Järnvägens elkraftförsörjning

INNEHÅLLSFÖRTECKNING Järnvägens teknikområden Miljöaspekter Sveriges eldistribution Omformarstationen Trafikverkets eldistribution Eldriftledning 2

Järnvägens teknikområden 3

Järnvägens anläggningar fyra teknikområden! Vad behövs?? 4

Banöver- och underbyggnad Signal- & säkerhetsanläggningar Elkraftförsörjning Kommunikationssystem 5

Miljöaspekter 6

Sveriges Järnvägar: spår och byggnader Trafikscentraler Omformarstationer 2 st 51 st Spårlängd 14 127 km Elektrifierad spårlängd: 87 % 12 322 km 130 kv, 16 Hz 1 940 km Högsta punkt: Storlien i Norge Lägsta punkt: Stockholm City 601 m. över havet 36 m. under havsytan 7

Sveriges Järnvägar: elkonsumtion År 2016 Elkonsumtion: Elektriska tåg 2 700 GWh Elkonsumtion: Infrastruktur, förluster etc. Basic facts 2: consumption 500 GWh Elkonsumtion: Transport av människor? Elkonsumtion per person och kilometer 0.1 kwh Elkonsumtion: Transport av gods? Elkonsumtion per ton gods och kilometer 0.06 kwh Källa: Vatten-kraft (%) 99.2 Källa: Vind-kraft (%) 0.8 8

elkonsumtion, forts: Man frågar sig kanske hur TrV kan hävda att man endast köper ren el från vind- och vattenkraft. Detta sker via avtal och uppköpsrätter av den begränsade mängd ren el som leverantören kan leverera. I praktiken tvingas kanske därmed andra uppköpare att köpa smutsig el, men det är ändå viktigt att med sina önskemål om ren el ge en signal till leverantörerna om hur man helst vill ha det... 9

Sveriges Järnvägar: förorening Vägtrafik 93,5% Inrikesflyg 3,1% Inrikes sjöfart 2,2% Övriga 0,8% Koldioxid-ekvivalenter = koldioxid, metan, dikväveoxid Källa: Naturvårdsverket Järnväg 0,4% 10

2014 Bilar 10607 Tunga lastbilar 3718 Lätta lastbilar 1490 Bussar 717 Mopeder och MC 92 Järnväg 47 Militär 166 Sjöfart 408 Flyg 524 Totalt 17769 12

förorening, forts: Ångmaskin: verkningsgrad 10 15 % Kontinuerlig drift fram till år 1963. Dieselmotor: verkningsgrad 20 25 % Elmotor: verkningsgrad 65 80 % 13

Elsäkerhet 14

Fysiologisk verkan och elsäkerhet Muskelkramp som kan inträffa vid ca 10-20 ma Andningsbesvär vid ca 20-30 ma Hjärtkammarflimmer vid ca 50-100 ma Inre skador vid strömmar kring någon eller några A 1 ma (milliampere) = 0,001 Ampere + - 15000 Volt är en väldigt hög spänning, som leder till en väldigt hög ström! 15

fysiologisk verkan, forts: 25 V 16

fysiologisk verkan, forts: Tabellen nedan visar övre gränsen för den hand-till-hand impedans Z som mänskligheten har vid 50 Hz sinusformad spänning. Av tabellen framgår att vid ökande spänning minskar kroppens impedans vilket gör att strömmen genom kroppen inte ökar linjärt (d.v.s. i takt med spänningsökningen), utan betydligt fortare. U (V) Z 5% (Ω) Z 50% (Ω) Z 95% (Ω) Ström (ma) 25 1750 3250 6100 8 2. Därmed stiger I mer än U. I = U R 1. När U stiger så sjunker R 50 1450 2625 4375 19 75 1250 2200 3500 34 100 1200 1875 3200 53 115 1125 1625 2875 67 230 1000 1350 2125 175 700 750 1100 1550 640 1000 700 1050 1500 950 Min.värde 650 750 850 17

Sveriges eldistribution 18

Elenergidistribution i Sverige Inmatning från elkraftleverantör till TrV:s interna kraftnät. Trafikverket köper normalt in sin energi på 130 kv:s spänningsnivå. Omformarstationer = inmatningspunkter till TrV:s nät, d.v.s. gränssnittet mellan järnväg och samhälle. 19

elenergidistribution, forts: Här på 130 kv-nivån köper järnvägen normalt sin el. 20

