Dynamisk systembeskrivelse av kontaktledningsanlegg

__NUMBEREDHEADINGS__

DYNAMIKK I KONTAKTLEDNINGSANLEGG

Begrepet dynamikk i kontaktledningsanlegg beskriver samvirkningen mellom strømavtaker og kontaktledning. Den følgende beskrivelsen er ment å gi en oversikt over fenomener som omhandles i kontaktledningsteori. Disse fenomenene er beskrevet mer detaljert i Per Stures lærebok [1] og i ”Fahrleitungen elektrischer Bahnen” [2].

Innføring

Samvirkningen mellom strømavtaker og kontaktledning bestemmer godheten på overføringen av energi fra ledningsnett til forbruker. Samtidig avgjør samvirkningen også slitasje på slepekull og kontakttråd. En optimalisering av dette samarbeidet er derfor svært viktig når det gjelder å oppnå et feilfritt og vedlikeholdsvennlig anlegg. Minimalisert vedlikehold betyr sparte kostnader. Driftssikkerhet gir kundeorienterte anlegg med høy tilgjengelighet.

For å kunne kvantifisere det ovenfornevnte må en benytte et sett objektive parametre i arbeidet med evaluering av kvalitet eller godhet, på samarbeidet mellom strømavtaker og kontaktledning. Tidligere ble denne delen av ledningsutviklingen gjort forsøksvis steg for steg. Empiriske formler over parametrenes innvirkning ble fremstilt og man eksperimenterte i skala 1:1. I de senere år har man tatt tak i dette arbeidet og utviklet simuleringsmodeller for å kunne forutsi hvilke innvirkninger endringer i parameteroppsettet kan medføre. Simuleringsmodellene blir verifisert gjennom målinger som før, men denne gang for å kunne sjekke simuleringsverktøyet. Bedre regneverktøy sammen med større og raskere maskinvare har gjort simulering mulig og anvendelig. Ikke minst sparer man seg for inngrep som man tidligere måtte reversere for å komme bort fra feilvalgte verdier på parametrene.

Simuleringsverktøyene muliggjør en enda sikrere evaluering av kvaliteten på strømavtaking og øker dermed også levetiden for anleggene. En finere analyse kan også avsløre svake punkter i oppsettet og legge mulighetene til rette for å optimalisere systemene på enkeltpunkter. Eksempler på slike steder er vekslingsfelt, seksjonsfelt, sporveksler og krappe kurver.

Teknisk grunnlag

Noen av de komponenter og begreper som omhandler den fysiske oppbyggingen av en kontaktledning er vist i figur 1.

Figur 1 Prinsippskisse av kontaktledningen.

I teksten under er stabilitet i jordsmonn og fundament med mast ikke omtalt. Imidlertid utgjør fundamentering store kostnadsbidrag for de største bærende konstruksjonene. Særlig dersom stabiliteten fraviker normalen mye, blir konstruksjonene kostnadsdrivende. Effektive produksjonsmetoder er avgjørende for lønnsomheten.

Utbredelse av transverselle impulser langs en innspent kontakttråd

En viktig faktor for samarbeidet mellom strømavtaker og kontaktledning er utbredelsen av impulser langs ledningens lengderetning i form av bølger. Bølgene oppstår når en strømavtaker beveger seg bortover under kontakttråden. En tilfredsstillende vurdering av dette fenomenet er mulig ved å betrakte kontakttråden som en innspent tråd bestående av flere elementer. Trådens stivhet kan ses bort fra fordi kreftene er så høye. Utbredelsen av en transversell impuls, egentlig et lokalt oppløft forårsaket av strømavtakeren, langs kontakttråden blir dermed å betrakte som et elastisk element i en tråd. Hastigheten impulsen forplanter seg med langs kontakttråden kalles bølgeutbredelseshastigheten.

Et uttrykk for bølgeutbredelseshastigheten, cp, er:

(4.1)

hvor σ = strekk i [N],  = tettheten i [kg/m] Hkt = strekk i kontakttråden [N] mkt = vekt av kontakttråden per meter [kg/m]

Eksempel, System 20.

For en tråd av 100 mm2 Cu, innspent med Hkt = 10 kN og med en vekt på mkt = 0,89 kg/m, kommer denne verdien ut:

Forholdene i en innspent kontakttråd ved belastning med en konstant langsgående bevegelig kraft

Det er et mål å kunne beskrive forholdene i en kontakttråd når en strømavtaker påvirker den med en konstant kraft F0’ og glir under den i en konstant hastighet v.

Dette gir hjelp til å finne et uttrykk for resonanssvingninger i kontakttråden når toghastigheten er lik bølgeutbredelseshastigheten. Disse utledningene er best beskrevet i mekanikken, og derfor nevnes bare konklusjonen her.

Først er det fornuftig å merke seg to alternative forklaringer på kritisk hastighet. Den ene er at når toget kjører så fort at det innhenter bølgen eller kjører i bølgen, da vil strømavtakeren få et uendelig oppløft og dermed havari. Den andre som omtales er den hastigheten anleggene er dimensjonert for.

Det oppløftet som forårsakes når man nærmer seg bølgen blir så stort at man ikke lenger kan ha en god energioverføring. Anleggets konstruksjon tillater ikke oppløft av en slik størrelsesorden, rent fysisk, og man får havari. Denne teorien bekreftes også i praksis. Strekket i tråden legges derfor slik at bølgeutbredelseshastigheten ligger noe over toghastigheten. Da er bølgeutbredelseshastighet i størrelsesorden 1,4 til 1,5 ganger toghastigheten.

