25 kv kørestrømsforsyning i Hovedstadsområdet The New Line Copenhagen Ringsted Alignment and Railway Technology 2012-10-04 Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 1 of 14
25 kv kørestrømsforsyning i Hovedstadsområdet The New Line Copenhagen Ringsted Alignment and Railway Technology Copenhagen Ringsted Team Arne Jacobsens Allé 17 2300 København S Version history of the document 01.00 Final version issued for external use 20121004 ZTYJ XJGAD VPE Ver. no. Description of revision or change Date Prepared Checked Approved Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 2 of 14
Indhold 1 Sammenfatning... 4 2 Forsyningssituationen i 2012... 5 3 Forsyningssituationen i 2020... 7 4 Løsningsmuligheder... 9 4.1 Øget mærkeeffekt på banetransformerne... 9 4.2 Opdeling af forsyningsområdet og nye fordelingsstationer... 9 4.3 Etablering af konverterstationer... 11 5 Tidsplan og økonomi... 12 6 Bilag... 14 Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 3 of 14
1 Sammenfatning I forbindelse med projekteringen af ny jernbane København-Ringsted gennemføres der analyser af kørestrømsforsyningen, men henblik på at fastlægge de fremtidige tilslutningssteder til Energinet Danmarks 132 kv højspændingsnet. Der er i den anledning gennemført foreløbige beregninger af effektbehovet på den ny jernbane København-Ringsted og området omkring København H for en normal køreplanstime i myldretiden. Der taget udgangspunkt "Konfliktfri køreplan 2020 med ekstratog" udarbejdet af Banedanmark Kapacitet. Endelige beregninger gennemføres for hele Sjælland og Lolland-Falster, når køreplanen for strækningen Ringsted Rødby er fastlagt. Dette er betinget af den valgte strækningshastighed (160 km/h eller 200 km/h) og om godstogene via Femern Bælt tunnel skal køres i konvoj eller blandet med den øvrige passagertrafik. De foreløbige elektriske analyser af fjernbanens kørestrømsforsyning i Hovedstadsområdet viser, at det samlede effektbehov fra Vigerslev Fordelingsstation kan forventes at være i størrelsesordenen 60-65 MVA, når den ny jernbane København-Ringsted er ibrugtaget og elektrificering er gennemført til Rødby og Kalundborg omkring 2022. Endvidere forudsættes alle fjerntog til Jylland/Fyn kørt med elektrisk materiel. Beregningerne viser også, at effektbehovet fra Vigerslev Fordelingsstation er relativt skævt geografisk fordelt. Jernbanenettet øst for Vigerslev (dvs. Øresundsbanen, Hovedbanegården og Kystbanen) har en gennemsnitsbelastning på 42 MVA. Vest for Vigerslev (dvs. Vestbanen mod Roskilde, Vigerslev-Ny Ellebjerg og den første del af den ny jernbane mod Ringsted) er gennemsnitsbelastningen på 25 MVA. Et effektbehov i denne størrelsesorden vil ikke kunne honoreres af Vigerslev Fordelingsstation, da de nuværende to transformerne på hver 23 MVA er for små. Transformerne skal derfor enten udskiftes til nye typer med større mærkeeffekt eller aflastes ved at reducere forsyningsområdet geografisk. Sidstnævnte løsning indebærer, at der skal bygges en eller flere nye fordelingsstationer i Hovedstadsområdet, idet fordelingsstationerne i Kokkedal, Roskilde og Kastrup ikke har tilstrækkelig overskudskapacitet til aflastning af Vigerslev. Alternativt kan forsyningsfilosofien ændres radikalt, ved at omlægge kørestrømsforsyningen i hovedstadsområdet til ren konverterdrift. Konverteranlæg kan placeres enten på eksisterende fordelingsstationer til erstatning for banetransformere eller på helt nye lokaliteter. Der er ikke foretaget vurdering af de økonomiske konsekvenser, som en opgradering af kørestrømsforsyningen i hovedstadsområdet vil medføre. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 4 of 14
