Forsterkningstiltak av banestrømforsyningen

1 Forsterkningsalternativ

Langs deler av jernbanen er det behov for spenningshevende tiltak, økt strømføringsevne eller mer tilgjengelig effekt. Som vist i ”Impedans i jernbanenettet”, vil impedansen i kontaktledningsanlegget ha innvirkning på spenningsfallet.

Flere av forsterkningsalternativene går ut på å øke overføringsevnen til kontaktledningsanlegget ved å minske impedansen i anlegget. Disse tiltakene er bruk av mateledning, fjernledning, spenningsbooster, autotransformator og forsterkningsledning. Bruk av koblingshus øker også overføringsevnen i kontaktledningsanlegget, se ”Koblingshus”.

Andre av forsterkningsalternativene er rene innmatingspunkter for effekt, dette vil si nye omformerstasjoner, både roterende og statiske, og en ny type statiske omformerstasjon som kalles kompaktomformer.

2 Forsterkningsledning

For å begrense spenningsfallet i kontaktledningsanlegget og minske tapene i anlegget, kan man redusere overføringsimpedansen. En metode å redusere impedansen på, er å øke det ekvivalente ledningstverrsnittet ved å henge opp en ekstra leder i parallell med kontakttråden.

For å få maksimal nytte av forsterkningsledningen bør den kombineres med opphengt returledning. Følgende enkle regneeksempel illustrerer dette. Før eksempelet vises likning 1, for å repetere hvordan parallellkobling av impedanser beregnes.

[math]Z_{total}=\frac {Z_{kl}\cdot Z_{forsterkning}}{Z_{kl}+Z_{forsterkning}}[/math]

1

Man antar vanlige verdier for resistans og reaktans på 0,21 [math]\Omega[/math]/km, total impedans 0,297 [math]\Omega[/math]. Motstanden i et 150 mm² kontaktledningssystem (bare kontakttråd og bæreline) er ca. 0,12 [math]\Omega[/math]/km. Dette vil si at resistansen i hele strømkretsen er sammensatt av 0,12 [math]\Omega[/math]/km i kontakttråd og bæreline + 0,09 [math]\Omega[/math]/km i returkretsen. En økning av tverrsnittet til kontakttråd og bæreline til det dobbelte, altså 300 mm², vil redusere denne andelen til 0,06 [math]\Omega[/math]/km. Resistanskomponenten vil bli 0,06 + 0,09 = 0,15 [math]\Omega[/math]/km. Dersom man ikke samtidig henger opp returledning vil reaktansen bli tilnærmet uforandret. Total impedans vil bli 0,258 [math]\Omega[/math]/km. Uten forsterkningsledning vil impedansen bli 0,297. Altså får man med kun forsterkningsledning en reduksjon på 13,1 % som må sies å være beskjedent. Hvis man derimot henger opp returledning samtidig får man også en reduksjon i reaktansen på grunn av at tur- og returleder henger tettere. Som et eksempel kan man anta en reduksjon i reaktansen på 0,07 [math]\Omega[/math]/km ref [2]. I tillegg vil man få en ytterligere reduksjon av resistanskomponenten. Totalimpedansen blir under 0,2 [math]\Omega[/math]/km, en reduksjon på over 32 %.

Virkningen av reduksjon i henholdsvis resistans og reaktans på spenningen ved lasten er avhengig av lastens effektfaktor. Forenklet kan man si at ved rent aktivt effektuttak vil resistansen være utslagsgivende og ved reaktivt effektuttak vil reaktansen være utslagsgivende. Lokomotivstallen til NSB i dag har tildels dårlig effektfaktor, ned mot cos [math]\varphi[/math] = 0,6 ved lave hastigheter (tyristormateriell som El 16 og 69-sett). Det betyr at resistansen og reaktansen i fjernledningen virker like mye inn på spenningsfallet for dette togmateriellet. Det er også dette materiellet som ofte gir spenningsproblemer på grunn av høyt strømuttak. I regneeksemplet over er reduksjonen derfor regnet som funksjon av impedansen.

Utførelsen av forsterkningsledningen bør være slik at den kobles til kontaktledningen med noen hundre meters mellomrom, slik at den får en tett elektrisk kobling til kontaktledningen. Forsterkningsledningen blir da seksjonert med de samme bryterne som kontaktledningen.

En utførelse av forsterkningsledningen med nedføring til kontaktledningen med noen kilometers avstand anbefales ikke på grunn av at de elektriske egenskapene forringes.

Ved vurdering av forsterkningsledning må man sikre seg at kontaktledningsmastene og fundamentene tåler de økte vindbelastningene man kan få. Størrelsen på vindbelastningen vil avhenge av valgt opphengsmåte for forsterkningsledningen samt forsterkningsledningens overflateareal.

3 Mateledning

En annen måte å redusere overføringsimpedansen i kontaktledningsanlegget er å bruke mateledning. Denne ledningen går fra en omformerstasjon til et punkt i kontaktledningsanlegget hvor det er behov for innmating av effekt.

Mateledningen har samme spenningsnivå som kontaktledningen, 15 kV. Den kobles til kontaktledningsanlegget ved hjelp av kontaktledningsbryter.

