80 A kommer rett fra spenningskildenm til venstre uten å ta veien om autotransformatorene.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A rett ved autotransformator nummer to på matestrekningen. Sorte tall viser resulterende strøm, røde tall er strømkomponenten på 15 kV-nivå og blå er strømkomponent på 30 kV-nivå. Over autotransformatorene er belastningen vist.

Når toget er ved seksjonsskillet slik at den er nærmest t-avgreiningen til kontaktledningen nærmest midten av AT-vinduet, går strømmen som nedenfor. Her er strømflyten beregnet av Varju for tilfellet der toget er ved km 27,001 overført til denne situasjonen. Selv om lasten nå er bare rundt 3 km fra spenningskilden til venstre, så kommer 35 % strøm fra spenningskilden som er rundt 27 km unna.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A rett ved seksjonsfeltet nærmest spenningskilden til venstre og nærmest t-avgreiningen fra PL. Sorte tall viser resulterende strøm, røde tall er strømkomponenten på 15 kV-nivå og blå er strømkomponent på 30 kV-nivå. Over autotransformatorene er belastningen vist

Nedenfor er det vist hvordan strømmen flyter når toget er rett ved seksjonsfeltet og får forsyning over kontaktledningen nærmest spenningskilden til venstre. Denne gangen er det strømflyten fra Varjus beregning når toget er ved km 2,999 som er forsøkt lagt til grunn. Med 81,0001 km til spenningskilden på høyre side som i Varjus beregning går det bare en meget liten strøm i AT-lederne derfra, anslagsvis under 10 A. Her er det antatt at strømmen må være større fra spenningskilden til høyre siden den er under halvparten så nært. Varjus beregning viser i tillegg en 60 A (30 A i Varjus beregning) i AT-lederne nærmest toget. Dette må bety at autotransformatorene i begge ender av AT-vinduet der lasten er, leverer strøm og at en del av bidraget er en strømkomponent på 30 kV fra spenningskilden nærmest (til venstre). Denne strømkomponenten er ikke tatt med, men det er forsøkt antydet hva belastningen av autotransformatorene nærmest lasten vil være.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A rett ved seksjonsfeltet og nærmest spenningskilden til venstre. Sorte tall viser resulterende strøm, røde tall er strømkomponenten på 15 kV-nivå og blå er strømkomponent på 30 kV-nivå. Over autotransformatorene er belastningen vist

Når lasten står rett ved spenningskilden til venstre, er det ingen strøm som går andre veier enn i kontaktledningen rett ved. I praksis er dette noe som skjer et svært kort øyeblikk mens toget beveger seg forbi utmatingen.

Strømflyt med en last som trekker 1000 A rett ved omformerstasjon. Over autotransformatorene er belastningen vist.