Generell beskrivelse av banestrømforsyning
Innhold
1 Historisk tilbakeblikk på elektrifisering av jernbanen
- 31. mai 1879: Utstilling i Berlin, presentasjon av første elektriske jernbane med 150 V DC ved Werner von Siemens.
- 1903: Starten på 1-fase lavfrekvent AC-system utenfor Berlin. Vellykket design av 1-fase seriemotor i Sveits i 1905. Videre introduksjon av 1-fase systemet på jernbanelinjer i Tyskland, Sveits, Sverige og USA.
- 1910: På den VIII Internasjonale Jernbane Kongressen i Bern ble det diskutert hvilket system som var best ved elektrifisering av jernbanen. Frankrike foretrakk DC., Italia 3-fase og 1-fase lavfrekvent ble foretrukket av Tyskland, Sveits og Østerrike.
Etter første verdenskrig besluttet sentral Europa, Sverige og Norge å bygge ut med 1-fase AC med 15 kV og 16 2/3 Hz. På den tiden var det positive erfaringer med 1-fase lavfrekvent jernbanedrift i Sveits med tungt trafikkerte strekninger. Storbritannia, Frankrike og Nederland foretrakk 1,5 kV DC og Spania, Italia, Belgia og Russland 3 kV DC. USA brukte flere systemer.
I begynnelsen av 1920 årene begynte Ungarn med 50 Hz 1-fase 16 kV. Tyskland fulgte opp med 50 Hz utviklingen, men med 20 kV. Etter andre verdenskrig begynte Frankrike med 50 Hz 1-fase 20 kV utbygging, og i 1951 var en 78 km lang strekning elektrifisert med dette systemet.
På den XVI Internasjonale Jernbane Kongressen i London 1954 ble konklusjonen etter det vellykkete 50 Hz elektrifiseringene i Frankrike og fordelene ved AC var klare. Tyskland valgte å fortsette med 16 2/3 Hz 1-fase 15 kV på grunn av tidligere inngåtte avtaler, mens Storbritannia bestemte seg for at fremtidig elektrifisering skulle skje ved 50 Hz 1-fase 25 kV. Dette systemet blir også brukt i de land som elektrifiserer etter denne kongressen.
I tabellene under vises fordelingen av de forskjellige forsyningssystemene for jernbanedriften.
Som vist i tabell 1.1 er det flere land som bruker samme system som Norge. Tyskland og Sverige har størst andel av strekning med dette systemet. I tillegg har USA et lavfrekvent matesystem på østkysten der de benytter 25 Hz.
| Land | Strekning [km] |
|---|---|
| Tyskland | 15781 |
| Sverige | 7320 |
| Østerrike | 3162 |
| Sveits | 3134 |
| Norge | 2443 |
| Øvrige | 12 |
| Totalt | 31752 |
| USA (12 kV, 25 Hz) | 1720 |
Tabell 1.1: Elektrifisering med 11-15 kV, 16 2/3 Hz
I tabell 1.2 vises en oversikt over de land som har elektrifiserte strekninger med nettfrekvens, 50 / 60 Hz. Blant ”øvrige” er Danmark. Som summen viser er det dobbelt så lang strekning som er elektrifisert med nettfrekvens enn med lavfrekvens.
| Land | Strekning [km] |
|---|---|
| Russland (tidl. Sovjet) | 19300 |
| Kina | 7804 |
| Frankrike | 6645 |
| Japan | 5531 |
| India | 4654 |
| Storbritannia | 2952 |
| Romania | 2046 |
| Finland | 1710 |
| Øvrige | 16179 |
| Totalt | 66821 |
Tabell 1.2: Elektrifisering med 20 - 25 kV, 1-fase 50 - 60 Hz
I tabell 1.3 under er det en oversikt over de ulike systemene som finnes i verden og deres andel av elektrifisert strekning.
| Systemtype | Strekning [km] | Andel total strekning [%] |
|---|---|---|
| Likestrøm | ||
| 1500 V DC | 19000 | 10,3 |
| 3000 V DC | 66842 | 36,3 |
| 1-fase vekselstrøm | ||
| 15 kV, 16 2/3 Hz | 31752 | 17,2 |
| 25 kV, 50 / 60 Hz | 66821 | 36,2 |
| Totalt | 184415 | 100 |
Tabell 1.3: Elektrifisering med ulike system i hele verden (ca. 1990)
Flere av landene som benytter likestrømforsyning, bygger om til 25 kV, 50 Hz. Nye krav til høyhastighetstog gir behov for mer effekt. Ved å øke spenningen og gå over til vekselstrømforsyning kan dette oppnås uten å øke strømmene for mye.
