SPLOŠNA ENERGETIKA ELEKTRIČNA VLEKA. mag. CENE Bojan, univ. dipl. inž. el.

Transcript

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17 SPLOŠNA ENERGETIKA ELEKTRIČNA VLEKA mag., univ. dipl. inž. el.

2 KAZALO stran 1 SLOVENSKO ŽELEZNIŠKO OMREŽJE Vrste železniških prog Celotno železniško omrežje na SŽ Elektroenergetsko omrežje na progah SŽ VLEČNA VOZILA NA SLOVENSKIH ŽELEZNICAH Električna vlečna vozila na SŽ Dizelska vlečna vozila na SŽ Številčno označevanje vlečnih vozil na SŽ Pogon električne lokomotive na SŽ Pogon sodobne Siemensove potniške garniture in Pendolina na SŽ Pogon dizel električne lokomotive na SŽ ELEKTRIČNE NAPAJALNE POSTAJE (ENP) Energijska oskrba elektrificiranih prog na SŽ Opis ENP enosmernega sistema 3000 V Dovod električne energije do ENP Dovod električne energije do električnega vlečnega vozila VOZNO OMREŽJE Elementi voznega omrežja Napajanje voznega omrežja enotirne proge Napajanje voznega omrežja dvotirne proge OBREMENITVENI TOKI IN PRENAPETOSTI V OMREŽJU 3000 V Obratovalni toki in prenapetosti v enosmernem voznem omrežju 3 kv Prenapetosti v enosmernem voznem omrežju 3000 V Obremenitveni toki v voznem omrežju 3000 V Starejša električna vlečna vozila na SŽ in obremenitveni toki in prenapetosti Sodobna električna vlečna vozila na SŽ in obremenitveni toki in 23 prenapetosti 5.6 Izračuni v voznem omrežju 3000 V Gostota toka v voznem omrežju 3000 V 29 6 PORABA ELEKTRIČNE ENERGIJE PRI VLEKI VLAKOV Francoska električna lokomotiva enosmernega sistema 3000 V na SŽ Izračun porabe električne energije pri vleki vlaka Profil proge Koper Divača.. 33

3 6.4 Poraba električne energije pri vleki vlaka med Koprom in Divačo Obremenitveni toki pri vleki vlaka med Koprom in Divačo BLODEČI TOKI PRI ENOSMERNI ŽELEZNICI 3000 V Vpliv blodečih tokov pri prehodu skozi elektrolitske razstopine Splošno o blodečih tokih Izračun blodečih tokov pri enosmerni železnici 3000 V Raziskave elektroinštituta Milana Vidmarja Numerični izračun blodečih tokov na enosmerni železnici Simulacija blodečih tokov na enosmerni železnici v programu Simulink Ukrepi za zaščito objektov pred blodečimi toki Gradnja železniške proge in blodeči toki Dizel vleka na SŽ in blodeči toki ENOFAZNI SISTEM ELEKTRIČNE VLEKE NA SŽ Električna napajalna postaja enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz Nesimetrija enofaznega priključka ENP enofaznega sistema na elektrificiranih progah SŽ Vozno omrežje enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz Faktor moči enofaznih lokomotiv Izračun padcev napetosti v voznem omrežju 25 kv, 50 Hz Pogoji vožnje na elektrificiranih progah sistema 25 kv, 50 Hz ENOFAZNI SISTEM ELEKTRIČNE VLEKE 15 kv, 16 2/3 Hz 64

4 1 SLOVENSKO ŽELEZNIŠKO OMREŽJE 1.1 Vrste železniških prog Glede na obseg prometa, gospodarski pomen in povezovalno vlogo železniškega prometa v prostoru proge delimo na glavne in regionalne. Delimo jih tudi po številu tirov: enotirne proge (vlaki po istem tiru vozijo v obeh smereh), dvotirne proge (vsak tir je namenjen prometu vlakov v določeni smeri). Slika 1.1: Slovensko železniško omrežje Tabela 1.1: Vrsta prog po številu tirov Vrsta proge enotirna dvotirna kilometri 897,7 330,9 v odstotkih 73,1 26,9 1

