AC Elektriklenmiş Demiryollarının Korunması

Dünyadaki birçok bölgesel, şehir içi ve şehirler arası raylı sistemler, yüksek hızlı trenlere itici güç sağlamak için elektriklendirilmektedir. 50 KV’lara kadar çıkan iletim hatlarının can ve mal kaybı yaşanmaması için korunması büyük önem taşımaktadır.

A- A+

14.05.2017 tarihli yazı 11154 kez okunmuştur.

Demiryolu Elektrik Arıza Tren İletim Hattı Korunma

Konsept

Basit düzeyde CNC makinaları gibi çalışan pantograf ile havai hatlar üzerinde güç toplamak veya sistemde hareketin gerçekleştiği iletken raylar üzerinde yakın bir bölgede metalik bir iletken yüzeyinin temas ettirilmesiyle akım geçişini sağlayarak raylara enerji vermek şeklinde genellikle iki yapıdan birisi kullanılmaktadır.

Son düzenlemelerde en çok DC traksiyon kullanılırken, daha önceki düzenlemeler de AC ve DC traksiyon kullanılmıştır. Bazı demiryolu hatları, farklı demiryolu operatörleri tarafından rota paylaşımını kolaylaştırmak için çift havai hatlı iletken-ray elektrifikasyonuna sahiptir.

Şekil 1: AC elektriklendirilmiş modern yüksek hızlı tren

Havai elektrik hattı olan katenerler, işletme rayları üzerinde, demir yolu personelinin ve insanların ulaşamayacağı şekilde olduğundan daha güvenli olduğu düşünülmektedir. Yüksek gerilimde bir itiş beslemesinin tasarlanabilmesinin tek yolu bu şekildedir. Çalışma koşullarına göre raylar, tek fazlı AC 11 kV - 50 kV aralığında bir gerilimle beslenirken, bazı ülkelerde 1.5 kV ve 3 kV DC olarak da beslenebilmektedir. Bir iletken raylı sistem kullanıldığında, besleme gerilimi genellikle 600 V ila 1700V DC arasında olur.

“Birçok demiryolu güzergâhının nitelikleriyle ve sınırlı elektrik açıkları nedeniyle (Özellikle hattın elektriklenmesi için), katener arızaları yaygındır.”

Tipik şekilde, neredeyse yıllık olarak her kilometre başına bir arıza ortaya çıkar ve kontak telindeki yüksek mekanik gerilime bağlı olarak hızlı bir şekilde arızanın giderilmesi gerekir. Bir arıza hızla giderilmezse, kateneri oluşturan iletkenler aşırı derecede ısınarak bozulabilir ve bu nedenle hareket eden trenlerin neden olduğu daha ciddi hasar riski meydana gelebilir.

Koruma

Elektriksel güç iletim sistemlerindeki önlemler, devre içindeki en ciddi arızalara karşı güvenilirliği garanti etmesi gerekir. İstenmeyen bir elektriksel tetiklemenin sonuçları ciddi olduğundan, uzaktan yedekleme koruma uygulamasıyla tehlikeli sonucu olabilecek işlemlerden kaçınılmalıdır.

Elektrikli demiryollarında, herhangi bir elektrik arızasının (yüksek direnç, uzaktan kesici/koruma arızası vb.) havai iletim hatlarındaki kablo hasarıyla veya arızalı bir itiş ünitesiyle birleşme ihtimali yüksektir.

“Nadiren de olsa istenmeyen yolculukların sonuçları, düşen bir tel veya itiş ünitesi arızası sonuçlarından daha kabul edilebilir.”

Klasik Tek Fazlı Besleme

Klasik tek fazlı A.C. demiryolu elektrifikasyonu 1920'lerden beri kullanılmaktadır. Daha önce kullanılan sistemler düşük frekanslı kaynaklardı ve birçok ülkede 162/3 Hz ve 25 Hz kaynaklarda elektrifikasyon sistemleri kullanılmaktadır.