2 Generell beskrivelse av banestrømforsyning i Norge
2.1 Elektrifisering i Norge
| Thamshavn-banen | Den første elektrifiseringen av norske jernbaner skjedde med private jernbaneselskaper. Første strekningen som ble elektrifisert var Thamshavnbanen ved Løkken verk i Trøndelag. Dette skjedde i 1908. På denne banen ble det benyttet 6,6 kV 25 Hz. Ved Rjukanbanen ble det valgt 10 kV og 16 2/3 Hz ved elektrifiseringen i 1911.
Til å begynne med var de elektrifiserte banene forsynt fra egne kraftverk, for eksempel Hakavik, med frekvens 15 Hz. Etter hvert ble det ønske om å hente kraft fra det øvrige 50 Hz regional nettet. For å få til dette ble frekvensen økt til 16 2/3 Hz. NSB valgte å elektrifisere med 15 kV 16 2/3 Hz. Den første strekningen som ble elektrifisert hos NSB var fra Oslo V til Brakerøya i 1922. Elektrifisering av de eksisterende banestrekningene har pågått frem til elektrifiseringen av Nelaug – Arendal i 1995. Det foreligger planer om å elektrifisere delstrekninger nord for Trondheim, men disse er fortsatt ikke elektrifisert. |
Banestrømforsyningen til jernbanen i Norge skjer ved 1-fase 15 kV og 16 2/3 Hz. Denne frekvensen og spenningsnivået blir brukt i de land som begynte å elektrifisere jernbanen ved starten på dette århundre. Det er utført et studie for å se om det ville lønne seg å bytte til 50 Hz 1-fase 25 kV, men dette var ikke lønnsomt i henhold til N/K-analyser som ble utført. Etter dette studiet ble det besluttet at det i Norge fortsatt skulle benyttes 16 2/3 Hz 1-fase 15 kV system for banestrømforsyningen.
En oversikt over oppbyggingen av strømforsyningen i Norge til jernbanen er vist i figur 1.1. Som vist i figuren består nettet av 3-fase forsyningsnettet fra kraftselskapene. Omformerstasjoner for omforming av frekvensen til 16 2/3 Hz 1-fase er tilkoblet 50 Hz 3-fase-nettet.
2.2 Oppbygging av banestrømforsyningen i Norge
Kontaktledningsanlegget kan forsynes på flere måter fra omformerstasjonene. Omformerstasjonene kan mate på 15 kV nivå via mate/returkabler til koblingshus og ut på kontaktledningsanlegget. Fra noen koblingsanlegg skjer matingen via mateledninger som tilkobles kontaktledningsanlegget forskjellige steder på strekningen. Det finnes også fjernledninger på et høyere spenningsnivå som tilkobles kontaktledningsanlegget via transformatorstasjoner.
Figur 1.2 viser hvordan kontaktledningsanlegget er samkjørt. Samleskinnene, ssk i figuren, inngår i koblingsanlegg enten i koblingshus eller i matestasjoner. I vanlig drift, når anleggene er samkjørt, er kontaktledningsbryterne, bryterne utenfor seksjonsdelene, koblet ut. Dette gjør at anlegget er elektrisk sammenkoblet over samleskinnene. Det samme gjelder for stasjonsområder med koblingsanlegg. Dersom koblingsanlegget er ute av drift kan strekningen sammenkobles via kontaktledningsbryterne som legges inn.
Utenfor noen koblingsanlegg, særlig de i omformerstasjoner, er det ofte en dødseksjon mellom tilkoblingene fra samleskinnen. Dødseksjonen er beskrevet i kapittel 8, ”Sonegrensebryter”.
