Elkvalitetsmätning på en av Trafikverkets signalanläggningar inom ERTMS-projektet

Elkvalitetsmätning på en av Trafikverkets signalanläggningar inom ERTMS-projektet En undersökning av elkvalitet Sebastian Poppe Högskoleingenjör, Elkraftteknik 2018 Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

LULEÅ TEKNISKA UNIVERSITET Elkvalitetsmätning på en av Trafikverkets signalanläggningar inom ERTMS-projektet Examensarbete Högskoleingenjörsprogrammet Elkraftteknik 15 hp Sebastian Poppe, 2018 Examensarbetet utfördes hos Trafikverket våren 2018. Handledare på Trafikverket: Anders Stridh, Handledare på LTU: Lars Abrahamsson, Examinator: Math Bollen

Förord Detta examensarbete är den avslutande delen av Högskoleingenjörsprogrammet med inriktning Elkraftteknik och omfattar 15 hp. Utbildningen ges genom ett samarbete mellan tre universitet, Luleå Tekniska Universitet, Umeå Universitet och Mittuniversitetet. Arbetet har utförts hos Trafikverket inom ERTMS-projektet i Borlänge med Mats Häger som teknisk expert. Detta efter en inledande kontakt med min handledare från Trafikverket, Anders Stridh, i Stockholm under hösten 2017. Jag vill tacka Mats och Anders för deras vägledning och stöd innan och under arbetets gång. Från Luleå Tekniska Universitet vill jag tacka min handledare Lars Abrahamsson och min examinator Math Bollen för deras stora engagemang, all den input och snabba respons jag fått under hela genomförandet av examensarbetet. Avslutningsvis vill jag tacka några nära kurskamrater som jag arbetat tätt ihop med under utbildningen och som fungerat som bollplank under slutförandet av rapporten: Karl Wirén, Rasmus Ekström och Martin Pettersson. Sebastian Poppe Stockholm, maj 2018 i

Sammanfattning Examensarbetet genomfördes inom Trafikverkets ERTMS-projekt som stöd inför beslut rörande kraftförsörjningen av de teknikhus längs järnvägen som rör projektet. Examensarbetet gäller områden som implementering av den nya lik- och växelriktaren Rectivertern, kraftförsörjningens utformning sett till redundans och den generella elkvalitén. Detta utfördes genom behandling av data från en veckas elkvalitetsmätning på en av signalanläggningarna där det fanns en installerad Rectiverter. Resultaten ställdes mot rådande standarder och orsaker till avvikelser diskuterades. Arbetet tyder på att den anläggning som elkvalitén mättes på uppfyller de standarder som gäller. Men resurser kan riktas mot att effektivisera anläggningarnas kraftförsörjning, både sett till redundans och direkta effektförluster. Med detta avses valet av kraftmatning på anläggningar runt om i landet och konverteringarna av spänningen mellan UPS-enhet och Rectiverter. I kapitel ett behandlas använd terminologi och förkortningar, i kapitel två en introduktion där bakgrund, syfte och mål står formulerat. Kapitel tre avser rapportens teori sett till elkvalitetstekniska begrepp, behandling av data, Trafikverkets anläggningar och rådande standarder. I metod och genomförande (kapitel fyra) presenteras den metod som användes vid elkvalitetsmätningen och hur den genomfördes. Detta innefattar insamling av källor, använd utrustning, uppkoppling och analysmetod. I resultat och analys (kapitel fem) presenteras resultaten från mätningen som sedan diskuteras ytterligare under diskussion (kapitel sex). Rapporten avslutas med slutsatser och förslag på vidare arbete i kapitel sju och åtta. ii

Abstract The thesis work was carried out within the Swedish Transport Agency's ERTMSproject to assist in deciding on the power supply of the facilities along the railways related to the project. This work applies to areas such as the implementation of the new rectifier, the Rectiverter, and power supply design with focus on redundancy and the overall electricity quality. The work was carried out by processing data from one week's power quality measurement at one of the signal plants where there was an installed Rectiverter. The results were set against current standards and causes of events discussed. The work indicates that the tested facility where power quality was measured meets the applicable standards. However, measures can be made to increase the efficiency of the facility, concerning both redundancy and direct power losses. This refers to the choice of power supply at facilities around the country and the conversion of AC to DC before the UPS and DC to AC-voltage after UPS to the Rectiverter. In chapter one terminology and abbreviations are listed. Chapter two contains an introduction to the report where background, purpose and objectives are formulated. Theory of power quality concepts, data processing, prevailing standards and information about the facilities of the Swedish Transport Administration can be found under chapter three. In chapter four, the methodology used for the power quality measurement and how it was carried out is presented. This includes the collection of sources, used equipment, practical set-up and used method for analysis. In chapter five, the results from the measurement are presented, which are then discussed further in the discussion (chapter six). The report is then summarized with conclusions and suggestions for further work in chapters seven and eight. iii

Innehållsförteckning 1 Terminologi... 1 1.2 Förkortningar och enheter... 3 2 Introduktion... 4 2.1 Bakgrund... 4 2.2 Syfte... 4 2.3 Mål och omfattning... 5 3 Teori... 6 3.1 Begreppet elkvalitet... 6 3.2 EMC... 6 3.3 Avbrott och dippar... 7 3.4 Symmetri och osymmetri... 7 3.5 Övertoner... 9 3.5.2 Uppdelning av övertoner... 12 3.5.3 Mätning av övertoner... 12 3.6 FFT... 14 3.8 Rectiverter... 16 3.9 Flimmer... 17 3.10 Transienter... 18 3.11 Svaga och starka nät... 19 3.12 Trafikverkets elnät för järnvägen... 20 3.12.1 Kraftförsörjning av teknikhus... 20 3.13 Standarder... 21 3.13.1 SS-EN 61000-4-30 - Mät- och provningsmetoder Mätning av spänningsgodhet och elkvalitet... 21 3.13.2 SS-EN 61000-4-7 - Mät- och provningsmetoder Vägledning vid övertonsmätning på elnät och nätansluten utrustning.... 21 3.13.3 SS-EN 50160 - Spänningens egenskaper i elnät för allmän distribution.... 22 4 Metod och genomförande... 24 4.1 Litteraturstudie... 24 v

4.2 Utrustning... 24 4.3 Mätperiod och inställningar... 24 4.4 Programvara för analys... 25 4.6 Hantering av data... 28 5 Resultat och analys... 29 5.1 Kurvform och fasläge... 29 5.2 Analys av övertoner ur kurvform... 31 5.3 THD, TID och Crest Factor... 33 5.4 Höga strömvärden... 34 6 Diskussion... 36 6.1 I enighet med standarder... 36 6.2 Anläggningen... 36 6.3 Ett kort resultat... 36 6.4 Alternativ till kraftförsörjning... 37 6.5 Den kortvariga spänningssänkningen... 37 6.6 Närvaro av övertoner... 37 6.7 Ur ett ekonomiskt, socialt och ekologiskt perspektiv... 38 6.7.1 Hållbart och modulärt... 38 6.7.2 Egen kraftförsörjning... 38 7 Slutsatser... 39 8 Förslag på vidare arbete... 40 9 Litteraturförteckning... 41 Appendix A - Inställningar för mätinstrument... 43 Appendix B - Trafikverkets ledningsnät... 47 Appendix C - Förstorade figurer... 49 vi

1 Terminologi Anslutningspunkt Aktiv effekt Avbrottsfri kraft Crest factor Effektivvärde Förimpedans Den punkt där ett studerat nät är anslutet till omvärlden. Om det enbart skulle gälla grundtonen skulle det vara den användbara beståndsdelen för att utföra nyttigt arbete i begreppet effekt. I en signal innehållandes övertoner, vilket påverkar en signals totala energiinnehåll är detta en halvsanning. En anläggning som avser att försörja något med, som namnet antyder, avbrottsfri kraft. Ofta bestående av batteribankar. Se UPS. Den faktor som avgör kurvformen efter ett givet effektivvärde. Det faktiskt användbara värdet av en sinusformad spänning eller ström. Detta är per definition det kvadratiska medelvärdet av storhetens tidsberoende variation. Eller toppvärdet dividerat med faktorn 2. Den impedans, Z för = R för + jx för, som finns i en anslutningspunkt, Z för = R 2 för + X 2. Last Något som förbrukar elektrisk energi. Lastgrad Storlek på last, hur stor ström som flyter i procent ställd i relation till den totala kapaciteten. Likriktare En apparatur som på kraftelektronisk väg omvandlar växelström till likström. Kraftmatning En strömförsörjning. Något som matar en apparatur, något som förser utrustningen med ström. Mellanton Dessa återfinns i frekvensspannet mellan övertonerna. 1