2 Forsyningssituationen i 2012 Vigerslev Fordelingsstation består i dag af to banetransformere benævnt T25 og T26 på hver 23 MVA mærkeeffekt. Transformerne står i gensidig reserve for hinanden, men under normale driftsforhold er begge transformere indkoblet. Transformer T25 forsyner jernbanenettet øst for fordelingsstationen frem til neutralsektionen ved fjerntogsdepot Helgoland og til neutralsektionen øst for Tårnby på Øresundsbanen, se endvidere figur 1. Transformer T26 forsyner jernbanenettet vest for fordelingsstationen frem til neutralsektionen ved Hedehusene på Vestbanen.!!"# Figur 1. Nuværende forsyningsopdeling i hovedstadsområdet. Den samlede belastningen blev i februar 2009 målt til 10-15 MVA 1, hvor transformer T25 stod for ca. 80 % af belastning. Årsagen til dette er den intensive elektriske trafik på Øresundsbanen og Kystbanen, hvor der i dagtimerne i praksis kørtes i 10 minutters drift med regionaltog og Øresundstog. Trafik mod vest omfattede kun 1-2 persontog samt 1-2 transitgodstog i timen mellem Sverige og Tyskland via Storebælt. Trafikomfang fremgår af figur 2. I samme forbindelse blev der foretaget en indledende undersøgelse af det forventede effektbehov i Hovedstadsområdet i 2020, med udgangspunkt i KØR-projektet og i den 1 Jf. Atkins målerapport 1010379-01 Effektmåling på 132/25 kv transformere, Målerapport over transformerbelastninger for fjernbanens 25 kv fordelingsstationerne i Vigerslev, Roskilde, Kokkedal og Kastrup. dateret 4. maj 2009. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 5 of 14
planlagte udvidelse af trafikomfanget på Kystbanen. Undersøgelsen 2 omfattede effekttilgængeligheden på fordelingsstationerne i Kokkedal, Vigerslev, Roskilde og Kastrup under normale driftsforhold og konsekvenserne ved total udkobling af én af fordelingsstationerne. Undersøgelsen anbefalede på kort sigt opgradering af banetransformerne i Kokkedal fra hver 10 MVA til 23 MVA og påbygning af ekstra køling på transformerne i Vigerslev. Dette blev gennemført i 2011. På længere sigt påpegede undersøgelsen, at der vil være behov for øget effekttilgang omkring København, hvis trafikomfanget med elektrisk materiel blev øget. Der blev foreslået opgradering af depotforsyningen i Helgoland til en egentlig fordelingsstation, etablering af banetransformer nr. 2 i Kastrup, og nye fordelingsstationer i Snekkersten og Albertslund. Figur 2. Nuværende trafikafvikling med elektrisk materiel. For at understøtte beslutningsgrundlaget for nye fordelingsstationer, inkl. dem der måtte være behov for i relation til ny jernbane København-Ringsted og Femern Bælt Landanlæg, anbefaledes det at igangsætte en mere detaljeret udredning af hele den fremtidige kørestrømsforsyningen på Sjælland. Dette arbejde blev sat i gang i 2011 i regi af København-Ringsted projektet, og resultatet af den første effektsimulering er beskrevet detaljeret i "Notat omhandlende forsy- 2 Jf. Atkins teknisk notat TN 1010492-02 Kørestrømskapacitet Fjernbanen, Oplæg til kørestrømsforsyning Hovedstadsområdet 2020, dateret 14. august 2009. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 6 of 14
ningskvaliteten på Vigerslev, Kildebrønde og Bjæverskov fordelingsstationer" version 1, dateret 2012-09-06. Formålet med dette notat er at komme med en foreløbig vurdering af effekttilgængelighed og spændingskvalitet for kørestrømsanlægget på den ny bane mellem København og Ringsted. Vurderingen er baseret på simulering af køreplanen "Konfliktfri køreplan 2020 med ekstratog", hvor fokus er rettet mod fordelingsstationer, der skal forsyne den ny bane helt eller delvis. 3 Forsyningssituationen i 2020 Som følge af etablering af den nye bane mellem København og Ringsted samt den besluttede elektrificering af strækningerne Ringsted-Rødby og Lunderskov-Esbjerg, vil en større andel af passagertrafikken blive fremført af elektrisk materiel. Andelen af elektriske tog vil øges yderligere, hvis det i 2013 besluttes at gennemføre elektrificering af strækningerne Roskilde-Kalundborg og Køge Nord - Næstved, samt den østjyske længdebane fra Fredericia og nordpå. I trafikeringsscenariet for K2020 er derfor forudsat, at alle DSB's passagertog på Sjælland køres med elektrisk materiel, for at sikre effektreserve for kommende elektrificeringsprojekter, se figur 3. Figur 3. Forventet trafikafvikling med elektrisk materiel. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 7 of 14