På stasjonsområder uten koblingsanlegg går det ofte en forbigangsledning fra den ene siden av seksjonsdele til den andre. Denne er koblet til kontaktledningsanlegget med kontaktledningsbrytere. Dette gjøres for å kunne ha trafikk på strekningen selv om stasjonsområdet er spenningsløst.
Parallellkoblingen av dobbeltspor foretas der hvor det er langt mellom matestasjonene. Dette gir en tettere elektrisk sammenkobling av sporene.
Mellom flere av omformerstasjonene er det sonegrensebrytere, se kapittel 8, ”Sonegrensebrytere”. Disse gir en mulighet for å dele opp nettet og kunne kjøre omformerstasjonene uten samkjøring.
2.3 Andre nyttige elementer
For å ha et entydig referanse system til hvor de forskjellige omformerstasjoner, koblingshus og alle andre enheter i jernbaneanleggene er plassert, benyttes kilometer angivelser. Disse er bygget opp etter hvor langt fra Oslo gjenstanden står. Dette gjelder for alle baner i sør-Norge. Nord for Trondheim, banestrekningene Nordlandsbanen og banen mot Storlien, er referert i kilometer fra Trondheim. For Ofotbanen er kilometreringen referert fra Narvik. Et problem med kilometerangivelsen er at banen til tider rettes ut, og dette gir andre kilometertall. Dette blir referert til som kjedebrudd, og gir seg utslag i at ting blir referert til den gamle kilometerangivelsen, men i tillegg oppgis det hvor kjedebruddet er, og hvor langt dette er.
Når det snakkes som høyre og venstre spor på dobbeltsporet strekning og på stasjonsområder, er høyre spor referert til den siden som er til høyre i kilometer retningen. Står man med ryggen til Oslo, er høyre spor til høyre.
3 Matestasjoner
3.1 Funksjon
En matestasjon er et tilkoblingspunkt til kontaktledningsanlegget hvor det blir tilført effekt. I det norske jernbanenettet leverer omformerstasjoner og kraftverk elektrisitet til kontaktledningsanlegget. En del av overføringen skjer via matekabler og ledninger til koblingshus. Andre steder går det høyspente fjernledninger fra omformerstasjoner og til transformatorstasjoner som forsyner kontaktledningsanlegget. I dette kapittelet skal det gis en kort beskrivelse av omformerstasjoner og transformatorstasjoner. Koblingshus blir behandlet i kapittel 7, ”Koblingshus”.
I Norge er det to kraftverk som produserer med 16 2/3 Hz. Det resterende energibehovet blir dekket av omformerstasjoner som omformer fra 50 Hz til 16 2/3 Hz. Det finnes både roterende og statiske omformerstasjoner. Innkommende spenning til omformerstasjonene er vanligvis 60 kV eller 47 kV nettet. Noen omformerstasjoner er også koblet til 130 kV, 110 kV, 22 kV og 11 kV nett. Spenningen ut fra omformerstasjonene skal normalt være 16,2 kV. Koblingsanlegget i omformerstasjonene er beskrevet i kapittel 7, ”Koblingshus”.
Fra noen omformerstasjoner går det fjernledning på et høyere spenningsnivå 50 kV. Disse fjernledningene er koblet til kontaktledningsanlegget ved hjelp av transformatorstasjoner. Fjernledning er beskrevet i kapittel 12, ”Forsterkningsalternativer”.
3.2 Roterende omformerstasjoner
3.2.1 Oppbygging av motor og generator
De roterende omformerne består av en 3-fase, 12 polet motor med innkommende spenning 6,3 kV. Til motorens aksling er det koblet en 1-fase, 4 polet generator. Spenningen ut fra generatoren er vist i tabell 1.4. Forskjellen i poltall mellom motoren og generatoren gir frekvens 16 2/3 Hz ut fra generatoren. Fra generatoren transformeres spenningen opp til 16 – 16,5 kV før den kobles til kontaktledningsanlegget via koblingsanlegg. Figur 1.3 Transportabel roterende omformer