Reaktiv effekt Rectiverter Den andra beståndsdelen i skenbar effekt utöver aktiv effekt. Ett produktnamn för en blandning av en likriktare och en växelriktare. Reservkraftanläggning En anläggning av elkraftstekniska komponenter som ska försörja en last vid behov. Rippel Högfrekvent variation (rippel) i en kurvform, exempelvis i en likspänningskomponent. Signalanläggning Också teknikhus eller bara anläggning i texten. Är benämning på de anläggningar som Trafikverket har längs järnvägen och som innehåller olika tekniska system som behövs för att järnvägen ska fungera. I byggnaderna finns bland annat utrustning som styr signalsystemet längs järnvägen. Starkt elnät Ett nät med hög kortslutningseffekt och låg förimpedans. Svagt elnät Ett nät med låg kortslutningseffekt och hög förimpedans. Toppvärde Amplituden av en spänning eller ström för hela signalen. Växelriktare En kraftelektronisk apparatur som omvandlar likström till växelström. Överton En multipel av en grundton. I (allmänna elnäten i) Sverige en multipel av grundtonen på 50 Hz. 2

1.2 Förkortningar och enheter ATC Automatic Train Control (Det gamla signalsystemet som ska bytas ut). DFT Discrete Fourier Transform, tidsdiskret och frekvensdiskret. EMC Electromagnetic Compability ERTMS European Rail Traffic Management System (det nya signalsystemet som ska fasas in). FFT Fast Fourier Transform, algoritm för att få fram frekvensinnehållet ur en signal. LCC Life Cycle Costs, ett sätt att beräkna kostanden av något under hela dess livstid med satta avgränsningar. PCC Point of common coupling gemensam anslutningspunkt. RMS Root mean square, effektivvärde av en spänning eller ström. RMS = t f(τ) 2 dt THD Total Harmonic Distortion total övertonshalt i en signal. THD-R, THD-F, THD-X Variationer av THD, se Övertoner. TID Total Interharmonic Distortion Total mellantonshalt i en signal. VTHDRss Totalt övertonsinnehåll för spänning i en signal. ITHDRss Totalt övertoninnehåll för ström i en signal. VTHIDRss Totalt mellantonsinnehåll för spänning i en signal. ITIDRss Totalt mellantonsinnehåll för ström i en signal. UPS Uninterruptible Power Supply, avbrottsfri kraftförsörjning. Ofta beståendes av batteribankar för att kunna förse en last med aktiv effekt. t+t S U I Skenbar effekt [Volt Ampere] Spänning [Volt] Ström [Ampere] 3

2 Introduktion 2.1 Bakgrund 2.2 Syfte I Sverige sträcker sig hundratals mil järnväg som idag står inför stora förändringar om den ska uppfylla de krav som kommer ställas på den under kommande år. En av dessa förändringar är att förnya och standardisera signalsystemet kring järnvägen. Det handlar om att ta klivet från det gamla systemet ATC till det nya EU-standardiserade signalsystemet ERTMS som bland annat möjliggör sömlös tågpassage över gränserna inom Europa. I samband med denna förändring kommer ett stort antal signalanläggningar att behöva förnyas. Det rör sig om cirka 800 driftplatser som ska få ny utrustning eller helt nya teknikhus. Fokus hos Trafikverket ligger på att bygga rationellt, modulärt och med hänsyn till LCC (TDOK-2015:0341, 2015). Signalanläggningarna behöver kraftförsörjas, och detta med hög tillgänglighet och redundans i en miljö som är utsatt för elektriska störningar. I denna förändring är elkvalitet en viktig faktor att titta närmare på, och genom ett samarbete med Trafikverkets ERTMS-grupper i Borlänge och Stockholm, Solna, har studien genomförts under andra halvan av vårterminen 2018 för att göra just detta. Datainsamlingen gjordes under en vecka på en signalanläggning belägen i Fagersta, Västmanland, för att kunna jämföra detta mot gällande standarder. Syftet med studien var att undersöka om elkvalitén på anläggningen uppfyller de Svenska standarder som reglerar denna med den last i form av exempelvis en likriktare eller växelriktare (Rectiverter) som finns tillkopplad. Detta med hänseende på inkommande kraftmatning (hjälpkraft och ortsnät, 50 Hz) och även efter den avbrottsfria kraften inom anläggningen. 4

2.3 Mål och omfattning Utföra elkvalitetsmätningar på en av Trafikverkets signalanläggningar. Undersöka enskilda elkvalitetstekniska händelser under en veckas mätning på en av Trafikverkets signalanläggningar och ställa dessa mot gällande standarder. Försöka förklara orsaker till enskilda elkvalitetstekniska händelser. Ge förslag på vidare arbete och diskutera kraftförsörjningen av anläggningen. 5

3 Teori 3.1 Begreppet elkvalitet Utvecklingen av produkter som behöver elkraft för att fungera fortsätter att avancera. De nya produkterna som är mer tekniskt komplicerade än förr, inte bara sett till antalet komponenter inblandade i dess konstruktion, utan även sett till den funktion en produkt ska kunna uppfylla. Denna komplexitet finns för att matcha de höga krav som idag ställs på elektronikutrustning från konsumenter. I princip allt i vårt moderna samhälle kräver någonstans i dess livslängd inblandning av elkraft, antingen för dess funktion eller för att produkten över huvud taget ska finnas till. Detta sett till tillverkning och utveckling av produkten. Skalan av användandet av elkraften har gjort den till en av samhällets byggstenar och kraven för att den ska finnas tillgänglig är skyhöga. Något som inverkar på detta och elkraftens funktion i stort är dess kvalité. Elkvalitet kan delas upp i en rad olika underkategorier som om de tillsammans befinner sig inom det man definierat som gränsvärden upprätthåller en god elkvalitet. Gränsvärdena skiljer sig beroende på applikation, men i grova drag finns de beskrivna i olika standarder. I Sverige heter dessa något i stil med SS-EN 50160, där SS står för Svensk Standard och EN för European Norm, då de ofta härstammar från europastandarder. Utöver standarder finns även EMC-direktivet (Europaparlamentet, 2014) vilket gäller apparater som kan orsaka egna eller påverkas av elektriska störningar (Blomqvist, s.65). Detta behandlas inte i denna rapport. Nedan i avsnitt 3.2 3.5 samt 3.9 3.10 följer några elkvalitetstekniska begrepp och en beskrivning av dessa. 3.2 EMC EMC, förkortning för Electromagnetic Compability eller på svenska, elektromagnetisk kompabilitet, är ett övergripande och förenenade begrepp inom elkvalitet. Det handlar om olika apparaters förmåga att samspela med varandra ur ett störningsperspektiv. För att detta ska fungera och upprätthålla en god kvalitét krävs, inte bara krav på bra kapsling och apparatens konstruktion i stort, utan även en god elkvalitét (Olsson, Henrik, 2017). 6