Yderligere forventes det at togene generelt øges i størrelse, for at leve op til behovet for flere siddepladser jf. den politiske målsætning om fordobling af passagertallet i den kollektive trafik frem til 2030. Dvs. hvor eksempelvis et Øresundstog i dag køres med to togsæt med et samlet effekttræk på ca. 5 MW, så vil det i 2020 formentlig være øget til tre eller fire togsæt, og derved forøge effektbehovet proportionalt. De foreløbige elektriske analyser af fjernbanens kørestrømsforsyning i Hovedstadsområdet viser, at det samlede effektbehov fra Vigerslev Fordelingsstation kan forventes at være i størrelsesordenen 60-65 MVA. Beregningerne viser også, at effektbehovet fra Vigerslev Fordelingsstation er relativt skævt geografisk fordelt. Som allerede nævnt forsyner banetransformer T25 jernbanenettet øst for Vigerslev (dvs. Øresundsbanen, Hovedbanegården og Kystbanen), se figur 1, og har en gennemsnitsbelastning på 42 MVA svarende til 180 % af den installerede effekt. Banetransformer T26 forsyner jernbanenettet vest for Vigerslev (dvs. Vestbanen mod Roskilde, Vigerslev - Ny Ellebjerg og den første del af den ny jernbane mod Ringsted) og har en gennemsnitsbelastning på 25 MVA, svarende til en beskeden overbelastning på ca. 110 % af den installerede effekt. De to banetransformere skal endvidere være gensidig reserve for hinanden, når transformerne tages ud af drift for service og vedligehold, hvis der skal graves nær højspændingskablerne eller hvis der skal laves eftersyn på Energinets 132 kv koblingsstationen i Vigerslev. Udkobling af én banetransformer som følge af vedligehold mm. skønnes ud fra oplysninger fra driftscentralen for kørestrøm OC-KC, at udgøre i alt ca. 10 dage om året, fordelt på 5 hverdage pr. transformer. Banetransformerne skal derfor hver især være udlagt for at kunne håndtere fordelingsstationens samlede belastning, for Vigerslevs vedkommende op til 65 MVA. Årsagen til den høje / forøgede belastning i T25's forsyningsområde kan sammenfattes til: Forsyningsområdet er forholdsvis stort. Der er i alt 24,2 km dobbeltspor, samt en del opstillingsspor og rangerareal ved Godsbanegården, Belvedere og Østerport togdepoter Der er i den benyttede køreplan en tæt trafik i hele området. Der er simuleret efter en myldretidstime, hvor der totalt er 29 tog pr. retning og time på strækningerne. Hyppige start og stop på alle stationer i forsyningsområdet (Østerport, Nørreport, København H, Ørestad, Tårnby og Valby). Tre godstog per time og retning mellem Tårnby og Vigerslev. For belastningen af T26 gælder følgende: Forsyningsstrækningen mod Hedehusene Neutralsektion er lang, omkring 18 km, og omfatter stationerne i Ny Ellebjerg, Glostrup og Høje Taastrup inkl. godsterminalen. Trafikbelastningen på Vestbanen er høj. Der er 11 afgange pr. retning og time Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 8 of 14
Forsyningsstrækningen mod den ny jernbane er forholdsvis korte og omfatter reelt kun strækningen i tunnelen til Hvidovre. Der vil også ske en forøgelse af belastningen på de nuværende fordelingsstationer i Hovedstadsområdet, som ikke er omfattet af anlægsprojekter. Problemet kan derfor ikke alene adresseres til ny bane København-Ringsted, men skal også relateres til kommende elektrificeringsprojekter og den generelle trafiktilvækst. I øvrigt er problemstillingen ikke isoleret til Hovedstadsområdet, idet der må forventes tilsvarende øgede krav til kørestrømsforsyningen generelt på hovedstrækningen København-Odense-Fredericia. Det vurderes nødvendigt at opgradere kørestrømsforsyningen i Hovedstadsområdet, for at sikre en fortsat acceptabel forsyningskvalitet. 4 Løsningsmuligheder I det følgende er der anvist nogle løsningsmuligheder, for at kunne håndtere det øgede effektbehov i hovedstadsområdet der må forventes efter 2020. Der er endnu ikke foretaget nogen detailstudier af forslagene og heller ikke foretaget beregning af de økonomiske konsekvenser. 