Bevegelsen av strømavtakeren under kontakttråden vil i seg selv gi pulser på tråden fra de stedene som oppfattes som diskontinuerlige med hensyn på masse for eksempel ved hengtrådene. Disse pulsene vandrer langs tråden. De reflekteres i punktene som genererer pulser, og dempes i andre deler av konstruksjonen. Likeledes vil bølgen strømavtakeren setter opp også dempes og reflekteres i diskontinuerlige punkter i ledningen. Dette betyr at bølger og pulser beveger seg frem og tilbake i ledningen og treffer strømavtakeren på sin vei. Disse pulsen vil enten svinge med eller mot strømavtakeren og forårsake forstyrrelser eller forbedringer i strømavtakingen. Begge delsystemene må derfor harmoniseres for å kunne fungere tilfredsstillende sammen.

Denne delen av beregningene utføres ved bruk av betraktninger av bølger og dopplereffekt kombinert med bølgeutbredelseshastighet. Man søker etter amplituder og kraft i refleksjonene fra pulsene som genereres av strømavtaker. Og som noe av det siste går man løs på kontaktlednings-anleggets egensvingninger/ egenfrekvenser.

Tabell 1 viser noen parametre som kvantifiserer størrelsene det snakkes om.

Tabell 1 Parametre for kontakttråd belastet med en konstant langsgående bevegelig kraft. Kontaktlednings-oppbygging Benevning System 20 System 25 Kontakttråd -strekkraft

kN Ri 100 10 Ri 120 15 Bæreline -strekkraft

kN Bz 50 10 Bz 70 15 Bølgeutbredelses - hastighet

km/h 382 427 Ujevnhetsgrad

% 20 10 Refleksjons –koeffisient

1 0,413 0,425 Dopplerfaktor 1 0,41 (160 km/h) 0,26 (250 km/h) Forsterknings –faktor

1 1,01 1,63 Egenfrekvens

Hz 0,74/0,76 0,96/1,02

Dersom en betrakter faktorene som er nevnt i tabellen savnes noe om ujevnhetsgraden. Den kan finnes ved å måle oppløft av kontakttråden i et ledningsspenn, med 20 N kraft mot tråden. Verdiene føres opp i en tabell for hver meter over hele spennet. Deretter foretas de samme målingene med en kraft på 120 N mot ledningen. Ved å plotte verdiene i et felles diagram får man en grafisk fremstilling av målingene, og man kan lese av elastisiteteten, e, i ledningen. Man finner en maksimum- og en minimumsverdi for e.

Ved sammenligning av begge kjøringene finnes oppløft pr. N i % direkte da det hele er planlagt med 100 N som trinn. Forskjellen i oppløft på midten og ved utliggerne regnes da ut og begrepet ”Ujevnhetsgrad” finnes på bakgrunn av elastisiteten. Et uttrykk for denne verdien finnes i likningen :

(4.2)

hvor  er ujevnhetsgraden for ledningen.

Refleksjonsfaktor r er et uttrykk for hvor meget av impulsene som blir reflektert av kontaktledningsanlegget. Man kan se for seg både en demping og forsterkning av svingninger. Jo mindre refleksjonsfaktoren er desto mindre fare er det for at en hengetråd knekker sammen ( det vil si bøyes ut ).

Forsterkningsfaktor, , sier noe om hvor meget svingninger blir forsterket i et ledningsanlegg. Den kan beskrives som:

Forsterkningsfaktor = refleksjonsfaktor / dopplerfaktor

(4.3)

hvor dopplerfaktoren, , er en funksjon av toghastigheten, v.

Bølgeutbredelseshastigheten bestemmer i vesentlig grad dopplerfaktoren.

Teoretisk sett kan systemer som regel håndtere en større toghastighet enn den de er definert for. Som oftest settes denne hastigheten lavere for å kunne tåle mindre endringer i togsammensetningen. Dette skyldes at samarbeidet mellom strømavtaker og kontaktledning er meget komplekst og krevende. Flere systemer med svingende masser og ulike dynamiske egenskaper med aerodynamikk, skal kombineres for å få god strømavtaking. Strømavtakerne skal ofte løpe over ulike kontaktledningssystemer med forskjellige hastigheter, og man har derfor måttet inngå en rekke kompromisser for å få til dette. Videre er det også avgjørende for fremføringshastigheten hvorvidt man kjører med en eller flere strømavtakere, og hvilken innbyrdes avstand disse har.

Godkjenning av ulike strømavtakerkonfigurasjoner må verifiseres med reelle målinger på togene og med simuleringer. Samsvar mellom målinger og simuleringer gir den sikreste kontrollmetoden. Evaluering og sertifisering, typegodkjenning, foretas før man tillater rutegående trafikk på anleggene. Det er her snakk om levetidsbetraktninger både for slepekull og kontakttråd og ikke minst kostnadsbesparelser for eier av infrastruktur og trafikant.

Den etterfølgende tabellariske oversikten viser alle faktorer og deres tilhørende størrelser for høyhastighetsbaner og deres tilstøtende traseer slik de europeiske forvaltningene mener de må være for å få til samkjøring av tog.

