FORUNDERSØGELSE AF AUTO- TRANSFORMER SYSTEM

Transkript

1 Til Banedanmark Dokumenttype Fælles Notat fra Niras og Rambøll Dato Vurdering af autotransformersystemer FORUNDERSØGELSE AF AUTO- TRANSFORMER SYSTEM FLN _FORUNDERSØGELSE AF AUTOTRANSFORMER SYSTEM.DOCX

2 FORUNDERSØGELSE AF AUTOTRANSFORMER SYSTEM FLN _FORUNDERSØGELSE AF AUTOTRANSFORMER SYSTEM.DOCX Revision 0 Dato Udarbejdet af Dmn(Niras)/Jain(Rambøll)/Phl(Rambøll) Kontrolleret af JCM(Rambøll)/JKR(Niras) Godkendt af JKR(Niras)/JCM(Rambøll) Beskrivelse Autotransformersystemer NIRAS Sortemosevej Allerød T F Rambøll Hannemanns Allé 53 DK-2300 København S T F

3 INDHOLD 1. Indledning 1 2. Grundlag 2 3. Autotransformersystemet 2 4. Traditionel type kørestrømsanlæg 4 5. kørestrømsanlæg med autotransformere 5 6. EMC-forhold omkring banen 6 7. Autotransformer langs banen 6 8. Fremføring langs banen 7 9. Fordelingsstationer Ringsted fordelingsstation Masnedø fordelingsstation Rødby Fordelingsstation Klapbro, Frederik den IX s Bro Fordele og ulemper konklusion og Videre arbejde 10 FIGUR TEKSTER Figur 1: Fordelingsstation for et fælles BT- og et AT-anlæg Figur 2: Fordelingsstation for et autotransformer system Figur 3: BT-system med returleder... 4 Figur 4: AT-system med negativ leder... 5 Figur 5: AT-system kørestrømsmast med positiv og negativ leder placeret på toppen... 5 Figur 6: Auto transformer ved at blive placeret. Billedet er fra Sverige Figur 7: Autotransformer placeret i kiosk. Billedet er fra Sverige Figur 8: Eventuel placering af fordelingsstationer BILAG Bilag 1 Slik fungere jernbanen kapitel 4: Strømforsyning (Jernbaneverket) Bilag 2 System design for the high speed line HSL-ZUID with SITRAS SIDYTRAC (Siemens Erlangen) Bilag 3 Systemvalg for AT- system for dobbeltspor. (Jernbaneverket)

4 Bilag 4 JD 540 Autotransformatorsystemer med seksjoner kontaktledning (Jernbaneverket)

5 1. INDLEDNING Valget om at forsyne Femern Bælt Landanlæggene med et kørestrømsanlæg baseret på autotransformer-anlæg (AT-anlæg), er ikke blot et spørgsmål om at vælge det mest velegnede system til denne ene banestrækning, men også et strategisk valg for Banedanmark om at indføre et andet kørestrømssystem end det boostertransformer-anlæg (som er den engelske term for sugetransformere og dermed forkortet: BT-anlæg,) der anvendes i dag. Såvel på det offentlige forsyningsnet, som på placeringen og opbygningen af fordelingsstationer og udformningen af forsyningen langs banen er der principielle forskelle på det konventionelle system der anvendes i dag og på et autotransformersystem. Dette indebærer, at de i dag tiltænkte forsynings systemer skal ændres på Femern Bælt Landanlæg. Dette vil også gælde systemgodkendelser, reservedele vedligeholdelsesprocedurer og alle øvrige tekniske og administrative systemer, som anvendes i drift- og vedligeholdelse. Når dette er anført, skal det også nævnes, at mange andre Baneforvaltninger i Norden og i Europa har valgt autotransformersystemet som deres nye og fremtidige kørestrømsforsyning. Dette notat vil påpege de principielle forskelle der er mellem det konventionelle anlæg der anvendes i dag, og et fremtidigt anlæg baseret på forsyning via et autotransformersystem. Efterfølgende skal Banedanmark tage stilling til, om de ønsker at gå videre med undersøgelserne om at indføre et nyt kørestrømssystem på Femern Bælt Landanlæg, på København-Ringsted, på kommende ny elektrificerede strækninger og ved renovering af eksisterende elektrificerede strækninger. Den mulighed foreligger også, at nogle banestrækninger kan opbygges med et BTanlæg og andre med et AT-anlæg. Såfremt Banedanmark ønsker at gå videre med undersøgelser om at anvende et AT-system på Femern Bælt Landanlæg, skal vi gøre opmærksom på, at der er en række forhold der vil have indflydelse på udarbejdelsen af høringsrapporterne. Dette vil være: - Placering og størrelse af forsyningsstationerne. - Placering, størrelse og adgangsveje fra autotransformere opstillet langs banenettet, men placeret udenfor banen. - Højere og anden udformning af køreledningsmaster. - Kabelkrydsning af Guldborgsund og Storstrømmen En fortsat undersøgelse af AT-Systemet vil derfor indebære, at disse forhold som noget af det første bliver tilstrækkeligt belyst. 1