3.3 Avbrott och dippar Det kanske mest uppenbara hos en konsument när det kommer till elkvalité kan vara ett avbrott. Det kännetecknas (enligt en viss definition) av en plötslig och markant sänkning av spänningen. För att händelsen ska registreras som ett avbrott ska avbrottet vara under minst 3 minuter och spänningen ska vara under 1 % av den nominella spänningen (SS-EN 50160, 2000). Det finns också så kallade spänningsdippar, vilket inkluderar spänningssänkningar om minst 10 % och som varar i mer än 10 ms och mindre än 90 s, ett tidsspann som även gäller avbrott (Berglund & Åkerlund, 2007). Andra definitioner kan vara att händelsen inte registreras som ett avbrott förrän det är helt spänningslöst eller spänningen är så låg att laster kopplas ifrån. Vanliga orsaker till spänningsdippar är vanligtvis fel på anläggningar, antingen orsakade av människan eller av olika väderförhållanden (nedfallna träd på luftledningar, åsknedslag etc.). I svaga nät kan även spänningsdippar uppstå när en stor last kopplas till. Detta gör att uppkomsten av händelserna är mycket oregelbunden och helt styrd av yttre faktorer och nätets uppbyggnad. Idag finns förhållandevis enkla medel som skydd mot spänningsfall (Berglund & Åkerlund, 2007). I anläggningar som kräver hög tillförlitlighet kan man installera UPS-anläggningar (avbrottsfri kraft) för att skydda verksamheten som bedrivs (Bergkvist & Gustafsson, 2014). 3.4 Symmetri och osymmetri I ett elnät eftersträvar man att ha så god symmetri som möjligt, detta för att minska risken för problemområden som överlast, höga övertonshalter och tappad funktion av vissa elkraftstekniska komponenter. Exakt vad ett symmetriskt nät är kan vid en första anblick kännas invecklat, men faktum är att definitionen är enkel. En spänning i ett trefassystem som ligger i symmetri kännetecknas på två sätt: amplituden ska vara samma på de tre sinuskurvorna och förskjutningen kurvorna emellan ska vara 120 (se Figur 1). Är något av villkoren inte uppfyllda har osymmetri uppstått (se Figur 2). Sen kan givetvis graden av osymmetri i ett elnät skilja sig från fall till fall, och all osymmetri behöver inte ge upphov till några större konsekvenser. (Berglund & Åkerlund, 2007). 7

Figur 1, en kurva över tre symmetriska, sinusformade fasspänningar med amplituden 325 V och frekvensen 50 Hz. Figur 2, osymmetriska sinusformade fasspänningar med olika amplitud och fasförskjutning med frekvensen 50 Hz, den horisontella axeln i sekunder (s) och den vertikala axeln i Volt (V). 8

3.5 Övertoner En överton kan beskrivas som en komponent antingen av spänning eller ström med en frekvens som är en heltalsmultipel av grundfrekvensen på nätet (i Sverige 50 Hz). Hur man anger dessa skiljer beroende på om man tittar på en individuell överton hos spänning eller ström, eller det totala övertonsinnehållet i en signal. Tittar man på individuella övertoner brukar man ange dessa som en procentsats eller som absolutbelopp. Ser man istället på den totala mängden, eller rättare benämnt, den totala harmoniska distorsionen (THD) som är ett mått på avvikelser från sinusformen, uttrycker man det enligt ekvation (2) nedan. Normalt räcker det med att titta på upp till 40 övertoner, men i ekvationerna nedan har alla tagits med. Uttrycken (2-6) är hämtade ur Reidar Gustavssons bok om praktisk elkvalitet (Gustavsson, 2007). THD för distorsionen i Volt i procent (%): U THD = 100 h=2 (U h ) 2 (2) THD-R för distorsionen som procent (%) av spänningens effektivvärde (U RMS ) (för hela signalen): U THD R = 100 h=2 (U h )2 (3) U RMS THD FTHD-F för distorsionen som procent (%) av grundtonens effektivvärde (roten av summan av alla övertoner i kvadrat utöver grundton, genom grundtonen): U THD F = 100 h=2 (U h )2 (4) U F THD-X för universalanvändande. Detta uttryck används om man vill jämföra distorsionsnivån mot någon valfri storhet: 9

U THD X = 100 h=2 (U h )2 (5) U X Ett enklare uttryck att förstå för att beräkna THD ses i (6). Jämfört med (4) används här istället för ett summatecken manuell inmatning av varje överton. Alltså kvadratroten av summan av alla övertoner i kvadrat genom grundtonen. Denna manuella metod kan vara användbar när korta serier av övertoner ska behandlas på en miniräknare. THD = 100 U 2 2 +U3 2 +U4 2 + U 1, (6) När man ansluter en olinjär last till ett nät uppkommer övertoner. Förklaringen bakom detta ligger i att relationen mellan spänning och ström inte stämmer överens per period i dessa driftfall. Strömmen som lasten ger upphov till avviker då från sinusformen vilket orsakar ett spänningsfall som resulterar i att spänningens sinuskurva också påverkas. Detta trots att matningsspänningen är sinusformad. Nät med hög kortslutningseffekt och låg förimpedans minskar spänningssänkningarna och därmed även övertonerna för spänningen (Berglund & Åkerlund, 2007). 10

3.5.1 Linjär och olinjär last Skillnad på linjär och olinjär last går att se i Figur 3 och Figur 4. Figur 3, linjär last där förhållandet mellan spänning och ström är konstant. OBS, illustrativ bild. Figur 4, olinjär last där förhållandet mellan spänning och ström inte är konstant. Detta då den olinjära lasten ger upphov till övertoner, i detta fall visas summeringen av en överton av tredje ordningen. OBS, illustrativ bild. 11

En enklare förklaring kan göras med en följande ekvation: U(f) = Z I(f) (1) Om U ska bero av frekvensen f på sammas ätt som I så är den enda lösningen att Z inte är frekvensberoende. Definitionen är således att impedansen måste vara konstant om lasten ska vara linjär. 3.5.2 Uppdelning av övertoner Man skiljer på udda och jämna övertoner, där de vanligaste i trefasnät är udda övertoner. Detta för att jämna övertoner kräver att spänningens positiva och negativa period ska påverkas olika mycket (Berglund & Åkerlund, 2007). När det går att återfinna jämna övertoner är detta ofta en fingervisning att något inte fungerar som det är tänkt i lasten (Gustavsson, 2007). Man skiljer också på strömövertoner och spänningsövertoner. En strömöverton är likt i Figur 3 och Figur 4 ovan orsakade av en olinjär last, alltså en last som drar en ström som inte är en sinusvåg. Dessa skapas främst i elektroniska processer som använder sig av switchning för att åstadkomma en funktion. Detta behandlas senare i rapporten under Av och påslag Switchning. Spänningsövertoner är beroende av strömövertoner, som även nämndes i den mer generella beskrivningen ovan. Dessa uppkommer som en konsekvens av strömövertonerna. Och man ser dem ofta på nät matade av kraftelektroniska spänningskällor. 3.5.3 Mätning av övertoner Som ovan nämnt är en överton en multipel av en grundfrekvens. Exempelvis har den tredje övertonen på ett 50 Hz nät en frekvens på 150 Hz. En överton gäller enbart mot grundfrekvensen, inte som multipel direkt mot den föreliggande lägre frekvensen. För att presentera detta på ett lättöverskådligt vis kan man traditionsenligt använda sig av ett mätinstrument som klarar av att visa mätdata som en frekvensskala på den horisontella axeln. Det viktigaste är dock att instrumentet klarar att sampla mätdata i tillräcklig noggrannhet för det den ska tillämpas för. Själva behandlingen av mätdata kan sedan ske i ett beräkningsprogram digitalt. Graderingen av denna kan 12

skilja beroende på fabrikat och upplösning av mätinstrumentet. Dessa mätinstrument kallas för spektrumanalysatorer. En förenklad principiell skiss av instrumentets skärm kan se ut i enlighet med Figur 5. Figur 5, principiell bild av resultat från en spektrumanalysator. Detta kallas för en frekvensplot eller spektrum för övertoner (se mer om det nedan under FFT) kan jämföras med motsvarande principiellt tänkbara oscilloskopbild för fallet: 13

Figur 6, tänkt oscilloskopsbild ur samma scenario som Figur 5. A är amplituden och T är tidsaxeln. V står för Volt, d för division (ruta) och ms för millisekunder. Notera att fyrkantsvågen i Figur 6 genererar jämna övertoner, detta går att se genom att topparna på fyrkantsvågen lutar olika mycket på positiv och negativ periodhalva. Detta medför att areorna på respektive periodhalva skiljer sig åt vilket ger upphov till jämna övertoner. 3.6 FFT FFT Fast Fourier Transform är en snabb beräkningsalgoritm för att beräkna DFT (Bengtsson, 2012). FFT-analysen blir mycket användbar för att få en statistisk överblick över övertonsinnehållet i en signal. FFT-plotter används i det här examensarbetet för att åskådliggöra halten av övertoner på bestämda frekvenser. En närmare beskrivning av FFTns funktion återfinns i Lars Bengtssons bok om elektriska mätsystem och mätmetoder (Bengtsson, 2012). 14