Şekil 2: Klasik 25 kV yükseltici transformatörler ile besleme

Yayılma etkisi Batı Avrupa'dan başlayarak ve dünya çapında 50/60 Hz'lik frekansında standart güç sistemi, tek fazlı A.C. elektrifikasyonu standart haline gelmiştir. Yukarıdaki Şekil 2, yükseltici transformatörler (BT) ile klasik 25kV beslemeyi göstermektedir. Yükseltici transformatörler, ters itiş akımını, direklerinin arkasına, karosere monte edilmiş bir dönüş iletkeninde akmaya zorlamak için kullanılır (Şekil 3). Bu düzenleme raylardan ve topraklardan geri dönen itiş akımını enine kesitsel döngüde sınırlar, böylece komşu telekomünikasyon devreleriyle elektromanyetik girişim azaltılır.

Genellikle itiş beslemesi, yardımcı şebeke boyunca faz-faz arasına bağlanan kademeli transformatör ile sağlanır. Trenin elektrik beslemesi, havai kataneri üzerinden gerçekleşir; geri dönüş akımı, işletme rayları üzerinden akar ve dönüş iletkeni vasıtasıyla iletilir.

Şekil 3: Havai Hat

İşletme rayları, düzenli aralıklarla toprağa bağlandığı için nominal olarak toprak potansiyelindedir. Bir arıza olması durumunda, katenerin bağlantısını kesmek için tek kutuplu bir devre kesici gereklidir.

Klasik Sistem / Besleme Diyagramı

Uygulamalarda, tek hatlı demiryolu hatları nadirdir ve iki ya da dört paralel hat daha yaygındır. Havai iletim hat donanımında paralel çalışan, iki veya dört adet elektriksel olarak bağımsız katenerler bulunur. Şekil 4, klasik bir elektrifikasyon sistemi kullanarak tipik bir iki raylı demiryolu için besleme diyagramını göstermektedir.

Şekil 4: Klasik 25kV besleme diyagramı

'Kuzeye doğru' yönündeki besleme, T1 şebeke transformatörü üzerinden gerçekleşir. Daha sonra güç, kuzey ve güney yönündeki rayların üstündeki A ve B iletim hatları vasıtasıyla dağıtılır. Şekil 4'te gösterildiği gibi, iki katener alt bölüm istasyonlarında paralel hale getirilebilir.

Paralel yollarda yük akımı akabilir, bu da empedansı yüke indirger ve dolayısıyla hat gerilimi düşer. Trafo terminolojisinden de anlaşılacağı gibi, katenerlere giden beslemelerin her biri için devre kesicilerin sağlanması da alt bölümlemeye izin verir.

Şekil 4'te ki 'A' kateneri üzerindeki bir arıza için, besleme istasyonunda ve SS1'deki kesiciler, arızalı kateneri izole etmek için devreye sokulur. B, C, D, E ve F katenerlerinin sağlam bölümlerine arz sağlanır.

T1'den gelen besleme genellikle orta nokta alt istasyonunda (MPSS) normalde açık bus bölümü devre kesiciye (BS2) kadar beslenir. MPSS'nin diğer tarafında, Şekil 4'te gösterilen T1'den BS2'ye elektrik düzenlemelerinin bir ayna görüntüsü vardır. Uzak uç besleyici istasyonu, genellikle T1'den 40-60 km uzaktadır.

Tek fazlı katener vasıtasıyla yardımcı güç aktarımını önlemek veya yardımcı şebekelerin farklı faz çiftlerinden türetilebilen paralellasyon kaynaklarını önlemek için normal besleme sırasında BS2 açık kalmalıdır.

Aynı durum BS1 için de geçerlidir ve normalde açık kalmalıdır. Çünkü T1 ve T2 beslemeleri genellikle üç fazlı şebeke hattı üzerindeki yükleri dengelemek amacıyla farklı faz çiftlerinden beslenir. Nötral bölüm (NS), iletim bölümlerini elektriksel olarak izole ederken, hareket ettirici güç ünitelerinin pantografları için kullanılan katenarlerin iletken olmayan bir bölümüdür.