Som mateledning er det i dag ofte benyttet FeAl 240 mm². Ledningen er som oftest hengt på kontaktledningsmastene frem til tilkoblingspunktet.

4 Fjernledning

Figur 2: Matesituasjon med transformatorstasjon mellom hver omformerstasjon

Figur 3: Matesituasjon med flere transformatorstasjoner mellom hver omformerstasjon

Figur 1: Transformatorstasjon, enlinjeskjema

Forsterkning av banestrømforsyningen med høyspent fjernledning for 16 2/3 Hz og transformatorstasjoner er en kjent teknikk som fra gammelt av finnes på deler av Sørlandsbanen. Hvis problemet i strømforsyningen er lav spenning som skyldes dårlig overføringsevne på kontaktledningsanlegget, kan man øke overføringsevnen fra nærmeste matestasjon ved å overføre deler av kraften på fjernledning med høyere spenningsnivå. Dette gir lavere overføringstap, og en transformatorstasjon transformerer spenningen ned til 15 kV nivå og mater energien ut på kontaktledningsanlegget. Hovedkomponenten er transformatoren. I tillegg til den har transformatorstasjonen et 15 kV koblingsanlegg for fordeling ut på flere utgående linjer til kontaktledningsanlegget. En prinsippskisse av en transformatorstasjon er vist på figur 1.

En transformatorstasjon kan bestå av én eller flere transformatorer, alt etter behov for installert ytelse og reservekapasitet. I tillegg til transformatoren og 15 kV fordelingsanlegg, kommer også innkommende bryteranlegg, relévern, energimåling, lokalkontroll, fjernkontrollanlegg samt diverse hjelpeanlegg. Ved forsterkning av banestrømforsyningen med høyspent fjernledning og transformatorstasjoner, bygger man normalt sett en transformatorstasjon mellom hver omformerstasjon. Se figur 2 som viser prinsippskisse for en slik matesituasjon.

Man kan også benytte fjernledning til å forsyne en lengre strekning ved å øke avstanden mellom omformerstasjonene. Banestrekningen kan da mates av flere transformatorstasjoner etter hverandre før en ny omformerstasjon mater effekt inn på fjernledningen. Hvor stort mateområde en omformerstasjon tilknyttet fjernledning kan ha, avhenger sterkt av spenningsnivå og dimensjoner på fjernledningen. Figur 3 viser en prinsippskisse for matesituasjon med flere transformatorstasjoner mellom hver omformerstasjon.

5 Autotransformator

Figur 4: Matesystem med omformerstasjoner og kl-anlegg med autotransformatorer

Figur 5: Kontaktledningsanlegg med autotransformatorer, prinsipiell forsyning til tog

Forsterkning av banestrømforsyningen ved autotransformatorer i kontaktledningsanlegget, er en teknikk som er mye brukt i land med 25 kV, 50 Hz forsyningssystem. Dette systemet kan også benyttes på banestrekninger med 15 kV, 16 2/3 Hz system. Systemet er utprøvd på en banestrekning i Nord-Sverige, men finnes ikke i drift andre steder i Sverige eller Norge.

Dette systemet er et annet prinsipp for kontaktledningsanlegg enn det som benyttes i Jernbaneverket i dag. Spenningen mellom kontaktledning og skinne er den samme som i dag, 16 kV, men i tillegg til dette har man nok en “forsyningsleder” på kontaktledningsmastene. Spenningen på denne forsyningslederen kan være -16 kV eller også -32 kV. Nedenfor er systemet forklart med -16 kV på forsyningslederen. Høyere spenning gir høyere overføringskapasitet.

Mellom forsyningsleder og kontaktledning vil det da være en potensialforskjell på 32 kV, og med jevne mellomrom, langs kontaktledningen, knyttes disse 2 lederne sammen ved hjelp av en autotransformator. Midtuttaket på autotransformatoren knyttes til skinnene, det vil si jordpotensial. Autotransformatoren erstatter sugetransformatoren i dagens kontaktledningsanlegg, og er med på å gi det totale overføringssystemet dobbel systemspenning i forhold til standard kontaktledningsanlegg.

Med et autotransformatorsystem (AT-system) vil de elektriske forstyrrelsene øke fordi en fjerner sugetransformatorene og det vil bli lengre avstand mellom autotransformatorene enn de nåværende sugetransformatorene. Typisk avstand mellom autotransformatorene vil kunne være 10 km.

I tillegg til autotransformatorer langs kontaktledningsanlegget, krever dette systemet en ny transformator ved omformerstasjonen, hvis man i utgangspunktet har en “gammel” omformerstasjon som mater 16 kV spenning ut. En forenklet prinsippskisse på et slikt system er vist i figur 4.

Et slikt forsyningssystem med dobbel overføringsspenning vil halvere laststrømmen over store deler av strekningen fra omformerstasjon til tog, og dette reduserer tapene betraktelig, gir høyere spenning til togene, og bidrar til å kunne øke avstanden mellom omformerstasjonene.