3.7 Av och påslag Switchning En stor del av de elektroniska laster vi använder drivs av likström. Men då överföringen av elektrisk energi främst sker med växelspänning behövs någon form av likriktning. Detta sker ofta genom användandet av transistorer och tyristorer av olika slag i likriktarbryggor. Begreppet switchning har sin grund i att dessa komponenter delar upp perioderna i en sinusvåg, där de ser till att leda enbart vid bestämda punkter för att erhålla något som liknar en likström som resultat. Vanligtvis används för detta ändamål 6-pulsers eller 12-pulsers likriktarbryggor. De senare ger en högre rippelfrekvens som blir enklare att filtrera (Gustavsson, 2007). En 6- puls likriktare ger en rippelfrekvens på 300 Hz på ett 50-Hz nät då varje diod leder 60 grader vardera. Det vill ge en utsignal som ser ut som i Figur 7. Figur 7, principskiss av utsignal från 6-pulslikriktare. En 12-pulslikriktare leder dubbelt så ofta (var 30e grad), och får därför en ännu högre rippelspänning (600 Hz) vilket är ännu enklare att filtrera. Detta leder till en lägre strömdistorsion. En uppkoppling för en 12-puls likriktare kan se ut som Figur 8. 15

Figur 8, en 12-puls tre-fas tyristorlikriktarbrygga. Nackdelen med en 12-puls likriktare är att den kostar ganska mycket jämfört med en 6-pulslikriktare på grund av den extra utrustningen som behövs (fler transformatorer). Denna lösning används främst vid högre effektuttag och högre krav på elkvalité. Utöver 12-pulslikriktare finns fler varianter, exempelvis 24-pulslikriktare. Men denna lösning kräver ännu fler transformatorer än ovan och är inte lika vanlig (Gustavsson, 2007). 3.8 Rectiverter En Rectiverter är företaget Elteks benämning på deras kombinerade likriktare och växelriktare. Det är alltså en likriktare och en växelriktare i samma apparat, där man kan mata in växelspänning och få ut likspänning och vice versa, se Figur 13. Denna är rackmonterad och är bestyckad med ett antal moduler beroende på vilket effektuttag man som användare har behov av. Den här varianten används ute på Trafikverkets anläggningar för att omvandla spänningar från likspänning till växelspänning och vice versa. Denna sitter monterad efter UPS-enheten och innan utrustningen som ska kraftförsörjas, se Figur 13. 16

3.9 Flimmer Flimmer kan beskrivas som snabba förändringar av effektivvärdet av en spänning, något som går att mäta upp med hjälp av ett så kallat flimmerinstrument. Det är definierat efter hur belysning påverkas av dessa spänningsvariationer, hur mycket belysningen från en klassisk glödlampa flimrar på grund av dessa. Referensvärdet är rent subjektivt, och satt efter när en grupp människor uppfattar flimret hos en 60 W glödlampa ansluten till 230 V, 50 Hz som störande. Uppkomsten till flimmer sker på platser med ett relativt svagt nät sett till kortslutningseffekt och förimpedans. Flimret uppstår när det sker snabba variationer på laster (ex. på en varierande last är ljusbågsugnar) i dessa punkter, även omvänt kan intermittenta produktionskällor ge upphov till flimmer (ex. vindkraftverk). Vissa flimmerstörningar kan vara tillräckligt stora för att kunna sträcka sig ut över underliggande nät anslutna till samma PCC som störningskällan i sig. Enligt Elforsk kan man för att motverka dessa störningskällor genom att använda sig av ett starkare elnät (Elforsk, 2007). En illustration av ett exempel på hur spänningsvariationer (flimmer) kan se ut återfinns i Figur 9. Figur 9, illustration av spänningsvariationer på en fas, observera att figuren enbart är illustrativ, mått och proportioner stämmer ej mot verkliga fall. 17

3.10 Transienter En transient, för många mer bekant som spänningsspik, är precis som namnet antyder en snabb förändring av amplituden på en spänning, se Figur 10. Denna förändring är även snabbt övergående. Dessa kan orsaka skador på all typ av elektronik vilket givetvis, beroende på elektronikens applikation ger varierande konsekvenser. Transienter kan uppkomma på olika sätt, vanliga orsaker kan vara åsknedslag, till- och frånkoppling av stora laster, etc. Det finns olika slag av skydd mot plötsliga spänningshöjningar och sänkningar. Åskskydd, högre isolationshållfasthet hos apparater eller till exempel tidsbestämning av inkoppling av utrustning som ger upphov till transienter i form v spänningshöjning. Avbrottsfri kraft som nämns som skydd i Avbrott och dippar fungerar som skydd mot transienter med en mindre amplitud. Skydden varierar beroende på applikation och styrande faktor för transientens uppkomst. Den mest destruktiva spänningstransienten är blixtnedslag. En blixt består av en stor mängd energi och en potentialskillnad mot jord på upp till flera miljoner volt (Gustavsson, 2007). Dess karaktäristik vid urladdning är komplicerad. Vad som kan verka som en urladdning mot en lägre potential kan i själva verket vara en serie av många urladdningar i följd. Varje urladdning når sitt toppvärde inom en till två mikrosekunder och det totala urladdningsförloppet med alla urladdningar inräknat kan ta upp till 200 millisekunder. Dessa energimängder måste tas om hand innan de når känsliga delar av en anläggning, oavsett vad anläggningen innehåller. Detta gör man genom åskledare (jordlinor från ledningar ned till jord) och ventilavledare installerade mellan fas och jord. Ventilavledarens roll i förloppet är att reducera toppspänningen vid nedslaget genom att leda ned strömmen till jord (Gustavsson, 2007). 18

Figur 10, illustration av ett exempel på hur en transient kan se ut. 3.11 Svaga och starka nät För att kunna kategorisera elänät efter hur lättpåverkade de är, kan ett nät benämnas som svagt eller starkt. Detta innebär i praktiken att ett svagt nät har lägre kortslutningseffekt (hög förimpedans, bygger på en Theveninmodell där bakomliggande nät består av en spänningskälla med en källimpedans), och påverkas därför lättare av lastförändringar, kortslutningar och andra störningar än ett starkt nät (Köhler, 2016). Trefasig kortslutningseffekt i ett felställe avser: S k = 3 U I k (6) Där S k avser den skenbara kortslutningseffekten, U huvudspänningen och I k kortslutningsströmmen. 19

3.12 Trafikverkets elnät för järnvägen Trafikverket har vid järnvägen tillgång till olika alternativ på kraftförsörjningar. Det finns en kraftmatning från kontaktledning för de tåg som går längs järnvägen. Spänningsnivån på kontaktledningsnätet är nominellt 15 kv (enfas) med en frekvens på 16 2/3 Hz. Denna frekvens åstadkoms genom omformar-stationer längs järnvägen som ofta får sin kraft från tre-fas 132 kv-ledningar med frekvensen 50 Hz. Denna kraft köps och levereras av stora kraftbolag i Sverige. Utöver kontaktledningen finns även en ledning längst upp i stolparna (utöver åskskydd) som kallas för en hjälpkraftledning. Spänningsnivån på hjälpkraftledningsnätet är antingen 11 eller 22 kv med frekvensen 50 Hz. Denna används för att mata exempelvis växelvärme, signaler, stationsbyggnader eller signalanläggningar som den som undersöks i det här examensarbetet. Om hjälpkraft saknas eller om redundans är av stor vikt används även det allmänna närliggande ortsnätet för dessa ändamål (Banverket, 2006). För en överblicksbild från Trafikverket över hjälpkraftnät och kontaktledningsnät över mätområdet se Appendix B - Trafikverkets ledningsnät. 3.12.1 Kraftförsörjning av teknikhus Inom anläggningarna finns olika alternativ till kraftförsörjning. Avbrottsfri kraft (UPS uninterruptible power supply) finns installerad i form av en batteribank som kan mata aktiv effekt när den behövs. Denna är i sin tur matad av ortsnätet (där ortsnät finns att tillgå) eller tillsammans med eller enbart Trafikverkets egen hjälpkraft. I de fall där båda alternativen till kraftförsörjning finns tillgängliga används båda växelvis, vilket är det normala (TDOK-2014:0668, 2015). Detta görs för att säkerställa redundans. UPS-enheten matar i sin tur den likriktar-/växelriktaranordning (Rectiverter) som finns i signalanläggningen för att kunna få ut både AC och DCspänningar till utrustningen som finns i lokalen, se Figur 13. 20

