Kondensatorbatterier

1 Innledning

Hensikten med å installere kondensatorbatteri i serie langs jernbanelinjen er å kompensere det reaktive spenningsfallet i kontaktledningsanlegget der det er stor avstand mellom omformerstasjonene. Dette kan det være behov for på strekninger som trafikkeres av mye tyristorregulert lokomotiv og motorvogner. Hevingen av spenningen fører til økt overføringsevne, og dermed mindre effekttap i linjen.

Kondensatorbatterier i parallell blir installert for å tilføre reaktiv effekt på punkter i kontaktledningsanlegget med stort reaktivt effektuttak. Kondensatorbatterianlegg bygges ikke lenger og de eksisterende anleggene er tatt ut av drift.

2 Seriekondensatorbatteri

2.1 Installasjon av seriekondensatorbatteri

Figur 1: Kondensatorbatteri tilkoblet kontaktledningsanlegg via dødseksjon

Figur 2: Enlinjeskjema for kondensatorbatteri med tilkobling til kontaktledningsanlegg

Et komplett kondensatorbatteri omfatter kondensatorbatteri, effektbryter, skillebrytere, kabler for tilkobling til kontaktledningen, måletransformatorer, verne og styreutrustning i tillegg til 220 V fordeling i kiosk eller koblingshus og understasjon for fjernkontroll. Grensesnittet mot kontaktledningsanlegget er tilkoblingspunktene mellom kontaktledningen og tilkoblingskablene. For å unngå at lokomotivets strømavtager kortslutter kondensatorbatteriet ved passering plasseres en dødseksjon mellom batteriets koblinger til kontaktledningen, se figur 1.

Det kan være aktuelt å installere ett eller to kondensatorbatterier på strekningen mellom omformerstasjonene. Ved ett kondensatorbatteri plasseres dette midt mellom stasjonene. Dersom det velges å installere to batterier på strekningen skal de plasseres som vist i figur 2.

Dersom det er ensidig mating på en strekning, plasseres kondensatorbatteriet midt på strekningen.

Kondensatorbatteriene med tilhørende bryter og kontrollutrustning frem til utgående kabler kan arrangeres for installasjon i koblingshus / kiosk eller konteiner. Ved installasjon av fastmonterte kondensatorer kan disse plasseres utendørs.

2.2 Fordeler og ulemper med seriekondensatorbatteri

2.2.1 Fordeler ved bruk av seriekondensatorbatteri

Kondensatorbatteriene blir installert for å motvirke det reaktive spenningsfallet i kontaktledningsanlegget. Dette er spesielt viktig på strekninger som trafikkeres med tyristormateriell som El 16 og RC-lok. Dette materiellet har en cos[math]\varphi[/math] = 0,8. Denne dårlige effektfaktoren fører til lav kontaktledningsspenning ved store avstander mellom omformerstasjonene. Etter hvert som det blir stadig mer materiell med styrbar cos[math]\varphi[/math] blir behovet for den reaktive kompenseringen mindre.

For trekkaggregater med cos[math]\varphi[/math] under 1,0 vil spenningen på kontaktledningen bli hevet med inntil 2 kV når det er installert seriekondensatorer. Dette gir lavere strøm for samme effektuttak, og dermed blir overføringstapene redusert.

2.2.2 Ulemper ved bruk av seriekondensatorbatteri

Innkobling av kondensatorbatteri kan føre til ustabilitet i nettet med store spennings- og effektpendlinger. Det er derfor viktig at konsekvensene blir utredet før batteriet installeres mellom omformerstasjonene. Dette gjelder spesielt når det kobles to kondensatorbatterier mellom omformerstasjonene. De pendlingene som har oppstått, har hatt en frekvens på 2 Hz og det har være høye effekter i pendlingene.

For trekkaggregater med cos[math]\varphi[/math]=1,0 vil kondensatorbatteriene føre til at spenningen synker og tapene øker.

Installeringen av kondensatorbatteri vil påvirke innstillingen av distansevernene som dekker strekningen. Kondensatorbatteriet vil påvirke impedansen på strekningen slik at den blir mindre reaktiv. I mange tilfeller vil strekningen umiddelbart etter batteriet bli en skyggesone som ikke dekkes av distansevernene.