Kontaktledningsanlegg; Utkast til merkedata for høyhastighetsbaner. Norsk oversettelse av UIC – blad fra Gruppe 57 H 3

Merknad: Dette utkastet er en del av spørsmålskompleks som hører inn under følgende normer:

Tabell 2 Normer Benevning v > 200 - 230 km/h v > 230 - 300 km/h v > 300 km/h Kinematisk grenselinje

UIC 505/606 - 1 UIC 505/606 - 1 UIC 505/606 - 1 Kontakttråd

EN 50149 EN 50149 EN 50149 Strømavtakerprofil

UIC 608, 794 - 0 UIC 608, 794 - 0 UIC 608, 794 - 0 Spenningsnivå

UIC 600 UIC 600 UIC 600 Statisk kontaktkraft målt i stilstand

UIC 608, 794 - 0 UIC 608, 794 - 0 UIC 608, 794 - 0 Sikksakk

UIC 606-1 eller 2 UIC 606-1 eller 2 UIC 606-1 eller 2 Kvalitetssikring

UIC 791 UIC 791 UIC 791

Disse UIC - normene kan senere bli erstattet av CENELEC – normer: UIC 600 Elektrisk togfremføring med kontaktledningsanlegg. UIC 606 – 1 Konstruksjon av kontaktledningsanlegg hvor det er tatt hensyn til de kinematiske bevegelser toget kan tillates å ha etter UIC - normene i rekke 505. UIC 606 – 2 Bygging av kontaktledningsanlegg for 25 kV - 50 eller 60 Hz og kravene til strømavtaker. UIC 608 Krav til strømavtaker på trekkaggregater i internasjonal samtrafikk. UIC 794 - 0 Sammenheng mellom strømavtaker/kontaktledningsanlegg i europeisk høyhastighetsnett.

EN 50119 Kontaktledningssystemer.

EN 50149 Kobber og kobberlegerte kontakttråder.

EN 50163 Spenningssystemer.

Generelt

Denne normen (UIC – blad fra gruppe 57 H 3) inneholder krav og anbefalinger som stilles til et pålitelig, gunstig og driftssikkert samarbeid mellom strømavtaker og kontaktledningsanlegg for hastigheter over 200 km/h. Anbefalingene i normen gjenspeiler eksisterende teknikk og erfaringer som forvaltningene har med høyhastighetstrafikk også med hensyn til økonomisk optimalisering.

Denne normen ligger også til grunn for “Technical specifications for interoperability (STI/TSI)”, som beskriver minimumskrav til internasjonal samtrafikk. Disse minimumskrav forutsetter at strømavtakeren har en enhetlig profil og geometri. På øvrige strekninger i det regionale nett kan det settes inn en annen strømavtaker.

Anvendelsesområde

Det europeiske høyhastighetsnettet består av strekninger med hastigheter over 250 km/h, tilknyttede utbygningsstrekninger for 200 - 230 km/h og av andre strekninger.

Nye høyhastighetsstrekninger vil fremtidig bli bygget ut med AC- systemer. For disse strekningene, tilstøtende utbygningsstrekninger planlagt med

v >200 km/h og øvrige nett med grensesnitt mot høyhastighetsstrekninger skal anbefalinger og krav nedenfor oppfylles. For eksisterende strekninger utenom dette høyhastighetsnettet, bør disse målsetningene etterstrebes. Bindende krav i normen er angitt med en stjerne *.

Symboler

Tabell 3 Formelsymboler Symbol Betegnelse Referansepunkt  dopplerfaktor 52  forsterkningsfaktor 54  standardavvik 15, 16 c spennlengde 20 emax maksimal elastisitet 49, 50 emin minimal elastisitet 49, 50 Fm strømavtakerens midlere dynamiske kontaktkraft 14 Fmax strømavtakerens maksimalt tillatte kontaktkraft 15 Fmin strømavtakerens minste tillatte kontaktkraft 16 mfd kontakttrådens spesifikke masse 55, 53 mts bærelinens spesifikke masse 53 r refleksjonsfaktor 53 U ujevnhetsgrad 50 ud kontakttrådens vidavdrift ut i fra statisk tilstand 30 vc bølgeutbredelseshastighet 51 vb systemhastighet for kontaktledningsanlegget 51 vmax maksimal systemhastighet for kontaktledningsanlegget 51 Wfd vindtrykk mot kontakttråd 30 Zfd strekk i kontakttråd 53 Zts strekk i bæreline 53 Definisjoner Hastighetsområder Parameterne for kontaktledningsanleggene deler seg inn i tre hastighetstrinn:

200 til 230 km/h
230 til 300 km/h

> 300 km/h

Denne avgrensning refererer seg til dagens teknologi og gjenspeiler forvaltningenes erfaringer innenfor høyhastighetsområdet.

Spenning og frekvens Verdiene gitt i denne normen gjelder for

25 kV, 50 Hz 15 kV, 16 2/3 Hz

Profil på rullende materiell Normen er basert på og refererer seg til anvendelse av UIC profil GC for de aktuelle banestrekningene.

Samarbeid mellom strømavtaker og kontaktledningsanlegg De parametre som er tvingende nødvendig for et sikkert og godt samarbeid mellom kontaktledningssystem og strømavtaker finner man i UIC normen 794 - 0.

Kvalitetskriterier For å kunne kvalifisere et kontaktleningssystem må følgende krav oppfylles:

Strømavtakerkriteriet: Fmin = Fm -  (4.4)

Kontakttrådslitasje : minimum 2 millioner strømavtakerpaseringer før maksimal slitasje på kontakttråden oppnås.

Kontaktkraften og lysbuer mellom strømavtaker og kontakttråd er vurderingskriterier på kvaliteten av strømavtaking og slitasje på anleggene.

Krav og retningsgivende størrelser på kontaktledningsanlegg for høyhastighet

Bindende konstruktive krav er merket med *

Tabell 4 Krav og størrelser for kontaktledningsanlegg, høyhastighet. Nr. Parameter, merknader gjeldende for anlegg dimensjonert for : 200 til 230 km/h 230 til 300 km/h >300 km/h Enhet 1 Avstand mellom to påfølgende strømavtakere.