Sinusformad spänning & ström Grunden i sinusformen är en roterande rörelse. Ifall vi belyser den svarta kulan bakifrån kommer denna att kasta en skugga på duken. Skuggan kommer att vandra upp och ner längs en rak linje i takt med att hjulet som kulan sitter på roterar. Allra snabbast kommer skuggan att röra sig i det ögonblick då kulan sitter rakt åt sidan (höger eller vänster) på hjulet. Långsammast kommer skuggan att röra sig i det ögonblick då kulan befinner sig antingen i överkant eller underkant av hjulet. 21

sinusformen, forts: Ifall vi samtidigt låter skärmen flytta sig med konstant hastighet åt höger kommer skuggan att rita en sinusformad kurva på denna. Just på grund av att det är en roterande rörelse som resulterar i sinusform är sinusformade spänningar enkla att producera; våra kraftverksgeneratorer är byggda med magneter på roterande axlar som projicerar sina magnetfält på omkringliggande lindningar, precis som kulan projicerar sin skugga på duken. Lindningarna ger i sin tur då automatiskt ifrån sig sinusformade spänningar. 22

sinusformen, forts: Ifall vi alltså byter ut skuggkulan mot en magnet kommer denna att kasta sitt magnetfält i varje riktning i rummet på ett sinusformat sätt. En spole som råkar sitta i närheten kommer då att producera en sinusformad spänning, vilken under varje period växlar mellan positiv och negativ spänning i förhållande till sin 0-referens. Spänningen hinner flera perioder per sekund. Antalet perioder spänningen hinner per sekund är samma sak som dess frekvens. Period 1 Period 2 0-referens 23

sinusformen, forts: Frekvensen hos spolens producerade växelspänning beror alltså av hur fort vi vrider runt generatorns axel, d.v.s. hur många gånger per sekund som en av magnetens nord- eller sydpol passerar spolen. Vi kan också få en högre frekvens genom att sätta flera magneter på hjulet, och det är alltså kombinationen av varvtalet på generatorns axel tillsammans med antalet magneter som bestämmer frekvensen hos den producerade växelspänningen. 0-referens 25

sinusformen, forts: I själva verket består lindningen i en riktig generator av två motstående lindningshalvor vilka kopplats samman. På detta vis kan magnetfältet från både rotormagnetens nordpol och sydpol utnyttjas till att samtidigt producera el i var sin lindningshalva. Generatorns effektivitet blir därmed mycket högre än ifall bara ena halvan av lindningen skulle funnits. 0-referens 26

sinusformen, forts: Fas 1 Fas 2 Fas 3 En trefasgenerator har tre likadana spolar som producerar sinusformade spänningar då magnetpolerna passerar. De tre spolarna sitter mekaniskt monterade på en cirkel med 120 i förhållande till varandra, och de tre spänningarna kommer alltså att produceras i följd efter varandra med 120 förskjutning. Man säger då att det tre spänningarna är fasförskjutna 120. Fasspänning 1 (röd) skapas av generatorlindning 1. Fasspänning 2 (grön) skapas av generatorlindning 2. Fasspänning 3 (blå) skapas av generatorlindning 3. Lindning 2 Lindning 1 Lindning 3 27

sinusformen, forts : I själva verket består lindningen i en riktig trefasgenerator av tre par av motstående lindningshalvor vilka kopplats samman. På detta vis kan magnetfältet från både rotormagnetens nordpol och sydpol utnyttjas till att samtidigt producera el i var sin lindningshalva. Generatorns effektivitet blir därmed mycket högre än ifall bara ena halvan av lindningen skulle funnits. I b II s III s 0-referens 0-referens III b II b I s 0-referens 28

Omformarstationen 29

Trafikverkets omformarstationer 15 000 V 1-fas 16 2/3 Hz 30

Omformarstationen Kraft-leverantör 3-fas 50 Hz Hjälpkrafttransformator Hjälpkraftledning Omformare Ställverk Reläskydd Bytare Lokalkraft Traktionsledning 31

Utrustning i omformarstationen Omformarstation avsedd för transportabla, roterande omformare Transportabel, roterande omformare Omformaren gör om en 3-fas, 50 Hz spänning till en 1-fas spänning med frekvensen 16 2/3 Hz 32

Omformarvagn 1-fas synkrongenerator Likströmsmatare 3-fas synkronmotor Likströmsmatare Motorns statorlindning Motorns rotorlindning Generatorns rotorlindning Rotoraxel Poltal: 12 (6) 4 (2) 33

utrustning, forts: I omformaren är motorns och generatorns roterande magneter fastsatta på en och samma axel. Den ände där motorns rotormagneter sitter sticks in i motorns stator, ch änden med generatorns rotormagneter sitter sticks in i generatorns stator. Motorns stator matas med 50 Hz trefas-el, och generatorns stator ger ifrån sig 16 Hz enfas-el. Både motor- och generatormagneter på axeln matas med likström. 3-fas 50 Hz IN 1-fas 16 Hz UT 34

utrustning, forts: PWM- eller mellanleds-omriktaren är den vanligaste typen av statisk omriktare. Principen är följande: de 6 huvudspänningarna från den vänstra transformatorns utgångar likriktas och laddar sedan upp ett stort batteri, d.v.s. mellanledets kondensatorer. Därifrån tar sedan växelriktare likström och gör om den till växelström 16 2/3 Hz. Detta matas in i utgångstrafons primärlindning. Y D L i k r i k t a r e + _ Batteri mellanled med kondensatorer m.m. V ä x e l r i k t a r e 35

utrustning, forts: Omformarstation avsedd för statiska omriktare Statisk omriktare för omformning av frekvensen 36

utrustning, forts: Stationsdator Styr och kontrollutrustning Stationsbatterier och likspänningssystem Fjärrstyrningssystem Lokalkraft 230/400 V Högspänningsställverk och brytare 38