2.3 Beregning av seriekondensatorbatteriets innvirkning på overføringen

Innvirkning installering av seriekondensatorbatteri har på overføringsevnen og tap i anlegget blir vist gjennom likninger under:

[math]S_{tapA}=I_A^* \cdot \Delta U[/math]

1

hvor: S_tapA: Tap i linjen fra omformerstasjon A til lasten

I_A^*: den komplekskonjungerte strømmen fra omformerstasjon A

[math]\Delta [/math]U: spenningsfallet fra omformerstasjon A til lastens tilknytning på linjen.

Spenningsfallet i linjen fra omformerstasjonen til lasten er gitt som:

[math]\Delta U=I_A \cdot Z_{A-last}[/math]

2

hvor:

Z_A-Last: impedansen i kontaktledningsanlegget fra omformerstasjon A til lasten.

Ved å sette likning 2 inn i likning 1 blir uttrykket for tapene:

[math]S_{tapA}=|I_A|^2 \cdot Z_{A-last}[/math]

3

Ved hjelp av denne likningen kan man beregne tapet med ulik linjeimpedans, og ved ulik plassering av lasten.

2.4 Dimensjonering av seriekondensatorbatteri

Ved dimensjonering av seriekondensatorbatteriet tas det utgangspunkt i induktansen for strekningen mellom omformerstasjonene. Vanligvis velges det å kompensere for 73 – 83 % av linjestrekningens reaktans. For å oppnå ønsket merkespenning, kontaktledningsanlegget merkespenning 15 kV, seriekobles flere enheter. Ønsket kapasitans oppnås ved å koble flere av de seriekoblede gruppene i parallell.

For en strekning på 80 km med linjeimpedans (0,21 + j0,21) [math]\Omega[/math]/km vil en kompensering på 73 % finnes ved hjelp av følgende likning:

[math]jX=0,73(j0,21\cdot 80)=0,73\cdot j16,8=j12,3 \Omega[/math]

4

Fra denne kan kondensatorbatteriets kapasitans finnes:

[math]X=\frac {1}{2\pi f C} \Rightarrow= \frac {1}{2\pi f X}=\frac {1}{2\pi 16,67 \cdot 12,3}=77,6 \mu F[/math]

5

Dette gir at kondensatorens konduktivitet må være minimum 12,3 [math]\Omega[/math] for å oppnå en kompensering på 73 %.

2.5 Fjernkontroll av seriekondensatorbatteri

Kondensatorbatteriene kan kobles inn og ut ved hjelp av fjernkontrollen. Dette gir at signalomfanget i forbindelse med batteriene blir kun dobbelkommandoen ”INN” / ”UT” og tilhørende dobbeltindikering ”INNE” / ”UTE”. I tillegg overføres indikeringene:

• alvorlig feil
• mindre alvorlig feil
• 110 V batteri lav / normal
• 230 V, 50 Hz nullspenning / normal

3 Parallellinnkoblet kondensatorbatteri

Parallellinnkoblet kondensatorbatteri brukes som shuntkompensering på steder i kontaktledningsanlegget med stort reaktivt effektuttak. For å kunne benytte shuntkondensatorer som er innkoblet hele døgnet må det være et kontinuerlig reaktivt forbruk i området hvor kondensatoren er installert. På de fleste steder kan faste shuntkondensatorer ikke benyttes. Roterende omformerstasjoner vil få problemer hvis de mottar for mye reaktiv effekt. Denne situasjonen kan oppstå med fast shuntkondensator og liten reaktiv last.

For å få en styrt innkobling av shuntkompensering kan det benyttes SVC-anlegg, såkalte spenningsboostere, se ”Forsterkningstiltak”.

4 Litteraturhenvisninger

1. I. Norheim. Betraktninger om seriekompensering i JBVs nett, notat, Ian Norheim, (aug. 1997)

2. P.-Chr. Bruu, F. Johannessen. Hovedoppgave, Stabilitet i NSBs, NTNU inst. elkraftteknikk (des. 1996)

3. A. Backer. Seriekompensering hos JBV, notat, Jernbaneverket (jan. 1997)