İndir ( ) - Karabük Üniversitesi

2. Uluslar arası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE’13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye
DA BESLEMELİ RAYLI SİSTEMLERDE ARAÇ AKIMININ RAY
TOPRAK GERİLİMİNE ETKİSİNİN ANALİZİ
M. Taciddin AKÇAY
a, *
b
a, *
İlhan KOCAARSLAN
b
İ.B.B. Avrupa Yakası Raylı Sistem Müdürlüğü, İstanbul, Türkiye, e-mail: [email protected]
İstanbul Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye, e-mail: [email protected]
Özet
Doğru Akım (DA) beslemeli raylı sistemlerde, iletim hattında ray potansiyeli toprak potansiyelinden
farklı potansiyelde olduğundan geri dönüş iletkeni ile toprak arasında bir gerilim oluşur. Bu gerilim ise
ray ile toprak arasında kaçak akımların oluşmasına neden olur. Bu kaçak akımlar demiryolu hattında
korozyon oluşmasına yol açar. Bu yüzden ray toprak arasındaki gerilimin belirli değerlerde tutulması
için EN 50122 standardına uygun imalat yapılarak araç hareketlerine bağlı değişimler incelenmektedir .
Bu çalışmada raylı sistemlerde araç hareketlerine bağlı olarak geri dönüş iletkeni ile toprak arasında
oluşan potansiyelin analizi hedeflenmiştir. 1500 V DA beslemeli bir metro hattı için simulasyonu
gerçekleştirilmiş ve sonuçları incelenmiştir.
Anahtar kelimeler: Raylı Sistemler, Demiryolları, Ray Toprak Gerilimi, Korozyon, Kaçak Akım.
Abstract
Rail potential has different potential than earth potential at the DC traction line, in DC rail systems.
Therefore, a voltage between running rail and earth occurs. This voltage causes to stray currents
among the rail and earth. Stray currents exposes corrosion at the railroad. For all these reasons,
railway engineers consider EN 50122 standart about the rail and earth interaction depend on train
movements at the design stage
At this study, the analysis of the voltage between rail and earth with the diffent vehicle movements
intended. A simulation with matlab R2008a performed for a 1500 V DC rail system and results
discussed.
Keywords: Rail System, Railway, Running Rail Earth Voltage, Corrosion, Stray Current.
AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ.
1. Giriş
DA beslemeli Şehiriçi Raylı Sistemlerde elektrik sistemi AA sistem üzerinden beslenmekte olup,
elektrik besleme noktaları OG şebekesinden alınıp tüm istasyonlara raylı sistemlerin kendine ait enerji
altyapısı aracılığıyla taşınmaktadır. İstasyonlarda yedeklilik koşullarını sağlamak suretiyle iki adet
servis Trafosu ve iki adet Cer Trafosu bulunmaktadır. OG sistemi üzerinden alınan enerji Cer Trafoları
yardımıyla istenilen Alternatif akımına dönüştürülerek redresör sistemi ile Doğru Akım elde
edilmektedir. Elde edilen DA sisteminde geri dönüş iletkeni olarak ray kullanılmakta olup, araç
hareketlerine bağlı olarak redresörün pozitif ucu olan katanerden araca iletilen elektrik akımı raydan
tekrar redresörün negatif dönüş barasına gelmektedir. DA beslemeli sistemlerde geri dönüş iletkeninin
topraktan izole olması amaçlansa da yine de arada bir direnç oluşmakta ve sistemde istenmeyen
kaçak akımlar oluşmaktadır. [1-4]. Kaçak akımlar ve istenmeyen ray toprak arası gerilim yükselmeleri
ise hattın işletme ve bakım karakteristiğini direk etkilemekle birlikte sinyalizasyon sisteminde çeşitli
aksaklıklar meydana getirebilmektedir. Sistemde oluşan kaçak akımın korozyona yönelik etkisi yıllar
içinde oluşacak bir etki oluşturduğundan kaçak akımın durumu ve değişimi işletme koşullarında belirli
periyotlarda izlenmekte olup değişimler kayıt altına alınmaktadır.
VLD ( Voltage Limiting Device) adı verilen alarm panosu ile ray toprak arasındaki potansiyel
hedeflenen değerlerin dışına çıktığında DA redresör sistemine direk ya da scada sistemi üzerinden
alarm ya da trip gönderebilmektedir. Scada sistemi sayesinde bu şekilde istasyon sayısı fazla olan
uzun hatlarda ekipman sayısına bağlı olarak herhangi bir noktada meydana gelen arıza hakkında
anında bilgi alınmakta ve gerekli müdahale yapılmaktadır.