3.13 Standarder 3.13.1 SS-EN 61000-4-30 - Mät- och provningsmetoder Mätning av spänningsgodhet och elkvalitet Standarden (SS-EN 61000-4-30, 2015) bygger på europastandarden EN 61000-4-30:2015 (CENELEC, 2015) som i sin tur består av IEC 61000-4-30, för IEC 61000-4-30 se: (Legarreta, Figueroa, & Bortolin, 2011). Den behandlar mätning av ett antal elkvalitets-parametrar, mätnormer och en klassuppdelning baserat på användnings-område Tabell 1. Klass A används där noggranna mätningar är av betydelse. Denna klass används exempelvis när man undersöker om något uppfyller en standard. Klass S används för övergripande användning och insamling av data. Klass B används inte i nya instrument, utan är utgången. 3.13.2 SS-EN 61000-4-7 - Mät- och provningsmetoder Vägledning vid övertonsmätning på elnät och nätansluten utrustning. Tabell 1, krav på noggrannhet enligt SS-EN 61000-4-7 vid mätning av ström, spänning och effekt: Klass Mätning Villkor Maximal avvikelse A Spänning U m 1 %U nom U m < 1 %U nom Ström I m 3 %I nom I m < 3 %I nom Effekt P m 150 W P m < 150 W B Spänning U m 3 %U nom U m < 3 %U nom Ström I m 10 %I nom I m < 10 %I nom ±5 % U m ± 0,05 % U nom ±5 % I m ± 0,15 % I nom ±1 % P Nom ± 1,5 W ±5 % U m ± 0,15 % U nom ±5 % I m ± 0,5 % I nom 21

3.13.3 SS-EN 50160 - Spänningens egenskaper i elnät för allmän distribution. Standarden (referens) reglerar gränsvärden och spänningens egenskaper vid en anslutningspunkt. Den behandlar enbart låg- och mellanspänning i ett allmänt distributionsnät. Elkvalitetsparametrar som behandlas är frekvens, storlek, kurvform och symmetri mellan de tre fasspänningarna. Variationer av matningsspänningens effektivvärde får under en vecka inte variera mer än ± 10 % i 95 % av alla 10-minuters medelvärden. Matningsspänningens totala övertonshalt med alla övertoner upp till och med den 40:e inräknade ska vara mindre än eller lika med 8 % av varje 10 minuters medelvärde. Detta gäller för alla spänningsnivåer och rör den totala övertonshalten se Tabell 2. Tabell 2, gränsvärden från standarden SS-EN 50160 för övertonshalter i anslutningspunkten på lågspänningsnätet: Udda övertoner Ej multiplar av tre Ordning Relativ h spänning (%) Multiplar av tre Ordning Relativ h spänning (%) Jämna övertoner Ordning h 5 6 3 5 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,5 6... 24 0,5 13 3 21 0,5 17 2 19 1,5 23 1,5 25 Relativ spänning (%) 22

Tabell 3, gränsvärden enligt standarden SS-EN 50160 för övertonshalter i anslutningspunkten på mellanspänningsnätet: Udda övertoner Ej multiplar av tre Ordning Relativ h spänning (%) Multiplar av tre Ordning Relativ h spänning (%) Jämna övertoner Ordning h Relativ spänning (%) 5 6 3 5 * 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,5 6... 24 0,5 13 3 21 0,5 17 2 19 1,5 23 1,5 25 1,5 (*) Värdet på den tredje övertonen kan vara lägre. Detta beror på hur nätet är utformat. 23

4 Metod och genomförande 4.1 Litteraturstudie En insamling av litteratur som underlag för påståenden och som informationsinhämtning kring det berörda ämnet har pågått under hela arbetets gång. Den faktiska källan har skiftat beroende på vad det är i rapporten som behandlats. Internet, böcker och standarder har använts som grund för det här examensarbetet. 4.2 Utrustning Vid mätningen användes elkvalitetsmätaren Dranetz PX5 (se Figur 11) med tillhörande strömtänger (Dranetz TR2510A samt Chauvin Arnoux C173) och mätprobar (1000 V, CAT III). Elkvalitetsmätaren mäter enligt Klass A och mätstandarden SS-EN 61000-4-30, (SS-EN 61000-4-30, 2015). Figur 11, elkvalitetsmätaren Dranetz PX5. 4.3 Mätperiod och inställningar Då mätdata sedan tidigare inte fanns att tillgå, lämnades mätaren att mäta i en vecka. Mellan den 10e och 17e april 2018 gjordes mätningen i XXX. Mätaren ställdes in för att logga mätdata var tionde sekund och att trigga vid sådant som klassas som händelser enligt Klass A i SS-EN 61000-4-30, (SS-EN 61000-4-30, 2015). En händelse var till exempel överskridna gränsvärden på övertonshalt, gränsvärden för över- och underspänning, etc. För djupare 24

information om mätinstrumentets inställningar, se Appendix A - Inställningar för mätinstrument. 4.4 Programvara för analys Programvaran som användes för analysen av mätdatan var den professionella versionen av Dran-View (närmare bestämt Dran-View Professional 7.5.08 (64)), se Figur 12. I programvaran kan man titta på alla loggade mätningar, både de gjorda i 10-sek intervall och de som är gjorda på grund av att en händelse inträffat. Man kan också välja att enbart se till loggar skapade för enskilda händelser, vilket resulterar i en tidsbesparing när det kommer till behandlingen av datat. Frekvensplottar (spektra), kurvformer, översiktsdiagram, statistik av medelvärden och liknande går att enkelt få fram i programmet. Figur 12, en översiktsbild av programvaran, för en större version se Appendix C - Förstorade figurer och Figur 27. 25

4.5 Uppkoppling Inkommande 50 Hz ortsnät och inkommande 50 Hz kraft från Trafikverkets hjälpkraftsnät mättes enfasigt med kanal ett och två. Kanal tre kopplades för att mäta den enfasiga spänningen mellan UPS och Rectiverter. De inkommande strömmarna före (I1 och I2) UPS och efter UPS (I3) in i likriktare mättes även. För uppkoppling och tillkopplad Rectiverter se Figur 13, Figur 14 och Figur 15. Figur 13, illustrativt blockdiagram över mätpunkterna. A, B och C representerar kanalerna för spänning och strömmätning på mätinstrumentet, ingenting mäts efter Rectivertern. AC och DC avser växel- och likström. För en mer detaljerad beskrivning av växelriktare och likspänningssystemet se Trafikverkets dokument om likspänningssystem för elkraftanläggningar (TDOK-2014:0676, 2015). 26

Figur 14, uppkoppling i rack. Kanal A och B för inkommande spänning med proberna (röd och gul) på vänster sida. Tängerna för ström och den blå proben för spänning mellan UPS och Rectiverter. 27

Figur 15, likriktare i fråga, som synes rackmonterad och med 13 moduler i sin bestyckning. 4.6 Hantering av data Totalt genererades 19 mätfiler om ca 131 MB mätdata vardera under den vecka som mätningen pågick. Av dessa filer analyserades alla triggade händelser för att urskilja orsaker och samband kopplade till dessa. Rådande mätstandarder se kap 3.13 finns hela tiden med under hanteringsprocessen som referens mot den erhållna mätdatan. 28

5 Resultat och analys 5.1 Kurvform och fasläge Under veckan som mätningen pågick, inträffade enbart en tillräckligt stor förändring i elkvalitet för att mätinstrumentet skulle trigga och logga en händelse som överskred standard, se Figur 16. Utöver denna kurvformhändelse registrerades ett stort antal händelser, där övertonshalten och strömtransienter överskred de manuellt satta gränsvärdena (utanför standard). Figur 16. Kurvform vid spänningssänkning, den händelse som triggades för gränsöverskridning av standard. För en större version, se Appendix C - Förstorade figurer, Figur 28. I Figur ovan visas en kurvform på en spänningssänkning i ortsnätet som triggade mätinstrumentet. Spänningen går från 333 V ned till 117 V mitt i en period. Den abrupta sänkningen gör även att den nya kurvformen från ortsnätet ligger cirka 22 grader ur fas jämfört med tidigare, se Figur 17. 29