4.1 Øget mærkeeffekt på banetransformerne Banetransformernes mærkeeffekt i Vigerslev skal øges betragteligt, hvis det skal være muligt at køre efter den simulerede køreplan. Dog vil det ikke være en mulighed blot at udskifte transformatoren i Vigerslev til en med en større mærkeeffekt, der kan klare belastningen. Dels fordi transformerne normalt kun forsynes fra to faser på 132 kv nettet og derved belaster nettet mere skævt end det Energinet tillader, og dels fordi kravet om begrænsning af kortslutningsstrømmen i køreledningen, vil give anledning til et højt spændingsfald i transformeren. Skiftes banetransformerne ud til nye med en mærkeeffekt på eksempelvis 70 MVA hver, skal tilslutningen til 132 kv nettet være med tre faser, og der skal tillige indbygges kompenseringsanlæg i tilknytning til transformeren. Sidstnævnte er en nødvendighed for at opfylde Energinets krav til spændingskvalitet. 4.2 Opdeling af forsyningsområdet og nye fordelingsstationer En anden mulighed er at opdele forsyningsområdet i tre dele, og lade de to "nye" områder blive forsynet fra nye banetransformere placeret ved Helgoland persontogsdepot og Kastrup fordelingsstation. En sådan opdeling kræver indbygning af nye neutralsektioner i køreledningsanlægget, for at adskille forsyningsanlæggene elektrisk fra hinanden. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 9 of 14
Der er umiddelbart to steder, hvor det skal undersøges nærmere, om det kan lade sig gøre at etablere nye neutralsektioner. Det ene sted er i Boulevardtunnellen mellem Østerport og Nørreport, og det andet sted er efter Øresundsbanens afgrening ved godsbanegården, se figur 4. Umiddelbart vurderes belastningen af T25 at kunne reduceres fra 42 MVA til 29 MVA, ved at flytte størstedelen af belastningen over på en ny transformer i Kastrup (ca. 9-10 MVA) og på en ny transformer i Helgoland (ca. 2-4 MVA). Det vil stadig være et problem at få forsynet området fra en anden fordelingsstation ved driftsforstyrrelser. Derfor vil det være nødvendigt at dimensionere en ny HGLF T25 med samme størrelse som IGF T25. Det skal understreges, at det er nødvendigt at fortage en ny simulering for at få et bedre overblik over konsekvenserne ved reduktion af forsyningsområdet. Der er også brug for yderligere analyser, for at klarlægge det overhovedet vil være muligt at etablere neutralsektion ved København H og i Boulevardtunnellen. Opdelingen i forsyningsområder er vist i figur 4.! $%&'!"# $%&' Figur 4. Løsningsforslag med transformer på Kastrup (CPHF) og Helgoland (HGLF), og nye neutralsektioner ved København H og Østerport. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 10 of 14
4.3 Etablering af konverterstationer I erkendelse af at etablering af neutralsektioner ved København H og Boulevardtunnellen kan vise sig problematisk, kan det i stedet overvejes at ændre forsyningsfilosofien i hovedstadsområdet til konverterdrift, dvs. at 25 kv kørespændingen dannes på særlige vekselretter stationer hvor trefaset vekselstrøm konverteres til en faset vekselstrøm ved brug af effektelektronisk udstyr. En forsyningsmæssig optimal løsning vil da være at etablere tre konverterstationer i de "fjerneste" hjørner af området, som hidtil har været forsynet af T25. Løsningen er vist i figur 5. ()!!"# () ( ) Figur 5. Løsning med konverterstationer på Helgoland (HGLF), Kastrup (CPHF) og Vigerslev (IGF). Der kan etableres tre konverterstationer, nemlig i Helgoland (HGLF), Kastrup (CPHF) og Vigerslev (IGF), som alle forsyner ind i T25's nuværende forsyningsområde. Konverterstationerne kan forsyne synkront ind i samme område, og der er altså ikke brug for neutralsektioner til at adskille dem fra hinanden. Til forskel fra traditionelle banetransformere forsynes konverterstationer fra det overliggende 3-fasede net, og giver derved en jævn belastning af nettet. Konverterstationer fungerer ved at forsyningsspændingen fra alle tre faser først konverteres til DC, "sættes sammen" og derefter konverteres tilbage til AC. Traditionelle banetransformere kan, i modsætning til konverterstationer, sagtens overbelastes med mere end 200 % i en kortere tid (under én time). Konverterstationer kan ikke overbelastes, så de skal enten dimensioneres efter den højest forekommende belastning (peakværdi) eller også skal det accepteres, at de går i strømbegrænsning og trafikken derved hastighedsbegrænses i de korte intervaller, hvor der er meget højt strømtræk. For at kunne klare en backup eller reservedrift situation, bliver det nød- Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 11 of 14