Şekil 1 : Kaçak Akım Oluşumu [1]
2. DA Hatta Ait İki İstasyonlu Devre Şeması
Çalışma için standart bir metro hattında olduğu gibi iki istasyon arası mesafe yaklaşık 2 km alınmış ve
karşılıklı iki istasyonda da fider besleme noktaları bulunmaktadır. Yine hesaplarda kullanılmak üzere
alınan istasyonda iki adet tünel; dolayısıyla hat 1 ve hat 2 olmak üzere iki ayrı iletim hattı ( katener
hattı ve ray hattı ) mevcuttur. Ray – Toprak gerilimi istasyonlarda bulunun VLD pano grubunda
istasyon bölgeleri için ( peron bölgesi ) ölçülmekte olup araç hareketlerinin yoğun ve daha fazla akım
AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ.
çekilen tünel bölgelerinde ise bu ölçümler yapılmamaktadır. Dolayısıyla bu bölgelerde ray – toprak
geriliminin uygun değerlerde olup olmadığı ve acil bir eylem planın uygulandığı zaman gerçekleşecek
tünel boşaltma durumunda bu gerilimin ortaya çıkarabileceği şartlar net bir şekilde bilinmemektedir.
Metro araçlarının oluşturduğu etki aracın fazla akım çektiği ve hattın en fazla zorlandığı işletme
koşullarında maksimum olmaktadır. Aşağıda iki istasyonlu devre modeli verilmekte olup hat 1 ve hat 2’
de iki adet aracın nominal koşullarda işletme yaptığı durum için verilmektedir.
R1
+
TREN 1
_
R5
+
R2
Vd 1
1
RT 1
R6
Ra
_
Istasyon 1
R3
R4
TREN 2
Istasyon 2
Vd 2
R7
RT 2
R8
2
Rb
Rc
Rd
Şekil 1 : İki istasyonlu Devre Modeli [5]
Yukarıda belirtilen durumda 1 ve 2 noktaları sırasıyla hat 1 için 1 nolu aracın ve hat 2 için ise 2 nolu
aracın bulunduğu konumları simgelemektedir. Ra, Rb,Rc ray toprak arası dirençler olur ray toprak
arası sızıntı akımlarında etkili olmaktadırlar. R1-R3 hat 2 , R2-R4 hat 1 pozitif kutbiyet iletim hattı; R5R7 hat 1, R6-R8 hat 2 geri dönüş iletkeni ait değerleri göstermektedir. Vd1 ve Vd2 istasyonlara ait
doğru akım besleme gerilimini temsil etmektedir. RT1 ve RT2 de yine istasyon peron mahalleri için ray
toprak gerilimidir.
-
(1)
Denklem 1’de yeralan It1 ve It2 akımları araçların işletme anında çektikleri akımı belirtmektedir.
-1
(2)
AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ.
3. Araç Güç-Hız Modeli
Bir metro hattına ait yaklaşık 2.5 MVA güce sahip bir 4’lü dizi AW3 tip metro aracının güç-hız eğrisi
aşağıda verilmektedir. Grafikte görüldüğü gibi aracın çektiği maksimum akım 1500-2000 A
civarındadır.
Aracın Güç-Hız Grafiği
3000
2500
Güç ( kW )
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
Hız (Km / Saat )
60
70
80
Şekil 2 : Metro Aracına Ait Hıza Bağlı Güç Eğrisi
Grafikte görüldüğü üzere araç ilk kalkış anında 0-500 kW civarı çekmekte olup, işletmede yaklaşık
ortalama hız olarak kabul edilen 40 km/sa hızda ise 2500 kW civarı güç çekmekte olup sonraki
hızlarda ise bu güç hemen hemen aynı değerleri almaktadır.
4. Ray-Toprak Geriliminin Araç Hızına ve Konumuna Bağlı Değişiminin
Simülasyonu
(1) ve (2) denklemlerinde görüldüğü gibi aracın hattın herhangi bir noktasında ray – toprak gerilimi
üzerindeki etkisi iletim hattı parametreleri ve toprak yapısı ile direk bağlantılıdır. Aşağıda istasyon 1’i
başlangıç kabul edersek +200., +1000., + 1800. metrelerde araç olduğunu ve aracın hızlarının
yaklaşık 40-50 km/sa ve 10-20 km/sa olduğunu durumlar için sistem analiz edilmektedir. Ray-toprak
geriliminin değişimini matlab – simulink üzerinden benzetimini yapılır ve bir t anında değerler kayıt
edilirse aşağıdaki grafikleri elde edilmektedir.