5 1.2 Celotno železniško omrežje na SŽ Slika 1.2: Celotno železniško omrežje na SŽ Tabela 1.2: Statistični podatki o železniških progah na SŽ Statistični podatki km Dejanska dolžina prog Skupna dolžina prog: 1228,6 dvotirnih 330,9 enotirnih: 897,7 za tovorni promet 101,5 za potniški promet 2,2 za mešani promet 1124,9 Elektrovleka: Dolžina elektrificiranih prog 503,5 Dolžina tirov 1.559,6 Vsi mostovi, viadukti in prepusti (število) 3.181,0 Vsi mostovi, viadukti in prepusti (km) 13,1 Predori in galerije (število) 94 2

6 1.3 Elektroenergetsko omrežje na progah SŽ Na Slovenskih železnicah so proge praktično v celoti elektrificirane z enosmernim sistemom z nazivno napetostjo 3 kv, le na obmejnih odsekih je izvedena elektrifikacija s sistemom, ki ga imajo sosednje republike Avstrija (15 kv, 16,67 Hz) oziroma Hrvaška (25 Hz, 50 Hz). Slika 1.3: Elektroenergetsko omrežje na progah SŽ 3

7 2 VLEČNA VOZILA NA SLOVENSKIH ŽELEZNICAH 2.1 Električna vlečna vozila na SŽ Slika 2.1: Italijanska električna lokomotiva serije 342 (leto: 1968, moč: 2000 kw) Slika 2.2: Italijanska električna lokomotiva serije 362 (leto: 1960, moč: 2610 kw) Slika 2.3: Francoska električna lokomotiva serije 363 (leto: 1975, moč: 2750 kw) 4

8 Slika 2.4: Poljska električna potniška garnitura serije 311 (leto: 1964,66, moč: 1500 kw) Slika 2.5: Siemensova potniška garnitura serije 312 (leto: 2000, moč: 1650 kw in 2000 kw) Slika 2.6: Italijan. pot. gar. z nagibno tehn. Pendolino serije 310 (leto: 2000, moč: 2000 kw) Slika 2.7: Štirisistemska Siemensova lokomotiva serije 189 (leto: 2005, moč: 6 MW) 5

9 Slika 2.8: Trisistemska Siemensova lokomotiva serije 541 (leto: 2006, moč: 6 MW) 2.2 Dizelska vlečna vozila na SŽ Slika 2.9: Francoska lokomotiva serije 643, 642 (leto: 1967, moč: 680/925 kw) Slika 2.10: Španska lokomotiva serije 644 (leto: 1974, moč: 1230 kw) 6

10 Slika 2.11: Ameriška lokomotiva serije 661 (leto: 1960, moč: 1342 kw) Slika 2.12: Ameriška lokomotiva serije 664 (leto: 1985, moč: 1491 kw) Slika 2.13: Italijanska dizel mehanična pot. garnitura serije 813 (leto: 1973, moč: 400 kw) 7

11 Slika 2.14: Nemška dizel hidravlična potniška garnitura serije 713 (leto: 1984, moč: 485 kw) Slika 2.15: Nemška dizel hidravlična potniška garnitura serije 711 (leto: 1970, moč: 360 kw) 2.3 Številčno označevanje vlečnih vozil na SŽ POMEN 12 MESTNE ŠTEVILKE VLEČNEGA VOZILA: primer: vrsta vozila (vlečno vozilo); 4 lastništvo (LJ); 79 uprava (SŽ); 6 EMG; vrsta in številka; 1 kontrolna številka. Vsako vlečno vozilo na SŽ ima oznako iz 6 številk, kjer pomenijo naslednje: - prve tri številke pomenijo vrsto vlečnega vozila: 8