6 Figur 1: Fordelingsstation for et fælles BT- og et AT-anlæg. 2. GRUNDLAG Den trafikale kapacitet på strækningen er grundlaget for beregningen og udformningen af kørestrømsanlægget og det tilhørende forsyningsanlæg. Med den fastlagte trafikale kapacitet på strækningen Ringsted-Holeby, er godstrafikken den største bruger, og er dimensionerende for kørestrømsanlægget og forsyningsstationerne. Der er regnet med en trafik af størrelse som i den foreliggende køreplan for 200 km/h, hvor hastigheden for persontog er 200 km/h og for godstog 100 km/h. Denne køreplan er ideel på den måde, at der ikke er indlagt forsinkelser. Hvis der opstår forsinkelser kan køreplanen ikke overholdes, og der skal foretages prioriteringer af trafikken. Den situation kan forekomme, at der på den enkeltsporede bane over Storstrømsbroen skal foregå kolonnekørsel af godstogene for at give plads til rettidig afvikling af persontogs trafikken. Dette kan forplante sig til andre strækninger på banenettet, hvor flere tog end beregnet vil befinde sig indenfor samme forsyningsområde (dvs. forsynet fra samme banetransformer). Banedanmark har i den forbindelse fastlagt, at kørsel med godstog i kolonne skal kunne foregår overalt på banenettet fra Ringsted til Holeby, samt at krydsning af godstog i kolonne skal kunne finde sted et vilkårligt sted på banenettet. I praksis vil dette enten være nord for eller syd for Storstrømsbroen. Aldrig begge steder samtidigt. 3. AUTOTRANSFORMERSYSTEMET Et autotransformersystem forstærker strømforsyningen på kørestrømsanlægget. Autotransformeren genererer en +25 kv og en -25 kv spænding i forhold til midtpunktet på viklingen. De 25 kv fremføres langs banenettet i en AT-leder benævnt Positivlederen. Positivlederen forbindes til køreledningen, ganske som på det konventionelle BT-system. De 25 kv fremføres i en AT-leder benævnt Negativlederen. Midtpunktet forbindes til en O-leder der forbindes til skinneanlægget. (I princippet som returlederen i et BT-anlæg) Den første autotransformer som er at ligestille med BT-anlæggets banetransformer opstilles på fordelingsstationen. Omsætningsforholdet er 132/2x25 KV. 2

