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

De fleste transformatorer som benyttes i kraftsystemene har galvanisk adskilte vinklinger. Det er dermed kun magnetisk kobling mellom viklingene. Autotransformatorer benyttes både for tre og tofasede systemer og kjennetegnes med at viklingene både har magnetisk og galvanisk sammenkobling.

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 midtpunkt 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 den meget lav kortslutningsimpedansen; 0,4 % eller 0,218 Ω for enheter på 5 MVA. Til sammenligning er det typisk 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.

Selv om det ikke er opplagt at autotransformatoren har en primær- og sekundærside, vil en for utledningene her definere dette slik: Primærsiden er den siden som dannes av terminalene med 30 kV mellom seg og sekundærsiden har en mellom nøytralpunktet/kjøreskinne og terminalen tilknyttet PL (15 kV).

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

En egenskap med transformatorer er ampervindingsbalansen, det vil si at produktet av strøm og antallet vindinger for viklingen på det ene spenningsnivået (primærsiden) er det samme som produktet av strøm og antallet vindinger på det andre spenningsnivået (sekundærsiden). Oppfyllelse av ampervindingsbalanse gjør at strømmen i hver av det to viklingene er like stor. Imidlertid vil en i analysen her definere strømkomponenter på forskjellige spenningsnivå, slik at en får situasjonen i figuren til høyre. Her er det definert strøm på 30 kV-nivå som blå piler og tall og for 15 kV-nivå med røde piler og tall. Disse komponentene har både en størrelse (amplitude) og en retning. Dermed kan den nederste viklingen (fellesvinklingen) i autotransformatoren i figuren samtidig føre en strøm på 1000 A og en annen og motsatt rettet komponent på 500 A. Summert går det altså 500 A gjennom fellesvinklingen, som er samme strøm som i den øverste viklingen (serieviklingen).

Toget i figuren trekker altså 1000 A og all denne strømmen kommer fra den eneste autotransformatoren i systemet. Autotransformatoren får etter denne analysemåten en omseting på 500/1000 A. Primærstrømmen på 500 A går i kretsen mellom spenningskilden og autotransformatoren hvor det er 30 kV. Det forutsettes dermed at det er mange km mellom spenningskilden og autotransformatoren, slik at all strøm overføres på 30 kV-nivå. For senere analyser vil en kalle strømmen som går på 30 kV-nivå for transittstrøm og strømmen på 15 kV-nivå for togstrøm.

Autotransformatoren med virkning som en sugetransformator

Returstrømmen som går i kjøreskinnene vil i sin helhet tvinges opp til den eneste autotransformatoren i systemet. Selv om spenningskilden i et praktisk system vil være tilknytet skinnene og kunne forventes å ha en meget god jordforbindelse, vil autotransformatoren ta til seg all størm, i alle fall ideelt sett. Den virker med andre ord som sugetransformatorer i et BT-system (elektrisk utforming B, C eller D). Årsaken er i første rekke amperevindingsbalansen, som krever at strømmen som kommer inn ved midtpunkt skal være lik strømmen som ellers går på sekundærsiden. Om det var flere autotransformatorer i systemet kunne en ha forventet at noe av returstrømmen finner veien til dem alle. Imidlertid sørger den meget lave kortslutningsimpedansen for at det aller meste av returstrømmen finner veien til den eller de to nærmeste autotransformatorene.

En annen mekanisme for strøm i skinnene er autotransformatorenes magnetiseringsstrøm. Det er en strøm som aldri kan utelukkes så lenge systemet er spenningssatt. Imidlertid er magetiseringsstrømmen meget liten, under 1 A for hver autotransformator. Dermed kan dette bidraget til returstrøm i skinnene sees bort fra. I de videre undersøkelsen i teksten her tegnes ikke skinnene inn på skissene, da det forutsettes at all returstrøm finner veien til den eller de autotransformatorene strømmen til togene kom fra.

