Elektrisk systembeskrivelse av kontaktledningsanlegg ver01: Forskjell mellom sideversjoner

Fra Lærebøker i jernbaneteknikk
Hopp til navigering Hopp til søk
Ingen redigeringsforklaring
mIngen redigeringsforklaring
Linje 106: Linje 106:


== Randverdibetingelser: Beregning av admittanser og impedanser ==
== Randverdibetingelser: Beregning av admittanser og impedanser ==
Løsningen fra forrige avsnitt benyttes for å beskrive en transmisjonslinje med lengde L som en admittansmatrise '''Y'''.
Løsningen fra forrige avsnitt benyttes for å beskrive en transmisjonslinje med lengde L som en admittansmatrise '''Y'''. Vi setter posisjonene <math> x_1 = 0 </math> og <math> x_2 = L </math> for linjeende 1 og 2. Strømretningen for begge linjeendene defineres som positiv inn i linja.


<figure id="fig:Admittansbeskrivelse_2porter">
<figure id="fig:Admittansbeskrivelse_2porter">
Linje 117: Linje 117:
<math> \begin{pmatrix} I_1 \\ I_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} Y_{11} & Y_{12} \\ Y_{21} & Y_{22} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} U_1 \\ U_2 \end{pmatrix} </math>
<math> \begin{pmatrix} I_1 \\ I_2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} Y_{11} & Y_{12} \\ Y_{21} & Y_{22} \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} U_1 \\ U_2 \end{pmatrix} </math>


Innsatt for løsningen i forrige avsnitt finner vi:
<math> \begin{align}
U_1 & = u^- + u^+ \\
U_2 & = u^- \cdot e^{\gamma L} + u^+ \cdot e^{-\gamma L} \\
I_1 & = - u^- \cdot \tfrac{1}{Z_0} + u^+ \cdot \tfrac{1}{Z_0} \\
I_2 & = - u^- \cdot \tfrac{1}{Z_0} \cdot e^{\gamma L} + u^+ \cdot \tfrac{1}{Z_0} \cdot e^{-\gamma L}
\end{align} </math>
Man finner <math>Z_{11}</math> og <math>Z_{21}</math> ved først å sette <math>U_1 = 1</math> og <math>U_2 = 0</math> og løse likningene for denne situasjonen. Deretter endrer man situasjon til <math>U_1 = 0</math> og <math>U_2 = 1</math> og bruker dette til å finne <math>Z_{12}</math> og <math>Z_{22}</math>. Resultatet fra disse beregningene blir:
<math> \begin{align}
Y_{11} & = \frac{1}{Z_0} \\
Y_{21} & = u^- \cdot e^{\gamma L} + u^+ \cdot e^{-\gamma L} \\
Y_{12} & = - u^- \cdot \tfrac{1}{Z_0} + u^+ \cdot \tfrac{1}{Z_0} \\
Y_{22} & = \frac{1}{Z_0}
\end{align} </math>


= Referanser =
= Referanser =
[1] Edwards, Penney: ''Elementary Linear Algebra'', Pearson, 1987. ISBN 9780132582605.
[1] Edwards, Penney: ''Elementary Linear Algebra'', Pearson, 1987. ISBN 9780132582605.

Sideversjonen fra 2. feb. 2017 kl. 10:58

__NUMBEREDHEADINGS__

Generelt

Kontaktledningsanlegget overfører effekt mellom matestasjonen og traksjonsmateriell og andre belastninger tilknyttet kontaktledningen. I eldre anlegg skjer overføringen i kontaktledning ved 15 kV nominell spenning, med retur i kjøreskinner ved 0 kV. I nyere anlegg er det innført returledere eller AT-system med positivleder og negativleder. Følgende ledere er vanlige i et kontaktledningsanlegg. Det kan finnes ytterligere ledere parallelt med jernbanetraseen som påvirker eller påvirkes av kontaktledningsanlegget.