>200

>200

>200

[m] 2 Kontakttrådhøyde.

Normalavstand mellom planet i skinneoverkant og underkant kontakttråd ved opphengingspunkter.

Systembetinget kontakttrådhøyde toleranse.

Systemets kontakttrådhøyde er gitt av profil GC og er avhengig av kriterier som snø og islast, isolasjonsavstander, bygg og vedlikeholdstoleranser etc.

5.000-5.500

 30

5.080

0 + 20

5.300

 10

mm 3 Kontakttrådens toleranse i vertikalplanet fra utligger til utligger ved bygging.

 30

 10

 10

mm 4 Maksimal kontakttrådløfting i utliggeren ved strømavtakerpasering.

 120

 120

 120

mm 5 Minste kontakttrådhøyde for kontaktledningssystemer for hastighet  230 km/h.

For bestående nett og tilknyttningsspor gjelder nasjonale regler.

4920

mm 6 Maksimal kontakttrådhøyde for kontaktledningssystemer for hastighet  230 km/h.

For bestående nett og tilknyttningsspor gjelder nasjonale regler.

6500

mm 7 Tillatt stigning og fall i kontakttrådhøyde.

EN 50119 8 Nasjonale lover og rettslige regler for bygging av kontaktledningsanlegg.

9 Varig strømbelastbarhet.

For å sikre riktig byggetoleranser (temperaturavhengig lengdeutvidelse) også i grensebelastningsområdene må det tas hensyn til den termiske strømbelastbarheten.

Strømbelastbarheten blir overveiende definert for en sluttemperatur på +80 C og for en vindhastighet på 0,6 m/s. Som ute-starttemperatur er det valgt +40 C som ugunstigste tilfelle for europeiske jernbaner.

A 10 Korttidsstrøm.

Dette er en strøm med varighet i 5 minutter hvor rammebetingelsene er en starttemperatur på +40 C som ugunstigste tilfelle og sluttemperaturen er som for varig strømbelastbarhet.

A 11 Kortslutningsstrøm.

Dette er en tillatt strøm som pr. definisjon har en varighet på 0,2 s ved 16 2/3 Hz og 0,1 sekund ved 50 Hz. Rammebetingelsen er en starttemperatur på +40 C og en sluttemperatur som for varig strømbelastning.

På grunn av dynamiske forhold under kortslutning i kontaktlednings-anlegget, for 16 2/3 Hz, må minsteavstanden til byggverk og øvrige konstruksjoner overholdes.

A 12 Temperaturtidskonstant.

Som utgangspunkt for europeiske jernbaner er det forutsatt en starttemperatur på +40 C . Sluttemperatur er angitt til å være +80 C ved 0,6 m/s vind.

En retningsgivende verdi er fra 5 til 10.

min 13 Statisk kontaktkraft.

Retningsgivende her er blant annet materialvalg i kontakttråd og slepekull, den varige strømbelastningen i stillstand og ved startstrømmer, eventuelle andre begrensninger og kontakttrådens løft.

UIC - 608

N 14 Strømavtakerens midlere dynamiske kontaktkraft Fm.

Fm er kontaktkraftens middelverdi som kommer frem ved en analyse etter en måleserie for kontaktkraft. For å minimere slitasje og holde kontakttrådløftingen på et minimum skal Fm holdes på et minimum.

120-150

120-180

150-200

N 15 Strømavtakerens maksimale dynamiske kontaktkraft.

Dette er fastlagt gjennom den maksimalt tillatte kontakttrådløftingen og de konstruksjonsbestemte kravene for fremstilling av slepekullene.

Fmax  Fm  3

250

250

250

N 16 Strømavtakerens minimale dynamiske kontaktkraft.

Dette er en verdi som har til hensikt å begrense lysbuefenomener som en følge av tap av kontaktkraft og dermed høyere slitasje på kontakttråden og slepekull. (Mellom 20 og 40 N er en vanlig forekommende verdi.)

Fmin  Fm - 3 (foreløpig)

 0

 0

 0

N 17 Omgivelsestemperatur.

Denne er dimensjonerende for strømførende egenskaper og konstruktive tiltak for kontaktledningsanlegg og er avhengig av geografiske forhold.

C 

18 Maksimal vindhastighet.

Denne er normgivende for den maksimale utblåsingen av kontakttråden og er geografisk bestemt.

m/s 19 Islast.

Denne blir ikke spesielt behandlet da stedlige og nasjonale regler må ivaretas spesielt for hvert anlegg.

Konstruksjonsparametre

For en tilfredsstillende funksjonalitet ved et kontaktledningsanlegg for høyhastighet er de etterfølgende parametre (standardverdier) av vesentlig betydning.

Tabell 5 Konstruksjonsparametre. Nr. Parameter, merknader gjeldende for anlegg dimensjonert for : 200 til 230 km/h 230 til 300 km/h >300 km/h Enhet 20 Maksimal spennlengde.

(med bakgrunn i elastisitet, vindutblåsning og økonomiske betraktninger.)

Fri linje Tunnel

65 50

65 50

65 50

m 21 Maksimal lengdeforskjell i to hosliggende spennlengder.

< 15

< 15

< 15

% 22 Systemhøyde.

Den normale avstanden mellom bæreline og kontakttråd i utliggeren, avhengig av den minste hengetrådlengde i det maksimalt tillatte spenn og om det er Y-line.