Figur 17, fasdiagram över spänningarna A (ortsnät), B (hjälpkraft) och C (mellan UPS och Rectiverter). Sänkningen är: û 333 117 216 V, vilket motsvarar effektivvärdet U eff 216 2 216 153 V, och procentuellt. 64,8 %. 333 Enligt SS-EN 50160, (SS-EN 50160, 2000), klassas detta som en något ovanlig (då den bryter mot två gränser samtidigt) kortvarig spänningssänkning, detta då spänningen både sjunker 10 % av det nominella värdet (under 90 %- gränsen som gäller vid första gränsen) och dessutom totalt sjunker mer än 60 %. Den enda spänningsförändringen registrerad är betydligt större än 10 %, och varade under cirka 300 ms. I ett 10-minutersintervall och som den enda spänningssänkningen i mätserien behöver inte detta ses som något allvarligt då 300 ms i ett 10-minutersintervall är en försumbar tid. 30

5.2 Analys av övertoner ur kurvform Genom att titta på spänningens kurvform går det även att urskilja några detaljer, se Figur. Figur 18, urklipp av spänningens kurvform från mätning av normalfall. Tittar man på kurvformen i Figur, går det att se att det vid den svarta pilen är en platt yta vid toppen. Den är avklippt på ett hörn. Detta tyder på att den tredje övertonen finns representerad (Alfredsson, Jacobsson, Rejminger, & Skinner, 1996). Man kan även se något udda med denna, och det är att denna platta yta inte återfinns vid den blå pilen på den positiva periodhalvan av kurvan. Detta gör att kurvan inte är symmetrisk och att den andra (och jämna) övertonen finns närvarande (Gustavsson, 2007). Även den femte övertonen går att urskilja ur vågformen, på den hysteresformade nollgenomgången på kurvan (grön pil). I Figur 19 återfinns en frekvensplot gjord för kurvan som analyserades (Figur 18, spänningssänkningen), där övertonerna går att återfinna. I Figur 20 visas en vanlig loggfil utan triggad händelse, alltså under normaldrift. 31

Figur 19, övertonshalten vid samma mätning som i Figur. För en större version, se Appendix C - Förstorade figurer, Figur 29. Figur 20, övertonshalt vid en annan tidpunkt och samma mätfil, ej triggad som en händelse, utan en vanlig logg från 10-sek intervall. Notera närvaron av den andra övertonen (samma mätfil). 32

Den andra övertonen går även att återfinna i hela den första mätfilen (Figur 19 och 20 är alltså ifrån samma mätfil, olika tidpunkter men samma fil), men enbart i denna. När den andra mätfilen tar vid finns ej den andra övertonen kvar, och dyker aldrig upp igen under hela mätningens gång. 5.3 THD, TID och Crest Factor Antalet loggade händelser på grund av övertonshalter som överskrider det satta gränsvärdet i mätinstrumentet (THD > 5 %), var betydligt fler än några andra typer av händelser. Alla loggade övertonsrelaterade händelser som instrumentet triggade på hade liknande värden. Inget värde på THD överskred den gräns på 8 % som spänningsdistorsionen får vara enligt SS-EN 50160, (SS-EN 50160, 2000). Figur 21, en loggad händelse för överskridet instrument-gränsvärde för övertonshalt (bortse från D ). I Figur syns en gränsöverskridande händelse loggad. Övertonshalten för spänning i inkommande nät på både ortsnät och hjälpkraft är snarlikt (se VHTD för kanal A och B). Detta då de båda näten är så starka att de inte 33

påverkas i spänning av lasten. Strömövertonshalten skiljer sig som synes ganska mycket mellan kanal A och B. I A och B är medelvärdet av alla strömövertoner lägre än efter den (se den totala strömövertonsdistorsionen, ITHDRss för A och C i Figur ) även om de även efter den är inom rådande gränsvärden. Med crestfaktorn (VCF) på 1,453 är kurvformen på den inkommande spänningen något spetsigare jämfört med en vanlig sinusform med en crestfaktor på 2 1,414. Mellantonerna för ström (ITIDRss) är på en lägre nivå efter än innan UPS-enheten (jämför ITIDRss för A och C). Även övertonerna för spänning minskar (jämför VTHDRss för A och C), samtidigt som övertoner för ström ökar (jämför ITHDRss för A och C) och mellantonerna för spänning ökar (jämför VTIDRss för A och C). UPS-enheten fungerar alltså som ett filter, och kan förutom likriktning och växelriktningen innehålla filter för att filtrera bort övertoner. 5.4 Höga strömvärden Ett stort antal händelser som indikerade överskridande av gränsvärden (i mätinstrumentet förinställda tröskelvärden) för ström fanns under en av mätdagarna. Dessa triggerpunkter är satta som standardvärden i mätinstrumentet, och kan därför analyseras med parantes då detta regleras av praktiska faktorer så som kabelareror och säkringsstorlekar i anläggningen vilka inte togs hänsyn till när mätinstrumentet sattes upp. Dessa visade på en ström som överskred alla, i instrumentet satta, gränsvärden för överström. Det skedde under hundratals triggerpunkter utspridda över dagen, där vissa strömmars effektivvärden var närmare 18 A och med respektive toppvärde på närmare 30 A. Jämfört med gränsvärdet för mycket hög gräns på ett effektivvärde av 17,9 A är detta mycket. Totalt återfanns 31 loggade händelser för ett överskridande av den mycket höga gränsen. En övergång till den höga gränsen på 14,5 A inträffade betydligt oftare (143 gånger). Två stycken händelser gick hela vägen från normal till mycket hög gräns under cirka en sekund (se Figur 21). Värdet på strömmen varierade kraftigt från sekund till sekund och överskred gränsvärden vid många av ökningarna. 34

Figur 22, värden för gränsöverskridande ström. 35

6 Diskussion 6.1 I enighet med standarder Nästan alla mätningar höll sig inom standardernas gränsvärden. De flesta händelser som loggades som gränsöverskridande var manuellt inställda i mätinstrumentet. Detta gjordes för att utnyttja mätinstrumentets triggerfunktion för att kunna analysera mätdata från händelser, även under gränsvärden som står representerade i mätstandarden (SS-EN 61000-4-30, 2015) som mätinstrumentet arbetar efter. Skulle mätvärdena vara helt satta efter standardens gränsvärden, hade inga händelser loggats under den veckan som mätningen pågick i och med att värdena höll sig enligt rådande standarder. 6.2 Anläggningen En fundering kring anläggningens elkraftstekniska konstruktion, är att den primärt har två ingående kraftmatningar från ortsnätet och Trafikverkets egen hjälpkraft. Dessa matar i sin tur en UPS som likriktar spänningen för batteribanken, sedan växelriktas den likspänning som UPS-enheten matar ut för att därefter mata Rectivertern med som lika bra skulle kunna matas med likspänning direkt (TDOK-2014:0717, 2015). Detta är ett koncept som för mig känns kontraproduktivt. Utöver denna effektivisering finns möjligheter till hybrida lösningar för att ytterligare effektivisera UPS-enheter. Det ger möjlighet till att utvidga rollen som en UPS har idag genom att implementera en ren filtermöjlighet när dess kraftförsörjning inte står i primärt behov (Ghennam & Darwish, 2008). 6.3 Ett kort resultat Det i relation till rapportens teoridel korta resultatet, har sin förklaring i den förhållandevis korta mätning som utfördes. Under den vecka som mätningen pågick inträffade helt enkelt inte mer händelser att behandla än det som nämnts i resultatdelen i rapporten. Trafikverket arbetar idag med att sätta upp rackmonterade elkvalitetsmätare som är tänkta att fungera som ett enda system, mot en centralt administrerad databas där med överblick över hela systemet. Dessa sätts upp på stora delar av Trafikverkets anläggningar runt om i landet. Systemet är inte klart, men förmodligen kommer det i framtiden 36