7 De øvrige autotransformere placeres herefter med ca. 10 km afstand, og gerne ved et stationsanlæg. Omsætningsforholdet er 50/2x25 kv. Autotransformerne ude på strækningerne forbindes mellem + og lederne. Midtpunktet forbindes til O lederen og til skinnen. På denne måde sker der en overførsel af effekten mellem +lederen og lederen svarende til 50 kv, og ikke kun ved 25 kv som ved et konventionelt BT-anlæg. Ved at øge spændingen reduceres tabene i anlægget fra fordelingsstationen til toget, samtidig med at spændingens kvalitet ved toget forbedres. Autotransformer systemet kombinerer således fordelen ved at have en højere spænding i overførselssystemet med at kunne bruge standard 25 kv tractionsudstyr. Det er vores erfaring fra undersøgelser om AT-systemer i Norge og Sverige, at der allerede er udarbejdet meget udredningsarbejde, som Banedanmark kan drage fordel heraf. Figur 2: Fordelingsstation for et autotransformer system. 3

8 4. TRADITIONEL TYPE KØRESTRØMSANLÆG I et traditionelt BT-system, som anvendes på den eksisterende fjernbane, forsynes der 25kV vekselspænding ud langs sporet til toget. Strømmen løber frem til toget i køreledningen og tilbage gennem skinnerne (og dermed delvis gennem jorden) samt i returlederen, som er ophængt i masterne. For hver ca. 3 km er skinner og returleder forbundet via en nedleder. Halvvejs mellem to nedledere er der en sugetransformer. Denne har til formål at minimere strømmen i skinner og jord ved, så at sige, suge returstrømmen op gennem nedlederen og dermed tvinge strømmen til at løbe i returlederen. Returleder Figur 3: BT-system med returleder 4

9 5. KØRESTRØMSANLÆG MED AUTOTRANSFORMERE I et AT-system forsynes langs banen med den dobbelte spænding altså 50kV. For hver ca. 10km sørger en autotransformer for at omforme spændingen til 25kV som toget kan benytte. I et AT-system er der således ophængt andre ledere i masterne end i et BT-system, se Figur 3: BT-system med returleder. I sin enkleste form er der i stedet for returlederen fremført én negativ leder (NL), med spændingen 25kV vekselspænding, som er i modfase med spændingen i køretråden (dvs. 180 forskudt til denne), hvilket tilsammen giver de 50kV Negativ Leder (NL) Figur 4: AT-system med negativ leder Figur 5: AT-system kørestrømsmast med positiv og negativ leder placeret på toppen I Sverige og Norge hvor klippegrunden har stor elektrisk modstand, fortrænges strømmen dybt ned i jorden, hvilket bevirker store magnetfelter. I Sverige modvirkes dette ved at indføre en ekstra negativ leder samt en forstærkningsleder til køretråden. Ved at tilpasse ledernes tværsnit udbalanceresstrømmene, således der kun går meget lidt strøm i jorden. Selv om de danske skinner ikke ligger på klippegrund kan man ikke umiddelbart forvente at problemer som i Norge og Sverige kan undgås. Man må derfor være forberedt på de noget større og komplekse kørestrømsmaster langs banenettet. 5

10 Figur 6: Auto transformer ved at blive placeret. Billedet er fra Sverige. 6. EMC-FORHOLD OMKRING BANEN De magnetfelter som skabes omkring banen afhænger dels af strømstyrken i køreledninger, skinner og jord og dels af de geometriske forhold dvs. de indbyrdes afstande mellem de strømførende dele. Efter simuleringer gjort på andre AT-systemer, forventes det ikke at EMC-forholdene for et ATsystem er meget dårligere end dem for et BT-system. 7. AUTOTRANSFORMER LANGS BANEN Autotransformerne er installeret for hver ca. 10km langs banen. Deres elektriske kapacitet er typisk 5-8 MVA, og deres fysiske størrelse er noget større end en sugetransformer, så de kan ikke blot ophænges i masterne ligesom sugetransformere. Men der er adskillige andre installationsmuligheder. De kan udføres som åben installation evt. mere eller mindre nedgravet i beton-pit eller installeret i hytter. Dertil kommer udrustning og øvrige faciliteter ifm den enkelte autotransformerinstallation. Alt i alt kræver autotransformere afsætning af større arealer til installation og adgangsveje til servicering end det traditionelle system. 6