Fri linje

Tunnel

1,25-1,80

0,60-1,10

1,4-1,80

0,8-1,10

1,40-1,80 0,80-1,10

m 23 Utliggeregenskaper.

Enkeltutliggere krever et rom for minimumsheving i henhold til EN 50119.

Uten begrensning i heving av lett direksjonsstag aksepteres 2 x den maksimale verdien som strømavtakeren fremkaller ved en passering av utliggeren.

Med begrensning i heving av lett direksjonsstag aksepteres 1,5 x den maksimale verdien som strømavtakeren fremkaller ved en passering av utliggeren.

240

180

240

180

240

180

mm 24 Lett direksjonsstag (som styrer den ledning det kjøres på).

Det skal ha minimal masse, oppta strekkrefter, tillate heving av tråd ved passering og ha vindsikring.

påkrevd

påkrevd

påkrevd

25 Normalverdi for korteste hengetråd.

Denne fremkommer ved å ta hensyn til vekt av deler og strekkraft i tråd og liner, elastisitet, høydetoleranser ved temperaturforskjeller og de dynamiske kreftene ved kortslutning i nettet.

15 kV 25 kV

0,25 0,20

0,25 0,25

0,60 0,30

m 26 Avstand mellom hengetråder.

Denne har innvirkning på lik elastisitet og nedhenget gjennom spennet.

< 9,50

< 9,50

< 9,50

m 27 Nedheng.

Dette er differensen i kontakttrådhøyde mellom første hengetråd i spennet etter utliggeren og midt i spennet i forhold til hele spennets lengde.

 0,5

 0,5

 0,5

o  28 Maksimal sikksakk ved utligger.

 0,30

 0,30

 0,30

m 29 Største sideforskyvning av kontakttråden pr. 100 meter lengde.

0,55

0,50

0,50

m 30 Maksimal tillatt sideforskyvning av kontakttråd på rettlinje ved maksimal sidevind.

 0,4

 0,4

 0,4

m 31 Maksimal tillatt sideforskyvning av kontakttråd i kurver ved maksimal sidevind.

32 Antall spennlengder ved seksjons- og vekslingsfelt.

 3

 4

 4

stk 33 Kontakttrådens påløp ved kryss og i veksler.

Påløpet kan skje ovenfra eller fra siden. Ved påløp fra siden skal området hvor begge kontakttrådene er kjørbare ligge på den siden av strømavtakeren hvor påløpet finner sted.

34 Avspenningenes art.

Det skal være separate avspenninger for kontakttråd og bæreline både ved lodd- og fastavspenning.

Line og trådspesifikasjoner

Tabell 6 Line- og trådspesifikasjoner Nr. Parameter, merknader gjeldende for anlegg dimensjonert for : 200 til 230 km/h 230 til 300 km/h >300 km/h Enhet 35 Kontakttråd.

Etter EN 50149

36

Antall kontakttråder.

1

1

1

[Stk] 37 Tverrsnitt pr. kontakttråd.

 100

 120

 120

[mm2] 38 Strekkraft i kontakttråden.

Spesifikk avspenningskraft etter retningslinjene fra CENELEC under hensyntagen til sikkerhetsfaktor.

 100

125

 133

[N/mm2]

 39

Maksimal tillatt slitasje på kontakttråd.

20

20

20

[%] 40 Maksimal tillatt strekkraft i kontakttråd ved oppnådd maksimal slitasje.

Etter EN 50119

[N/mm2]

 41

Bæreline.

Dimensjonering etter strømbelastning, avspenning, spesifikk masse og utvidelseskoeffisient.

42 Antall bæreliner.

1

1

1

[Stk]

 43

Hjelpebæreline.

Nyttes for forbedring av de dynamiske forholdene.

Valgfri

44 Y – line.

Avhengig av systemvalg.

Tverrsnitt

Valgfri

35

35

35

[mm2] 45 Y - linens lengde.

0 til 30 % av spennlengden

[m] 46 Strekk i Y – line.

Spesifikk avspenningskraft i Y – line.

25 til 50 % av bærelinestrekket

[N/mm2] 47 Forsterkningsledning.

Dimensjoneres etter strømbelastning.

Behovsprøvet

48 Returledning.

Dimensjoneres etter spesifikk ledningsevne i jordsmonnet, strømbelastning og som beskyttelsesanordning.

Avhengig av energiforsynings-systemets topologi kan denne utføres som adskilte strømbaner for returstrøm og beskyttelsesjord.

Behovsprøvet

Fysiske egenskaper

Tabell 7 Fysiske egenskaper Nr. Parameter, merknader gjeldende for anlegg dimensjonert for : 200 til 230 km/h 230 til 300 km/h >300 km/h Enhet 49 Elastisitet.

Utledningen av denne verdien følger av den maksimale spennlengden dividert med den aktuelle spennlengden ved en kontaktkraft på 100 N.

emin emaks

0,3 1,0

0,3 0,6

0,3 0,4

[mm/N] 50 Ujevnhetstsgrad.

Forskjellen i maksimal og minimal elastisitet i en spennlengde blir uttrykt gjennom ujevnhetsgraden.

Etter EN 50119.

< 30

< 20

< 10

[%] 51 Bølgeutbredelseshastighet.

Dette er den hastighet en mekanisk påvirkning beveger seg i langs kontakttråden og er dermed et kriteriet for de dynamiske forholdene i kontakttråden.

> 110

> 120

> vmaks + 40

[m/s] 52 Dopplerfaktor.

Dette er sammenhengen mellom bølgeutbredelseshastigheten og toghastigheten.

> 0,26

> 0,18

> 0,17

53 Refleksjonsfaktor.

Denne blir anbefalt nyttet som en mål på tilbakevirkningen av en foregående bølge.