<figtable id="tab:Ledere_oversikt">

Ledere oversikt
Leder Forklaring Nominell spenning
KL Kontaktledningsanlegg, omfatter kontakttråd og bæreline 15 kV
RR Kjøreskinner 0 kV
RL Returleder 0 kV
FSL Forsterkningsleder 15 kV
PL Positivleder (for AT-system) normalt + 15 kV
NL Negativleder (for AT-system) normalt - 15 kV

</figtable>

I dette kapittelet vil det bli beskrevet en matematisk modell som beregner hvordan strøm og spenning fordeler seg mellom ulike ledere i et slikt flerledersystem som et kontaktledningsanlegg utgjør. Denne modellen er det teoretiske grunnlaget for beregning av:

  • impedansen mellom matestasjon og belastning i kontaktledningssystemet,
  • potensial i returkretsen,
  • indusert spenning i ledere som går parallelt med jernbanetraseen,
  • belastning på enkeltledere og komponenter i kontaktledningsnettet.

I praktisk bruk er regnemodellen programmert inn i et regneprogram der numeriske parametre for beregningen angis og resultatet presenteres i form av grafer og tabeller.

Enkel transmisjonslinje

Introduksjon

Den enkleste formen for problemet er ei enkelt linjesløyfe. Det finnes mye teori som beskriver problemet, og problemet har kjent analytisk løsning. Det tas i de følgende avsnitt likevel en rask gjennomgang av den grunnleggende teorien, fordi den samme framgangsmåten benyttes for analyse av et flerledersystem.

Telegraflikningene

En kontaktledning med retur i kjøreskinner kan forenklet betraktes på denne måten, hvis man ser bort fra lekkasje til jordsmonn. Telegraflikningen tar utgangspunkt i et svært kort linjesegment dx av linjesløyfa. Linjesegmentet har en seriell resistans R · dx og reaktans X · dx, og en parallell konduktans G · dx og susceptans B · dx.

<figure id="fig:Telegraflikningene">

Telegraflikningen.png

Telegraflikningene: Kretsskjema for et linjesegment dx </figure> Parametrene kan skrives om om slik at impedansen blir og admittansen blir Det serielle spenningsfallet dU over dette linjesegmentet er gitt av Ohms lov: (i) Strømmen som lekker gjennom admittansen utgjør forskjellen i strøm over linjesegmentet. Denne strømmen er proporsjonal med spenningen: (ii) Likningene (i) og (ii) danner et koplet likningssett som i litteraturen kalles for telegraflikningene. Likningssettet kan ordnes med matriserepresentasjon på følgende måte: Løsningen på et slikt likningssett er beskrivet i flere lærebøker i lineæralgebra, for eksempel i Referanse [1]. En rask innføring er gitt i Wikipedia. Egenverdiene til systemet er: der er linjens transmisjonskonstant. De tilhørende egenvektorene kan finnes til å være: der er linjens karakteristiske impedans. Transmisjonskonstanten er en kompleks størrelse og et mål på hvordan en strøm/spenning dempes og forandrer fase langs en transmisjonslinje. Den karakteristiske impedansen er et mål på sammenhengen mellom strøm og spenning i en transmisjonslinje. Løsningen er gitt av følgende uttrykk: Tallverdiene for konstantene og er gitt av randverdibetingelser og er avhengig av hvilken strøm/spenning som påtrykkes endene av linjen.

Randverdibetingelser: Beregning av admittanser og impedanser

Løsningen fra forrige avsnitt benyttes for å beskrive en transmisjonslinje med lengde L som en admittansmatrise Y. Vi setter posisjonene og for linjeende 1 og 2. Strømretningen for begge linjeendene defineres som positiv inn i linja.

<figure id="fig:Admittansbeskrivelse_2porter">

Admittansbeskrivelse 2porter.png

Et linjesegment med lengde L har lineære karakteristikker og kan beskrives komplett ved en 2x2 admittansmatrise Y </figure> Matrisebeskrivelsen av dette uttrykket blir: Innsatt for løsningen i forrige avsnitt finner vi: Man finner og ved først å sette og og løse likningene for denne situasjonen. Deretter endrer man situasjon til og og bruker dette til å finne og . Resultatet fra disse beregningene blir:

Referanser

[1] Edwards, Penney: Elementary Linear Algebra, Pearson, 1987. ISBN 9780132582605.