Trafikverkets eldistribution 39

Trafikverkets distributionssystem Hjälpkraftledning och kontaktledning 2-fas 132 kv och 16 2/3 Hz 40

distributionssystem, forts: Nedtrafo i stolpe Telesystem Växelvärme Signalsystem 41

BT-systemet Transformatorerna sitter normalt monterade uppe i stolpar. Omf.stn 42

AT-systemet Omf.station 15 kv matn.skena Distributionsspänning 30 kv Jordskena AT-ML T UT T a T b KTL 45

AT-systemet, forts: Omf.station 15 kv matn.skena Även om strömmar endast går korta sträckor i rälsen förstärker man ibland dess elektriska ledningsförmåga med en extra jordlina, J-lina, J-jord i stolpen ändå. Denna är kopplad till rälsen i 300 m. intervall, och ger också extra säkerhet (redundans) ifall ett rälsbrott skulle ske. Jordskena 46

AT-byggnationen i Frändefors. Sträckan Kil-Öxnered (15 mil) byggs om från BT- till AT-system. Upphandling av 18 styck trafos inkl. fundfament och transport har satt kostnaden till 25.3 miljoner (själva transportkostnaden = 50 000 SEK). En trafo lär väga 20 ton! Bilderna är tagna 2018 av < manfred.manmyr@trafikverket.se > AT-trafo i Ånimskog 47

Sträckan Kil-Öxnered (15 mil) byggs om från BT- till AT-system. 48

130 kv-systemet 49

Olika kraftförsörjningssystem i Europa 51

RC-lok Elektriska lok Total längd 15,5 m Totalvikt 78 ton (Rc 2/3 77 ton) Effekt 3600 kw Max hastighet 135 km/h RC 1,2,4 160 km/h RC 3,6 X2000 Längd: 17,5 m (lok) 24,9 m (vagnar) Tjänstevikt: 73 ton Effekt: 3260 kw Hastighet: 200 km/h 52

Trafikcentral 53

Trafikcentral centraliserad övervakning av hela TRv:s elkraftsystem Eldriftledare Boden Ånge Gävle Stockholm Hallsberg Norrköping Göteborg Malmö Dessa två kvar sedan 5:e maj 2013 54

Gävle Boden Hallsberg Stockholm Göteborg Norrköping Malmö Ånge 55

trafikcentral, forts: Gävle har övervakningsområde Nord. Göteborg har övervakningsområde Syd. I dessa två trafikcentraler finns både Eldriftledning (eldriftingenjörer), Bandriftledning (drifttekniker) och Trafikledning. I de 6 övriga trafikcentralerna finns enbart Trafikledning kvar. Benämningen Trafikledare är samlingsnamnet för bl.a. Fjärrtågklarerare och Tågledare. Tågledaren är en person som har det övergripande ansvaret, medan tågklareraren övervakar och leder tåg samt arbete i spår. Vad gäller reparationer och felavhjälpningsarbeten ute på spåren kommer detta även i fortsättningen att skötas av entreprenadföretag såsom hittills. Dessa berörs inte av några omorganisationer. 56

Övningar på Järnvägens kraftförsörjning 57

Övningsuppgifter 1. På vilken spänningsnivå köper Trafikverket normalt in sin energi från kraftleverantören? 2. Hur långt är det ungefär mellan omformarstationerna? 3. Vilka fler länder än Sverige har ett traktionsmatningssystem med spänningen 15 kv och frekvensen 16 2/3 Hz? 4. Hur många omformarstationer har vi? 5. Vilken är funktionsprincipen bakom roterande omformare? 6. Vad heter det nya eldriftledningssystemet? 7. Nämn några skillnader mellan AT- och BT-systemen? 8. Vilken är den närmaste trafikcentralen, sett från Ängelholm? 58

Svar på avsnittets övningar 59

1. 130 kv (145 kv m.m. finns också). 2. 10 mil. 3. Norge, Tyskland, Österrike, Schweiz 4. 51 styck 5. Motor-Generator 6. GELD Svar till övningsuppgifter 7. Skillnader mellan AT- och BT-systemen är ex. att AT har två frammatade spänningar 180 ur fas som ger 30 kv mindre förluster längre sträcka med el i rälsen 8. Närmaste trafikcentralen, sett från Helsingborg, är den i Göteborg. 60