11 Figur 7: Autotransformer placeret i kiosk. Billedet er fra Sverige. 8. FREMFØRING LANGS BANEN Autotransformerne forsynes via ekstra ledere som kaldes hhv Positiv Leder (PL) og Negativ Leder (NL) langs banen. På fri strækning ophænges disse ledere i masterne med isolatorer, for eksempel som vist på Figur 4: AT-system med negativ leder, som er et simpelt system, hvor PL udgøres af køretråden, eller Figur 5: AT-system kørestrømsmast med positiv og negativ leder placeret på toppen. På stationer må der ikke være højspænding over publikumsområder (perroner), så her må lederne enten lægges i kabler eller føres inde over sporet. Også ved krydsninger under broer og eventuelle nærførte veje kan lederne forventes at skulle kabellægges. 9. FORDELINGSSTATIONER Den elektriske energi til køreledningsanlægget tilføres fra fordelingsstationerne. Det konventionelle anlæg betegnes som et BT-anlæg ud fra, at der normalt er installeret sugestrømstransformere langs banenettet. Et autotransformeranlæg betegnes som et (AT-anlæg) ud fra, at der er installeret autotransformere i fordelingsstationerne og langs banenettet. Fordelingsstationerne er meget ens bestykket uanset om det er et BT-anlæg eller et AT-anlæg. Forskellen ligger i banetransformerne og i antallet af brydere på 25kV siden, da der på 25kV skal være brydere i såvel +25kV som i -25kV afgangen. I et BT-anlæg er det en 2-faset transformer der transformerer spændingen fra 132 kv til 25 kv som er kørestrømsspændingen. I et AT-anlæg er det ligeledes en 2-faset transformer der transformerer spændingen fra 132 kv til 25 kv, men her er transformeren udført med en særlig sekundær vikling hvor et midtpunkt på viklingen gør at der på 25 kv siden både er en +25 kv spænding og en 25 kv spænding. Herved fås en samlet spændingsforskel på 50 kv mellem plus og minus lederne. 7

12 Den forhøjede spænding gør, at det er muligt at forøge afstanden mellem forsyningsstationerne op til det dobbelte af normalen. 60 til 90 km er ikke en unormal afstand. Med den øgede afstand mellem fordelingsstationerne bliver den installeret effekt også større på AT fordelingsstationerne. Da bestykningen med brydere i afgangene på 25kV siden også er større på en AT fordelingsstation, bliver prisen på en AT fordelingsstation følgelig dyrere end en BT fordelingsstation Figur 8: Eventuel placering af fordelingsstationer. 10. RINGSTED FORDELINGSSTATION Ringsted fordelingsstation bliver efter elektrificeringen af sydbanen, samt med den nye bane fra København til Ringsted et elektrisk knudepunkt. Uanset om der vælges et AT system eller et BT system på de nye elektrificerede banestrækninger, skal der ske en koordinering til det eksisterende BT system på banen mellem Ringsted - Roskilde og Ringsted Slagelse, samt til den nye bane København-Ringsted. Det er ikke i denne fase muligt at udarbejde en konfiguration for Ringsted fordelingsstation. De scenarier der skal udarbejdes for at belyse forsyningsforholdene omkring Ringsted station og de tilhørende banestrækninger afhænger af Banedanmarks beslutning om at ville arbejde videre med indførelsen af AT forsynings systemer, og hvilket omfang dette skal have. 8