underlätta vid beslutsfattande inför olika anläggnings-förändringar och ge helt andra möjligheter för elkvalitetstekniska analyser. 6.4 Alternativ till kraftförsörjning För att utöka redundansen ytterligare, kan en kraftförsörjning från kontaktledningsnätet övervägas, alltså en till matning in utöver A och B, se Figur 13. Där ortsnät finns att tillgå, kan alla tre alternativen övervägas och användas parallellt för ännu utökad redundans. En bypass på UPS-enheten borde även finnas med som standard så att den går att koppla förbi vid fel. En primär kraftförsörjning från främst hjälpkraftnätet bör ses över, då detta nät som från många håll matas från 132 kv-nät kan ses som ett starkt nät ställt mot många mindre ortsnät. 6.5 Den kortvariga spänningssänkningen Den kortvariga spänningssänkningen som står beskriven under avsnitt 5.1: Kurvform och fasläge kan förklaras av en kortslutning i det matande nätet. Antingen ute på ortsnätet, alltså den inkommande matningen, eller inne i anläggningen på den utrustning som finns ansluten före mätpunkten. Felstället baserar jag på att strömmen inte ökar när spänningen sjunker och att det därför måste ligga ovanför mätpunkten. Dessutom pågår det endast under cirka 300 ms, vilket kan antas vara en satt bortkopplingstid. 6.6 Närvaro av övertoner Den andra, tredje och femte övertonen som står beskrivna under avsnitt 5.2: Analys av övertoner ur kurvform i rapportens resultatdel är svårare att bestämma ursprung på än spänningssänkningen som diskuteras i avsnitt 6.5. En jämn överton som den andra kan närvara på grund av någon felande komponent, eller något som drar en ojämn ström under halva perioder. De andra kan härstamma dels från ortsnät i mätpunkt A och B och dels från växelriktningen efter UPS i mätpunkt C. UPS-enheten fungerar som ett filter, då den likriktar spänningen, dock växelriktar den spänningen på nytt igen när strömmen dras från andra sidan i anläggningen som mätningen är gjord. 37

6.7 Ur ett ekonomiskt, socialt och ekologiskt perspektiv En ny design av en anläggnings kraftförsörjning för att effektivisera, förnya och förbättra elkvalitén bör vara bäst att implementera direkt vid uppförandet av anläggningen. Detta då det troligtvis är billigare, enklare och säkrare än att utföra en förändring av en anläggning med viktiga system i drift. Alla anläggningar är dock inte nya och i vissa fall kan en anläggningsförändring vara motiverad. Det behöver inte innebära en total omstrukturering av kraftförsörjningen med nya alternativ till kraftmatning, likriktare och UPS-enheter, men direkta förluster (som exempelvis den onödiga växelriktningen mellan UPS och Rectiverter, se Figur 13) kan prioriteras att åtgärda. En förändring av en idrifttagen anläggning kan på kort sikt verka kostsam, men i och med att ombyggnationen innebär mindre elektriska förluster och en ökad tillförlitlighet med den hållbarare lösningen, kan det vara en investering som på längre sikt lönar sig. 6.7.1 Hållbart och modulärt Att bygga hållbart och modulärt, som Trafikverket eftersträvar med projektet, banar väg för att i framtiden slippa onödiga förändringar. Dessa förändringar kostar inte bara myndigheten pengar som kan gå till annat, utan skadar även miljön med den avvecklade utrustningen som behöver återvinnas. Det underlättar att bygga hållbart och modulärt om man mäter, granskar och undersöker kraftförsörjningen, som i sin direkta roll är fundamental för ett välfungerande teknikhus. 6.7.2 Egen kraftförsörjning En primär kraftförsörjning från främst kontaktledning och hjälpkraft kan eventuellt driva på en elektrifiering av sträckor av järnvägen där anläggningar i form av teknikhus finns utplacerade, som idag försörjs av ortsnät. Detta skulle även minska behovet av dieseldrivna tåg och minska miljöpåverkan. En egen kraftförsörjning skulle även öka tillförlitligheten och möjligheten att enklare hålla en god elkvalitet, då användandet av nätet styrs inom samma organisation. 38

7 Slutsatser Majoriteten av mängden mätdata följer rådande standarder. Det blir mer strömövertoner med Rectivertern som last än med UPS:en. Den största mängden av spänningsövertoner filtreras även bort av UPS-enheten. Mätmetoden som användes för att kontrollera att elkvalitén uppfyller de veckobaserade kraven som finns skrivna i standarderna är inte fullt ut normenlig, man hade säkrat resultatet ytterligare med mer mätdata som grund. 39

8 Förslag på vidare arbete En mätning skulle kunna utföras på en liknande station någon annan stans i landet, för att se om de händelser som loggats i Fagersta uppträder på samma vis under mätningar på andra stationer. Fler mätningar på andra stationer är något som nämts i diskussionen och som Trafikverket redan arbetar med. Genom att mäta på fler platser går det att urskilja vad som är platsberoende, det vill säga vad som är beroende av last och utrustning på en specifik anläggning. Mätningen skulle även kunna utföras trefasigt, för att på så vis kunna granska fler elkvalitetstekniska parametrar. Utöver en bedömning av den generella elkvalitén kan detta vara till hjälp för att tydligare förklara olika händelser som uppstått vid en mätning. För att få mer data att behandla och erhålla ett resultat som bättre speglar verkligheten, borde mätningar med längre mätserier utföras. Denna mätning pågick enbart under en veckas tid och gav som resultat relativt lite data intressant för analys. En längre mätserie skulle öppna för att föra relevant statistik, och på så sätt kunna göra riskbedömningar och prioriteringar mellan olika anläggningar aktuella för förändringar. I den här mätningen användes ett mätverktyg som enbart triggade på händelser. Detta ger en nackdel i att man, som åskådare av mätdatat, blir blind för det som händer utanför händelsen och den inställda tiden på för- och eftertriggning. För att få en bättre överblick över den generella elkvalitén kan ett mätinstrument som klarar att logga spänningar och strömmar kontinuerligt användas. Man skulle även kunna se till att få med en mätning när hjälpkraften är matande för resten av anläggningen istället för ortsnätet för att se hur detta påverkar elkvalitén. Exempelvis kan analyser göras för att undersöka om störningar från kontaktledningsnätet (16 2/3 Hz) påverkar hjälpkraften (50 Hz). En punktinsats för att testa Elteks Rectiverter och UPS-enheten i fråga i vid olika lastgrader och lasttyper (både induktiva och kapacitiva), kan vara intressant för att se dessa delkomponeners individuella inverkan på elkvalitén. Det kan även ur en riskbedömingsvinkling vara intressant att testa en felande Rectiverter för att se hur detta påverkar exempelvis närvaron av jämna övertoner. 40

9 Litteraturförteckning Alfredsson, A., Jacobsson, K. A., Rejminger, A., & Skinner, B. (1996). Elkrafthandboken - Elmaskiner (Vol. 2). Liber AB. Banverket. (2006). EL-DOKUMENT, Lärobok kontaktledning - Introduktion. Banverket. Bengtsson, L. (2012). Elektriska mätsystem och mätmetoder. Lund: Studentlitteratur AB. Bergkvist, J., & Gustafsson, F. (2014). Avbrottsfri Kraft - med användning av ultrakondensatorer. Kalmar, Växjö: Linnéuniversitetet. Berglund, S.-E., & Åkerlund, J. (Februari 2007). EMC, Elkvalitet och Elmiljö (Vol. 4). Stockholm: Energimyndigheten, Teknikföretagen, Elforsk. Blomqvist, H. (1997). Elkrafthandboken - Elkraftsystem 1. Stockholm: Liber AB. CENELEC. (2015). EN 61000-4-30:2015 - Electromagnetic compatibility (EMC). Testing and measurement techniques. Power quality measurement methods. European Committee for Standards - Electrical. Europaparlamentet. (den 26 02 2014). (EMC) Direktivet 2014/30/EU. Europaparlamentets och rådets direktiv 2014/30/EU - om harmonisering av medlemsstaternas lagstiftning om elektromagnetisk kompatibilitet. Strasbourg: Europeiska unionens officiella tidning. Ghennam, T., & Darwish, M. (2008). A Hybrid Parallel Active Filter / Off-Line UPS Unit for Computer Loads. Power Quality and Utilization, XIV(2). Gustavsson, R. (2007). Praktisk elkvalitet. NORBO KraftTeknik AB. Köhler, L. (2016). Elkrafthandboken - Elkraftsystem 2. Stockholm: Författarna och Liber AB. Legarreta, A. E., Figueroa, J. H., & Bortolin, J. A. (2011). IEC 61000-4-30 - Power quality monitor: Development and performance analysis. 11th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation. Lisbon, Portugal: IEEE. Olsson, Henrik. (den 29 juni 2017). Elsäkerhetsverket. Hämtat från https://www.elsakerhetsverket.se/privatpersoner/emc/ den 07 maj 2018 SS-EN 50160. (den 01 December 2000). Spänningens egenskaper i elnät för allmän distribution. Stockholm, Kista: Svenska Elektriska Kommissionen, SEK. SS-EN 61000-4-30. (den 13 Maj 2015). Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 4-30: Mät- och provningsmetoder - Mätning av spänningsgodhet och elkvalitet, 3. Stockholm, Kista: Svenska Elektriska Kommissionen, SEK. SS-EN 61000-4-7. (den 04 December 2002). Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 4-7: Mätoch provningsmetoder - Vägledning vid övertonsmätning på elnät och på nätansluten utrustning. Stockholm, Kista: Svenska Elektriska Kommissionen, SEK. 41