Strømflyt i et kort AT-system

For å vise strømflyten i et AT-system med kort avstand mellom innmatingene (og få AT-vinduer), er det hentet ut tall fra beregninger utført i 2005. De prinsipielle undersøkelsene som ble gjort i studien fra 2005 gjelder en matestrekning på 84 km matet av stive spenningskilder i hver ende. Det var forutsatt 12 km mellom hver AT og seksjonert kontaktledning (elektrisk utforming E). Strømflyten i negativ- (NL) og positivleder (PL) ble fremstilt som en animasjon der en kunne forflytte en last (tog) som trakk konstant 500 A og se strømmen i lederne. Modellen tok hansyn til avledning mellom skinner og jord, slik at noe av strømmen «lakk» ut av KL-anlegget. Ut fra beregningene kan en se at:

• Fordeling av strømmen mellom lederne ikke vil være symmetrisk mellom NL og PL i det AT-vinduet der et tog befinner seg.
• I tilstøtende AT-vinduer til der toget befinner seg vil strømmene være tilnærmet symmetriske.
• Begge AT-ene for et AT-vindu med last vil transformere strøm.
• Når lasten står rett ved en AT, vil denne transformere nesten all strøm lasten trekker. Naboenhetene i hver retning bidrar noe, rundt en tidel av togstrømmen.
• Når et tog er nært en omformerstasjon går det ikke strøm i AT-lederne og ikke noe strøm overføres fra tilstøtende omformerstasjoner (forutsett stive spenningskilder).

Fordelingen av strøm mellom AT-lederne vil generelt være bestemt av ledernes og AT-enes impedans. Her er det forutsatt at toget trekker 1000 A. 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. Videre vises strømmens komponenter på 15- og 30 kV-nivå med henholdsvis røde og blå piler, mens sorte tall viser virkelig (resulterende) strøm for PL. I NL vil resulterende strøm alltid være lik strøm på 30 kV-nivå med blå piler. Alle autotransformatorene her belastes 500 A på sekundærsiden og 250 A på primærsiden. 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, vil noe strøm komme fra tilstøtende AT-vinduer på 15 kV-nivå. Her er denne enfasestrømmen sett bort fra.

Om matestrekningen var lengre og det var mange AT-vinduer, ville autotransformatoren mellom spenningskildene og toget ikke omsatt strøm i det hele tatt (kun magentiseringsstrøm). En kan legge merke til at NL i AT-vinduet på midten ikke fører noen strøm. Det vil være tilfellet når impedansen mellom tog og spenningskilde i hver retning er eksakt lik. I praksis vil det bare skje i et lite øyeblikk når toget er midt på matestrekningen.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A midt mellom 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 toget er rett ved autotransformatoren 1/3 ut på matestrekningen fra spenningskilden til venstre, er vist nedenfor. Som en ser går 84 % av strømmen på 15 kV-nivå via autotransformatoren rett ved lasten. Legg merke til at autotransformator nummer tre fra venstre også omsetter strøm til toget. Legg også merke til at 80 A kommer rett fra spenningskilden til venstre uten å ta veien om autotransformatorene. Denne strømkompoenten overføres på 15 kV-nivå.

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.

For tilfellet når toget er midt i det første AT-vinduet er det fremdeles en nokså stor del av stømmen som kommer fra spenningskilden til høyre.

Strømflyt i AT-ledere med en last som trekker 1000 A midt mellom autotransformator nummer én og 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. 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. I dette tilfellene går ikke tallene opp, noe som mye skyldes at det kommer et bidrag fra tredje AT fra venstre, men som er ignorert.

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. Også her går ikke tallene opp, antageligvis mest på grunn av forenkligen med å se bort fra bidrag fra tredje AT fra høyre.

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.

Størst strøm gjennom en autotransformator oppstår når toget er rett ved enheten, da går nesten all strøm gjennom autotransformatoren (rundt 80 %). Når lasten er rett ved spenningskidlen blir autotransformatorene ikke belastet. NL og PL belastes likt når lasten er midt på tilstøtende AT-vinduer.