< 0,5

< 0,4

< 0,4

54 Forsterkningsfaktor.

Denne blir anbefalt som en verdi for innvirkningen på svingningsforholdene i kontaktledningen som funksjon av den reflekterte bølgen.

 = r / 

< 1,1

< 1,5

< 2,1

55 Maksimal varighet på lysbue.

< 25

< 25

< 25

[ms] 56 Antall lysbuer med varighet lenger enn 10 ms og mindre enn 25 ms pr. 100 m.

1

1

1

[stk] 57 Lysbuevarighet i % av tiden.

Etter ERRI A 186.

0,2

0,2

0,2

[%]

Krav til rullende materiell mot kontaktledningsanlegg

For at det skal ha noen hensikt å konstruere et kontaktledningsanlegg må man låse en del parametre som relaterer seg til det rullende materiellet som bærer strømavtaker. Det er av den grunn viktig at man har kontroll på de aggregater som bærer strømavtakere. Dette gjelder så vel tilstanden for de eksisterende og for godkjenning av nye.

Strømavtakeren festes normalt direkte til taket på lokomotiver eller motorvogner, sentrert over boggitapp og midt på aggregatet i lengderetningen. For krengetog kan det være flere løsninger for å holde strømavtakeren sentrert over sporet. Den ene av disse er et parallellogram, rammeverk, som festes mot boggi og holder strømavtakeren i posisjon uansett hvorledes vognkassa krenger. Den andre varianten er en aktuator som styrer bevegelsene av strømavtakeren mens den sitter i en spesialramme på taket av vognkassa. Strømavtakeren blir trukket frem og tilbake på tvers av vognkassa avhengig av hvor meget denne krenger i forhold til sporet. Av hensyn til god strømavtaking skal materiellets rullvinkelkoeffisient ikke være større enn 0,2 beregnet etter UIC - fiche 502. Ved gjennomkjøring av kurver vil vognkassens fjæranordning forårsake at vognen ”ruller” utover på grunn av sideakselreasjonen. Rullvinkelkoeffisienten forteller hvor stor denne sideforskyvningen er i forhold til om vognen hadde kjørt gjennom kurven uten denne sideforskyvningen. Tyngdepunktet for forskyvning av vognkasse ligger om lag 1 meter over sporplan.

De dynamiske bevegelsene kan deles opp i to grupper: Sikre bevegelser Tilfeldige bevegelser

Under er det listet opp noen parametre som rullende materiell må holde,. Feil som fører til sideforskyvning (eksentrisitet) er benevnt med e, mens feil som fører til rotasjon er benevnt med   :

Tabell 8 Parametre for rullende materiell, sikre bevegelser. Sikre bevegelser Parametre som er bestemmende Betegnelse på figur Kurveutslag. Akselavstand/ boggisenteravstand. Akselavstand til boggi. Avstand fra tverrsnittet til nærmeste boggisenter.

e1 Stilling i sporet. Spillrom hjulsats/vognkasse. Spillrom hjulsats/boggiramme. Sporbredde. Minste sporbredde for hjulsatsen.

e2,1 Rulling av vognkassen. Rullvinkekoeffisient. Høyden av rullsenter over sporplan. Manglende overhøyde. Overhøyde.

3 Sideforskyvning av strømavtaker grunnet vindkraft = 300 N. Sideforskyvning av strømavtaker ved kraft = 300 N i høyden 6,5 m over sporplan. Høyde av senter nederste ledd av strømavtaker over sporplan.

4 Krenging av vognkassen. Krengningsvinkel. Krengesenter. Merkbar sideaksellerasjon.

Innflytelse av overhøyderamper Vognkassens stivhet. Rampestigning. Akselavstand/ boggisenteravstand. Avstand fra tverrsnittet til nærmeste boggisenter.

Nedfjæring. Nedfjæring av primærfjær. Nedfjæring av sekundærfjær.

Endring av hjuldiameter. Hjulslitasje.

Tabell 9 Parametre for rullende materiell, tilfeldige bevegelser. Tilfeldige bevegelser Parametre som er bestemmende Betegnelse på figur Eksentrisk montert strømavtaker

e5 Feil i sporets beliggenhet Avstand mellom sporets teoretiske og virkelige akse

e7 Overhøydefeil

8 Ekstra rulling grunnet overhøydefeil

Dynamisk rulling Dynamisk rullvinkel

10 Skjevstilling grunnet unøyaktig fjærjustering

Vognhjulets helning for tom vogn i vannrett spor 11,1 Skjevstilling grunnet eksentrisk nyttelast

Vogngulvets helning for lastet vogn i vannrett spor 11,2

Figur 2 Dynamiske bevegelser

Krav til strømavtaker

Arbeidshøyden for strømavtakeren skal, som et minimumskrav, være for en kontakttrådhøyde fra 4,70 - 5,90 m. Maksimal arbeidshøyde for norske forhold 6,00 m.

Strømavtakervippen skal være 1800 mm . Det skal være slepekull med minste lengde 1050 mm. Dette gjelder for norske forhold i dag. I fremtiden vil kravet til vippen være 1600 mm og med minste lengde for slepekullet 800 mm. Se figur .3. Strømavtakeren skal ha lavest mulig masse, under 25 kg, og en egensvingefrekvens ikke lavere enn 15 Hz.

Statisk kraft mellom strømavtaker og kontakttråd skal være i innstilt på 55 N.