TDOK-2014:0668. (2015). TDOK 2014:0668, BVS 1517.1000 - Elkraftanläggningar. Kravspecifikation för teknikhus. Trafikverket. TDOK-2014:0676. (2015). TDOK 2014:0676, BVS 1543.14310 - Elkraftanläggningar, Likspänningssystem för elkraftanläggningar. Trafikverket. TDOK-2014:0717. (2015). TDOK 2014:0717, BVS 1543.14620 - Elkraftanläggningar, UPS-avbrottsfri kraftförsörjning. Trafikverket. TDOK-2015:0341. (2015). Kraftförsörjning. Trafikverket. 42

Appendix A - Inställningar för mätinstrument Mätinstrumentets inställningar (grundinställningar gäller för alla filer, tider och dyl. är specifikt för filen i sig. Detta rör den första sparade filen med mätdata.): Inställning Dranetz Power Xplorer Tabell 4, inställningar för mätinstrument del 1. Firmware Power Xplorer (c) 2009 Dranetz-BMI Oct 09 2015 @ 16:29:01 Ver.: V 4.3, Build: 3, DB ver.: 0 Serienummer PX5ACB001 Plats/Filnamn SEB_FAGERSTA Mätt från 2018-04-10 10:53:54 Mätt till 2018-04-10 19:13:32 Filavslutning OK Synkronisering Standard A Konfiguration ENFAS Typ av mätning STANDARD ELKVALITET Nominell spänning 230.0 V Nominell ström 11.2 A Nominel frekvens 50.0 Hz Använd inv. sekvens Nej Använd strömmar Ja Karakteriseringsläge INGEN Strömtänger Kanal A TR2510, TR2510A 0A-10A RMS (Skala=6.67) Kanal B TR2510, TR2510A 0A-10A RMS (Skala=6.67) Kanal C TR2510, TR2510A 0A-10A RMS (Skala=6.67) Kanal D TR2510, TR2510A 0A-10A RMS (Skala=6.67) Skalfaktorer - spänning Kanal A 1.000 Kanal B 1.000 Kanal C 1.000 Kanal D 1.000 Skalfaktorer - ström Kanal A 15.000 Kanal B 1.000 Kanal C 15.000 Kanal D 1.000 43

Tabell 5, inställningar för mätinstrument del 2. Inst. Triggningsrespons Sammanst. förtriggningscykler 6 cykler Sammanst. eftertriggningcykler - in till ut 6 cykler Sammanst. eftertriggningscykler - ut till in 6 cykler Förtriggningscykler - kurvformer 2 cykler Eftertriggningscykler - kurvformer 2 cykler Triggning - Sparade kurvformer Kanal Va Vb Vc Vd Ia Ib Ic Id AB BC CA Volt A Va Vb Vc - Ia Ib - - - - - Volt B Va Vb Vc - Ia Ib - - - - - Volt C Va Vb Vc - Ia Ib - - - - - Volt D - - - - - - - - - - - Amp A - - - - - - - - - - - Amp B - - - - - - - - - - - Amp C - - - - - - - - - - - Amp D - - - - - - - - - - - Volt A-B - - - - - - - - - - - Volt B-C - - - - - - - - - - - Volt C-A - - - - - - - - - - - Spara kurvformer var: 10 sekunder Efter inspelning: ÅTERSTÄLL Tabell 6, inställningar för mätinstrument del 3, gränsvärden. Gränser Spänningar A B C D A-B B-C C-A RMS Hög: 253.0 253.0 253.0 0.0 0.0 0.0 0.0 RMS Låg: 207.0 207.0 207.0 0.0 0.0 0.0 0.0 RMS Mycket 23.0 23.0 23.0 0.0 0.0 0.0 0.0 låg: Krest: 488.8 488.8 488.8 0.0 0.0 0.0 0.0 Kurvf.: 46.0 46.0 46.0 0.0 0.0 0.0 0.0 DC: 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 DEG: 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 KURVFÖNSTER 46.0 46.0 46.0 0.0 0.0 0.0 0.0 mag.: KURVFÖNSTER 15.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 var.: HF: 383.3 383.3 383.3 0.0 0.0 0.0 0.0 44

Tabell 7, inställningar för mätinstrument del 4. Strömmar A B C D RMS Hög: 0.0 0.0 0.0 0.0 RMS Låg: 0.0 0.0 0.0 0.0 RMS Mycket låg: 0.0 0.0 0.0 0.0 Krest: 0.0 0.0 0.0 0.0 Kurvf.: 0.0 0.0 0.0 0.0 DC: 0.0 0.0 0.0 0.0 DEG: 0.0 0.0 0.0 0.0 KURVFÖNSTER 0.0 0.0 0.0 0.0 mag.: KURVFÖNSTER var.: 0.0 0.0 0.0 0.0 HF: 0.0 0.0 0.0 0.0 Periodisk journalintervall Spänning 10 sekunder Ström 10 sekunder Effekt 10 sekunder Övertoner 30 sekunder Förbrukning 5.0 minuter, Subintervall/Intervall: 3 Energi 10.0 minuter Ögonblickligt flimmer 10.0 minuter Kortvarigt flimmer 10.0 minuter Långvarigt flimmer 120.0 minuter EN50160 kompatibilitet 10.0 minuter 45

Tabell 8, inställningar för mätinstrument del 5. Journalgränser Spänning Mkt. hög Hög Låg Mkt. låg Känsl. Hyst. Nom. RMS_PhAN 276.0 253.0 207.0 184.0 - - - RMS_PhBN 276.0 253.0 207.0 184.0 - - - RMS_PhCN 276.0 253.0 207.0 184.0 - - - CycRMS_PhAN 276.0 253.0 207.0 184.0 - - - FreqHz - 50.5 49.5 - - - - Ström Mkt. hög Hög Låg Mkt. låg Känsl. Hyst. Nom. RMS_PhA 17.88 14.52 - - - - - CycRMS_PhA 17.88 14.52 - - - - - Övertoner Mkt. hög Hög Låg Mkt. låg Känsl. Hyst. Nom. VoltageFundNormTHD 8.0 5.0 - - - - - _PhA Kortvarigt flimmer Mkt. hög Hög Låg Mkt. låg Känsl. Hyst. Nom. Pst_PhA - 1.0 - - - - - - 46

Appendix B - Trafikverkets ledningsnät Trafikverkets bilder av kontaktledningsnät och hjälpkraftnät kring mätområdet: Hjälpkraftnät: Figur 23, ledningsbeskrivningar för ledningarna i Figur 24. Figur 24, karta över hjälpkraftnätet kring mätstationen i Fagersta. 47

Kontaktledningsnät: Figur 25, ledningsbeskrivningar för ledningarna i Figur 26. Figur 26, karta över kontaktledningsnätet kring mätpunkten i Fagersta. 48