vendigt at dimensionere systemet, så to af de tre konverterstationer kan klare hele belastningen. I simuleringen var 95 % af belastningen under 60 MVA, og konverterstationerne bør altså hver etableres med en forsyningseffekt på hver 30 MVA. Konverterløsningen kan også etableres på andre måder og med forskellige antal konverterstationer. Eksempelvis kunne man også forstille sig en løsning med en enkelt større konverterstation placeret midt i forsyningsområdet, f.eks. nær Godsbanegården. Den optimale konfiguration af konventionelle fordelingsstationer, konverterstationer og neutralsektioner må afklares ved evt. fremtidige analyser. 5 Tidsplan og økonomi Der er i ovenstående løsningsforslag ikke taget stilling til tidspunkt for etablering, eller etapevis indførelse af udvidelser eller nyanlæg. Forslagene må heller ikke betragtes som udtømmende, idet nærmere analyse kan vise mere hensigtsmæssige løsninger, end dem der er angivet i afsnit 4. Det står dog klart, at der ved fuld el-drift på fjernbanen i Hovedstadsområdet er behov for en betydelig opgradering af kørestrømsforsyningen, og at fordeling på flere lokaliteter vil være den mest robuste og sikre løsning, frem for blot at udvide Vigerslev til én stor og central forsyningsenhed. I planlægningsøjemed bør der tages udgangspunkt i den fulde løsning, dvs. fuld eldrift og et trafikomfang som beskrevet i kapacitet 2020, samt en underopdeling i flere underetaper der tilgodeser den generelle udvikling for elektrificering i Danmark. Et forslag til opdeling kunne være: Etape 1: Nødvendig kørestrømsforsyning for el-drift til Esbjerg, Ringsted- Rødby og åbnet Femern forbindelse, dvs. et stade omkring 2022. Etape 2. Nødvendig kørestrømsforsyning for el-drift Fredericia-Aalborg og Kalundborgbanen, dvs. et stade omkring 2027. Etape 3. Nødvendig kørestrømsforsyning for el-drift af al fjerntrafik i Danmark, samt forventede passager- og godsmængder i 2035, hvor bl.a. de sidste flaskehalse den tyske del af Femern forbindelsen er fjernet. Ved at identificeret effektbehovet for de tre stader, kan etablering af nyanlæg og udbygning af eksisterende anlæg planlægges ud fra en teknisk og økonomisk helhedsvurdering. Når det gælder de samlede omkostninger til opgradering af kørestrømsforsyning i Hovedstadsområdet, henvises til teknisk notat TN 1010492-02 Kørestrømskapacitet Fjernbanen, Oplæg til kørestrømsforsyning Hovedstadsområdet 2020, dateret 14. august 2009 bilag 1. Notatet skønnede anlægspriser for nye fordelingsstationer i Albertslund og Snekkersten, samt opgradering af eksisterende i Helgoland og Kastrup, men uden kompenseringsanlæg for skævbelastning. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 12 of 14
Der kendes for nærværende ikke konkrete priser på konverteranlæg til 25 kv kørestrømsforsyning, eller for trefasede banetransformere med aktiv kompensering. Aktuelle priser for 15 kv forsyningsanlæg på omkring 15-20 MW pr. blok, som rent teknisk ikke afviger meget fra det, der ville kræves af et nyt 25 kv forsyningsanlæg, bør kunne indhentes fra Trafikverket i Sverige eller Deutsche Bahn Netz i Tyskland. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 13 of 14
6 Bilag TN 1010492-02 Kørestrømskapacitet Fjernbanen, Oplæg til kørestrømsforsyning Hovedstadsområdet 2020 inkl. bilag, dateret 14. august 2009. "Notat omhandlende forsyningskvaliteten på Vigerslev, Kildebrønde og Bjæverskov fordelingsstationer" version 1, dateret 2012-09-06. Alignment and Railway Technology (ART-contract) Page 14 of 14