Den dynamiske kraften mellom strømavtaker og kontakttråd skal ligge i området 40 < F < 120 N ved den maksimale hastigheten for trekkmateriellet. Verdiene skal verifiseres med målinger. Dersom kraften F = 0 N, vil det medføre fraslag, og dersom kraften måles til 150 N, vil det kunne medføre knusing av slepekull og nedriving av kontaktledning.

Ved kjøring med overhastighet i kurver, må strømavtaker og aggregatets rullvinkelkoeffisient tilpasses slik at sikker strømavtaking kan finne sted innenfor de grenser som fritt profil for strømavtaker setter. Strømavtakerens sidestabilitet skal tilfredsstilles etter UIC - fiche 608 E pkt. 6.

Eier av infrastrukturen skal i alle tilfelle gi klarsignal for fremføring før dette finner sted.

Figur 3 Fremtidig internasjonal strømavtakervippe

Krav til strømavtaking

Kvaliteten på strømavtakingen kan bidra til lavere driftskostnader på sikt. Det må være kontroll på krefter mellom slepekull og tråd slik at det ikke oppstår lysbuer og fraslag. Minimal slitasje og perledannelse på tråden gir anlegget lengre levetid. Perledannelse er dråper av smeltet kobber forårsaket av lysbuer.

For å oppnå dette er det utført en rekke testkjøringer med ulike togtyper og strømavtakere under like arbeidsforhold. Det vil si på samme baneavsnitt. Utviklingen i Europa med kjøring med stadig høyere hastigheter og flere strømavtakere, har fremtvunget slike forsøk og resultatene nyter Jernbaneverket godt av.

De etterfølgende tabeller gir et overblikk over krav til kontaktledningen, strømavtakeren (pantografen) og samarbeidet mellom disse. Verdiene i tabellene er et kompromiss som alle de store landene kan akseptere fordi verdiene ligger innenfor deres egne grenseverdier. Verdiene er minimumskrav, og de er forpliktende. Ved fornyelse eller nybygging av strekninger skal disse kravene ivaretas. Det ligger litt for mye forskning bak resultatene i tabellene til at de kan gjengis her som lærebokmateriell. Svingeteknikk, resonansfenomener og dynamikk er egne fagfelt. Man må derfor godta påstander og bekreftet erfaring. Dersom man ønsker å gå i dybden kan man kontakte Jernbaneverkets leverandører for ytterligere informasjon. Krav til rullende materiell blir spesifisert for seg.

Krav til samvirke mellom kontaktledning og strømavtaker for internasjonal samtrafikk på internasjonalt ac høyhastighetsnett

Følgende kommentarer tilhører tabellene: (1) Det er opp til ledelsen i infrastrukturavdelingen å fastlegge om det er nødvendig med restriksjoner på oppløft forårsaket av vind og om det skal settes inn beskyttelsestiltak for dette. Beskyttelse kan enten foretas i kontaktledninganlegget eller på strømavtakeren.

(2) Fm er middelverdien for kontaktkraften etter statistiske analyser fra målevognskjøringer. For å kunne minimalisere slitasje må den observerte Fm være minst mulig og oppløftet være innenfor de tillatte grensene.

(3) Foreløpig verdi

Tabell 10 Krav til kontaktledningen sett fra strømavtakeren Nr. Beskrivelse Tilstøtende linjer Oppgraderte linjer med hastigheter omkring 200 km/h Høyhastighetslinjer med hastigheter V  250 km/h 1. Høyden på kontakttråden

1.1 Nominell høyde på kontakttråden i [mm].

Mellom 5000 og 5750

Mellom 5000 og 5500

1.2

Toleranse i [mm].

30

30

1.3 Grenseverdier i [mm].

4950 og 6200

4950 og 6200

2. Tillatt stigning og fall på kontakttrådhøyden

EN 50119

EN 50119

EN 50119 3. Maksimalt tillatt utblåsning ved maksimalt forekommende sidevind i [mm].

 400

 400

 400 4.

Sikkerhets-anordning for å forhindre ekstra oppløft grunnet ekstreme aerodynamiske forhold.

Unødvendig

Unødvendig

Kan være nødvendig (1) 5.

Fase avstand

5.1

Største ytre avstand for et faseskille utført med luftgap

i [m].

Se avstand D i figur .4.

< 150

> 150

> 150 5.2

Minste indre avstand for et faseskille utført med luftgap i [m]. Se avstand D’ i figur .5.

> 402 (3)

> 402 (3)

>402 (3) 5.3

Minste lengde av et faseskille utført med seksjonsisolator [mm]. Se lengde d i figur .6.

>1500 (3)

> 1500 (3)

Ikke gjennomførbart

Tabellen under indikerer hva som kreves av strømavtakere for internasjonal samtrafikk på høyhastighetsnett og tilstøtende linjer.

Tabell 11 Krav til strømavtakere for internasjonal samtrafikk på høyhastighetsnett og tilstøtende linjer Nr. Beskrivelse Tilstøtende linjer Oppgraderte linjer for hastighet rundt 200 km/h Høyhastighetslinjer med hastigheter V  250 km/h 1. Bredden på strømavtakeren i [mm]. Se figur .3

1600

1600

1600 2. Aktiv arbeidsbredde for pantografen i [mm]. Se figur .3

1200

1200

1200 3. Lengden av slepekullene i [mm]. Se figur .3

 800

 800

 800 4. Profilen for pantografens strømavtakende del. Se figur .3

Se figur 1

Se figur 1

Se figur 1 5. Materiale i kontaktstripen.

Rent karbon , om nødvendig impregnert med tilleggsmateriale.