13 Til eksempel kan anføres: Omfang 1: AT system alene på Sydbanen Omfang 2: AT system på Sydbanen og på den nye strækning København-Ringsted. Omfang 3: Som omfang 2 plus AT systemer på strækningerne fra Ringsted til Slagelse og fra Ringsted til Roskilde. Afgangen mod Ringsted Rødby banen, skal kunne dække ned til Masnedø fordelingsstation, da den skal kunne dække effektbehovet ned til Masnedø, hvis Masnedø fordelingsstation skulle være ude af drift. 11. MASNEDØ FORDELINGSSTATION På Masnedø er der planlagt en fordelingsstation, tæt på banen. Denne station skal være med to AT afgange, således at den kan forsyne både nord og syd på. Station skal ligesom de andre ATafgange forsyne med den lidt større udrustning. Begge afgange skal være dimensioneret, således at de kan forsyne den fulde afstand for den ene til Rødby, og for den anden til Ringsted. 12. RØDBY FORDELINGSSTATION I Rødby er der planlagt placering af en fordelingsstation til forsyning nordpå. Fordelingsstationen til forsyning af et AT-system har større kapacitet (dvs. større banetransformer) end for et traditionelt BT-system. Fordelingsstationen vil endvidere have mere udrustning (brydere og relæbeskyttelse) til forsyning af den negative leder. Systemet behøves ikke umiddelbart at være af samme type som for kyst-kyst, idet fordelingsstationen til forsyning nordpå ikke er planlagt som backup for jernbanen på kyst-kyst forbindelsen. 13. KLAPBRO, FREDERIK DEN IX S BRO I forbindelse med klapbroer, hvoraf det kun bliver Frederik den IX s Bro, som forbliver en klapbro, føres der i den traditionelle løsning (BT-system) en række kabler under vandet. Det drejer sig om to sæt et for hvert spor bestående af dels et forsyningskabel (til køretråden), og dels et returkabel. Anvendes et AT-system skal der desuden føres et kabel med den negative leder under vandet igen pr.spor. For selve køreskinneanlægget på klapbroen gør det ingen forskel, om der forsynes med et AT eller et BT-system. 14. FORDELE OG ULEMPER AT-systemet har en række fordele og ulemper i forhold til den traditionelle forsyningsform. Fordele Højere effekt overførelse i køreledningsanlægget Lavere effekttab i køreledningsanlægget Færre fordelingsstationer Ingen sugetransformere Slid undgås på strømaftagere og køretråde ifm. passage af sugetransformere Bedre udnyttelse af forsyningstransformerne på fordelingsstationerne Ulemper Der skal etableres negative leder(e) langs sporet Autotransformere langs sporet for hver ca. 10km Større fordelingsstationer Negativ leder føres i kabler under krydsende broer og på stationer Kræver samlet større arealer og flere adgangsveje Højere kørestrømsmaster 9

14 Mere kompleks vedligeholdelse 15. KONKLUSION OG VIDERE ARBEJDE På basis af erfaringer indhøstet i udlandet mht. autotransformere til kørestrømsanlæg, kan det ikke udelukkes at dette er det teknisk-økonomisk optimale valg for den nye bane til Femern. Det anbefales derfor, at denne løsning undersøges nøjere mht. konsekvenser herunder investeringsbehov samt drifts- og vedligeholdsøkonomi. Det anbefales, at der indkaldes til et møde med Banedanmarks tekniske system ansvarlige. På dette møde gennemgås dette notat, og de næste tiltag i undersøgelsen fastlægges. 10

15 3-1 BILAG 1 SLIK FUNGERE JERNBANEN KAPITEL 4: STRØMFORSYNING (JERNBA- NEVERKET) BILAG 2 SYSTEM DESIGN FOR THE HIGH SPEED LINE HSL-ZUID WITH SITRAS SIDYTRAC (SIEMENS ERLANGEN) BILAG 3 SYSTEMVALG FOR AT- SYSTEM FOR DOBBELTSPOR. (JERNBANEVER- KET) FLN _Forundersøgelse Af Autotransformer System.Docx

16 4-2 BILAG 4 JD 540 AUTOTRANSFORMATORSYSTEMER MED SEKSJONER KONTAKT- LEDNING (JERNBANEVERKET) FLN _Forundersøgelse Af Autotransformer System.Docx