Figur 5 nedenfor viser prinsippet for hvordan strømmen fordeler seg ut til en toglast når toget befinner seg midt mellom to autotransformatorer. Her er det forutsatt ideelle forhold med samme impedans i forsyningsleder og kontaktledning.

En mulig måte å redusere teleforstyrrelser på er å kombinere AT-systemet med sugetransformatorer. Adtranz Sverige har søkt patent på en slik kombinasjon. Man kan da øke avstanden mellom autotransformatorene som i et tradisjonelt system er begrenset av teleforstyrrelsene. Det er også mulig å ha ulik avstand mellom autotransformatorene med det nye systemet. Det gjør at man kan sette autotransformatorene tettere der det er høyt effektuttak, f.eks. i stigninger, og mer spredt på flate strekninger.

6 Spenningsbooster

Figur 6: SVC-anlegg for tilkobling til kontaktledningsanlegg

Forsterkning av banestrømforsyning med SVC-anlegg (Static Var Control) er ikke utprøvd i dag, men den norske elforsyningen har tids lengre erfaringer med slike typer anlegg. Den benytter seg av SVC-anlegg, og for såvidt også roterende fasekompensatorer, for å holde spenningen på overføringsnettet oppe.

Et SVC-anlegg er i prinsippet en regulerbar kondensatorbank, som kan stå og mate en varierende reaktiv effekt ut på overføringsnettet. I tillegg til kondensatorer, består et slikt anlegg av reaktorer og ikke minst kraftelektronikk for å kunne regulere kompenseringsgraden. SVC-anlegg kompenserer for reaktivt forbruk i nettet, slik at det i hovedsak bare er den ohmske laststrømmen som bidrar til spenningsfall i overføringsnettet. En prinsippskisse over et mulig SVC-anlegg for jernbane er vist i figur 6.

I dag finnes det to faste shuntkondensatorer i koblingshuset på Oslo S med en ytelse på 2 MVAr hver. Disse står innkoblet mot kontaktledningsanlegget kontinuerlig, da det reaktive effektforbruket i Oslo-området er stort over hele døgnet. På de fleste andre steder i jernbanenettet kan man ikke ha kompensering med faste shuntkondensatorer, fordi det ville skape problemer for de roterende omformerne i perioder med liten last, eller ved last med høy effektfaktor. De roterende omformerne er konstruert slik at de kan få problemer hvis de må motta for mye reaktiv effekt. Magnetiseringsstrømmen kan bli for lav og gi kommuteringsproblemer. Dette er årsaken til at eventuell shuntkompensering på jernbanenettet i hovedsak må gjøres med SVC-anlegg, slik at kompenseringsgraden reguleres i takt med belastningen.

7 Kompaktomformer

Kompaktomformer er en arbeidstittel på en liten statisk omformer som ikke er kommersielt utviklet, men dette delkapittelet tar for seg hvordan de er tenkt laget. Hovedidéen er at det skal lages en liten statisk omformer (2 - 3 MVA), med IGBT - teknologi. Med IGBT transistorer kan det benyttes en høyere svitsje frekvens enn med GTO tyristorer. Dette gjør at det genereres mindre lavfrekvent støy. Kompaktomformeren er tenkt tilkoblet 22 kV, 50 Hz nett.

Tanken med kompaktomformeren er at den skal hjelpe til å holde spenningen på et akseptabelt nivå på strekninger med spenningsproblemer. Kompaktomformeren tenkes å kunne innkobles på to måter:

• Seriekobling:

Ved seriekobling vil kompaktomformeren virke som en FACTs (Flexible AC Transmission) komponent. Den vil kompensere for det reaktive effekt-tapet i overføringen. Siden den har tilkobling til 22 kV nett vil den også kunne kompensere for det aktive tapet i linjen. Det vil si at for toget vil kontaktledningen bli elektrisk usynlig mellom hovedomformerstasjonen og kompaktomformeren.

• Parallellkobling:

Ved parallellkobling vil kompaktomformeren fungere som en liten omformer, og vil kunne mate effekt inn i nettet der det er behov.

Kompaktomformere i samspill med større omformere vil kunne muliggjøre en økning i avstanden mellom hovedomformerne. I dag er det maksimalt ca. 40-50 km mellom tog og omformer, med en kompaktomformer innkoblet i serie vil denne avstanden kunne økes med ca. 20-30 km, i henhold til ref [3].

Kompaktomformeren er tenkt komplett levert i konteiner. Konteineren vil i tillegg til selve omformeren inneholde transformatorer, innkommende og utgående bryteranlegg, vern, fjernkontroll og tilhørende hjelpeanlegg.

Kompaktomformeren er ennå ikke utviklet og utprøvd, dette knytter usikkerheter rundt produktet. Styrken til kompaktomformeren vil være at den er liten, kommer i konteiner (kort montasjetid – mobil) og kan tilkobles 22 kV - nett.

8 Litteraturhenvisning

1. Jernbaneverket Bane Energi. Utredning av forsterkningsalternativer, Jernbaneverket, (april 1999)

2. EFI. Beregning av impedans, notat, EFI (nov. 1994)

3. H.E.Mordt, J.O.Gjerde. Compact inverters for supply to railways, (ukjent)