6. Systemer som oppfanger defekter i pantograf eller slepekull.

Ikke påkrevd

Påkrevd

Påkrevd 7. Faseavstand

7.1 Avstand mellom to påfølgende aktive pantografer i [m]. Se også distanse L i figur .4.

> 152

> 152

> 152 7.2 Største avstand mellom aktive pantografer i [m] Se også distanse L’ i figur .5.

< 400 (3)

< 400 (3)

< 400 (3) 7.3 Elektrisk avstand mellom to slepekull på samme pantograf i mm Se distanse l i figur .6.

 650 (3)

 650 (3)

 650 ((3)

Faseskille utført med luftgap og med maksimalt en pantograf av gangen i systemet

Kontaktledningsanlegget

25 kV fase 1 felles del nøytral del felles del 25 kV fase 2

D

Avstand mellom to påfølgende pantografer

L

Figur 4

Betingelser

D < 150 m

L > 152 m

Ingen elektrisk forbindelse mellom de to pantografene i drift. Faseskille utført med luftgap og med alle pantografer samtidig i systemet

Kontaktledningsanlegget

25 kV fase 1 felles del nøytral del felles del 25 kV fase 2

D’

Avstand mellom pantografer i drift

L’

Figur 5

Betingelser

D’ > 402 m

L’ < 400 m

Ingen elektrisk forbindelse mellom de to pantografene i drift.

Faseskille utført med seksjonsisolator

Kontaktledningsanlegget

d jordet d

25 kV fase 1 isolator nøytral del isolator 25 kV fase 2

Avstand mellom to påfølgende slepekull på pantografen

l

Figur 6

Betingelser

d > 1500 mm

D < 150 m

L > 152 m

l  650 mm Ingen elektrisk forbindelse mellom de to pantografene i drift.

Tabell 12 Samarbeidskriterier - kontaktledning / pantograf Nr. Beskrivelse Tilstøtende linjer Oppgraderte linjer for hastighet rundt 200 km/h Høyhastighetslinjer med hastigheter V  250 km/h 1. Kvalitet på strømavtaking (2) Fm – 3  (N)

> 0 (3)

> 0 (3)

> 0 (3) 2. Tillatt maksimalt oppløft av kontakttråd ved passering av en utligger og uten klimatisk påvirkning.

 120

 120

 120

SIMULERING AV SAMARBEIDET MELLOM STRØMAVTAKER OG KONTAKTLEDNING

Som nevnt i tidligere kapittel er simuleringer et viktig verktøy for å klarlegge dynamiske forhold i samarbeidet mellom strømavtaker og kontaktledning. Det er utviklet forskjellige simuleringsverktøy hos store leverandører, eksempelvis har både Siemens og Adtranz sine egne. Det er dessuten et under utvikling i Sverige hos Banverket.

I 1999 fikk Jernbaneverket utført en del simuleringer for kontaktlednings-systemene ”System 35” og ”Tabell 54, dynamisk standardforbedret etter Skaugstad-metoden” hos Adtranz i Frankfurt. Strømavtakeren var av typen WBL88 og avstanden mellom strømavtakerne som for dobbelsett av krengetogene.

Inndata for dette simuleringsverktøyet beskriver både strømavtaker, kontaktledning og trasé. Blant annet ble det oppgitt vekt og strekk i kontakttråd, bæreline og Y-line. Videre vekt av hengetråder og utliggerkomponenter, systemparametre som systemhøyde, avstand mellom kontakttrådene i veksling, antall hengetråder og innbyrdes avstand mellom dem pr. spenn, spennlengde, lengde på lett direksjonsstag, nedheng i kontakttråd og sikksakk. For strømavtakeren ble det oppgitt vekt på forskjellige deler for eksempel ramme og slepekull, stivhet i fjærer, avstand mellom strømavtakerne og strømavtakerens aerodynamiske oppførsel. Traseen ble beskrevet ved hjelp av horisontal og vertikal kurvatur.

Det kan tas ut store mengder informasjon fra simuleringene. For de foretatte simuleringene ble følgende resultater tatt ut: Kurver for oppløft av kontakttråd ved passering av strømavtaker for kontaktpunkt, ramme og ubelastede ende av strømavtakeren (det vil si høyeste punkt på den). Kontaktkrefter mellom strømavtaker og kontakttråd i kontaktpunktet. Kontaktkrefter mellom strømavtaker og kontakttråd like under slepekullet. Det vil si verdier tilsvarende dem man måler ved målevognkjøring. Statistikk. Gir maksimums-, minimums- og middelverdier for kontaktkrefter, fordeling av kontaktkraftverdier i prosentintervall og lister opp tap av kontaktkrefter/ fraslag. Det er også muligheter for å ta ut andre kombinasjoner av simuleringsresultater.

Nøyaktigheten på simuleringsresultatene Jernbaneverket har fått utført er foreløpig ikke kjent da det ennå ikke har vært anledning til verifisere dem med målevognkjøring. Eksempel fra simulering av høyhastighetsanlegg hos Deutsche Bahn viste svært godt samsvar mellom simulering og måling for første strømavtaker. Resultatene for andre strømavtaker viste noe større avvik. Avvikene skyldes i stor grad faktorer som ikke lar seg gjøre å få med i de matematiske modellene, for eksempel vindfenomener og udokumenterte lokale avvik i spor.

Analyse av simuleringsresultatene kan benyttes til å avdekke problemområder i anlegget. Det kan være med hensyn til stive punkt, uakseptable oppløft eller uakseptable kontaktkrefter. Simuleringsresultatene kan også benyttes til å finne hvilken toghastighet som kan tillates på kontaktledningsanlegget.