C ontinuous
TREN 3
Istasyon 2
Vd 2
_
_
TREN 2
+
TREN 1
_
Vd 1
+
Istasyon 1
+
powergui
Şekil 3 : Devre Modeline Ait Simulink Diyagramı
AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ.
Ray-Toprak Geriliminin Değişimi
15
Ray-Toprak Gerilimi ( V )
10
5
0
-5
-10
-15
-20
0
200
400
600
800 1000 1200
Konum ( m )
1400
1600
1800
2000
Şekil 4 : 10 km/sa Durumunda Ray-Toprak Geriliminin Değişimi
Şekil 4’ de araçların düşük hızda seyir ettiği durumda ray-toprak gerilimini en düşük değerini -18 V
olarak 1. ve 2. İstasyon besleme noktalarında almakta olup maksimum değerini ise 1000. Metrede 15
V ile almaktadır.
Hat Geriliminin Değişimi
1475
1470
1465
Hat Voltajı ( V )
1460
1455
1450
1445
1440
1435
1430
200
400
600
800
1000
1200
Konum ( m )
1400
1600
1800
Şekil 5 : 10 km/sa Durumunda Hat Geriliminin Değişimi
Şekil 5’de araçların oluşturduğu maksimum gerilim düşümü 1000. Metrede gerçekleşmiş olup hat
gerilimi minimum değerini 1000. Metredede 1435 V olarak almaktadır.
Ray-Toprak Geriliminin Değişimi
40
30
Ray-Toprak Gerilimi ( V )
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
200
400
600
800
1000 1200
Konum (m)
1400
1600
1800
2000
Şekil 6 : 40 km/sa Durumunda Ray-Toprak Gerilim Grafiği
AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ.
Şekil 6’ de araçların hızlandığı durumda ray-toprak gerilimi en düşük değerini -41 V olarak 1. ve 2.
İstasyon besleme noktalarında almakta olup maksimum değerini ise Metrede 32 V ile almaktadır.
Hat Geriliminin Değişimi
1440
1430
1420
Hat Voltajı ( V )
1410
1400
1390
1380
1370
1360
1350
1340
200
400
600
800
1000
1200
Konum ( m )
1400
1600
1800
Şekil 7 : 40 km/sa Durumunda Hat Voltajının konuma bağlı Grafiği
Şekil 7’de minimum hat gerilimi 1350 V değerini alarak hızlanmaya bağlı araç etkisi şekil 5’e göre
daha kritik hal almaktadır.
5. Sonuç
Bu çalışmada ray-toprak geriliminin araç hareketlerine bağlı değişiminin analizi yapılmıştır. Hat
parametrelerinin, toprak yapısının, iletim hattının ve aracın çektiği akımın değişimine göre geri dönüş
iletkeninde oluşan gerilimin istenilen değerlerde kalıp kalmayacağının işletme koşullarında benzetimi
yapılarak incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Mevcut işletmelerde bu gerilim peron bölgelerinde
ölçülmekte olup özellikle istasyonlar arası mesafenin yüksek olduğu ve araç sayısının birden fazla
olduğu durumlarda tünel yapısı içinde ise bu ölçüm yapılmamaktadır. Dolayısıyla tüm hat için en
yoğun işletme koşulları göz önünde bulundurularak tasarım aşamasında hat parametreleri ve araç
seçimi bu kriterler de dikkate alınarak yapılmalıdır ki böylelikle ray-toprak gerilimi standardın izin
verdiği gerilim sınırları içinde tutulabilmektedir.
Kaynaklar
[1] Case, S., ‘DC traction stray current control – So what’s the problem’, IEE Colloquium, Oct. 1999.
[2] Lee, C.H., Wang, H. M.: ‘Effects of Grounding Schemes on Rail Potential and Stray Currents in
Taipei Rail Transit Systems’, IEE Proc. Elec. Power App. Vol.148, No. 2, March 2001, pp. 148154.
[3] Söylemez, M. T., Açıkbaş S., Comparison of stray currents and rail voltage profiles between
750VDC and 1500VDC power supply systems using simulation, IEE Int. Conf. on Railway
Engineering (ICRE 2005), Hong Kong, bildiri no: B5-2, 2005.
AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ.
[4] Çolak, K., Hocaoğlu, H. : 'Calculation of Rail Potentials in a DC Electrified Railway System',
Proceedings of UPEC 2003, Greece, 1-3 September 2003 pp 5-8.
[5] Chymera, M., Renfrew,A.,C., and Barner, M. Petcharaks, " Analysis of Power Quality in a DC Tram
System", University of Manchester, UK.
[6] Y. OURA, Y. MOCHINAGA, H. NAGASAWA: 'Japan Railway Technology Today', East Japan
Railway Culture Foundadion, 2001, pp 48-58.