12 prva št. pomeni: 3 el. vl. vozilo enosmernega sistema 3000 V, 6 dizel električna lokomotiva, 7 dizel hidravlično vlečno vozilo, 8 dizel mehanično vlečno vozilo, 5 večsistemska električna lokomotiva; druga št. pomeni število pogonskih osi pri lokomotivi, pri motornih potniških vlakih pa normalno širino tira 1435 mm; tretja št. pomeni izvedbo lokomotive določenega tipa na SŽ; primer: 342 (električna lokomotiva sistema 3000 V, štiri pogonske osi in druga izvedba el. Lokomotive na SŽ). - druge tri številke pomenijo zaporedno št, vlečnega vozila; npr: (27 sta lokomotiva serije 342 na SŽ). 2.4 Pogon električne lokomotive na SŽ Slika 2.16: Razvod el. energije na enosmerni lokomotivi 3000 V 2.5 Pogon sodobne Siemensove potniške garniture in Pendolina na SŽ R B VK L1 L 2 PWR C 1 C ZK + BST ASM R D 3 Slika 2.17: Pogon Siemensove EMG 312 in Pendolina 9

13 2.6 Pogon dizel električne lokomotive na SŽ DIZEL MOTOR SKLOPKA GLAVNI GENERATOR VLEČNI EL. MOTORJI POMOŽNI GENERATOR POMOŽNE NAPRAVE Slika 2.18: Pogon dizel električne lokomotive na SŽ 10

14 3 ELEKTRIČNE NAPAJALNE POSTAJE (ENP) 3.1 Energijska oskrba elektrificiranih prog na SŽ Elektrificirane proge na SŽ se oskrbujejo z električno energijo iz elektrarn preko razdelilnih transformatorskih postaj (RTP). RTP dovajajo električno energijo do električnih napajalnih postaj (ENP), od koder se vozno omrežje napaja z enosmerno napetostjo 3000 V. Na SŽ imamo 18 ENP, kar geografsko prikazuje naslednja slika: HODOŠ ŠPILJE RTP Sladki vrh MUNCHEN ENP Šentilj RTP Zlato polje RTP Labore RTP Rače ENP Rače ENP Žirovnica RTP Moste RTP Žirovnica RTP Naklo RTP Podplat ENP Poljčane ENP Kranj RTP Slovenska RTP Selce bistrica RTP Zidani m. ENP Celje RTP Kleče ENP Vižmarje ENP Zidani m. LJUBLJANA RTP Krško RTP Divača RTP Medvode ENP Vič RTP Kleče RTP Mirje RTP Koper ENP Divača RTP Divača SEŽANA ENP Zalog ENP Sava RTP Polje RTP Tomačevo ENP Logatec RTP Litija RTP Zagorje ENP Pivka RTP Logatec ENP Krško ZAGREB RTP Dekani ENP Rižana KOPER ENP Črnotiče RTP Pivka ENP Martulji RTP Pivka RTP Divača RIJEKA RTP Dekani RTP Martulji Slika 3.1: Energetska oskrba elektrificiranih železniških prog na SŽ ENP na SŽ so med seboj oddaljene povprečno 30 km in obratujejo med seboj paralelno, kar pomeni dvostransko napajanje voznega omrežja. Enostransko napajanje voznega omrežja poteka samo proti sosednjim železniškim upravam (Avstrija in Hrvaška) zaradi prehoda v enofazni sistem obratovanja električne vleke in v primeru izklopa določene ENP (vzdrževalna dela, motnje, ). Na sliki 3.1 je v vijolični barvi prikazana proga iz Pragerskega proti Hodošu, na kateri je predvidena elektrifikacija z enosmernim sistemom 3000 V. Dolžina proge v skupni izmeri 108 km zahteva izgradnjo vsaj štirih novih ENP. Glede na zahtevnost proge in vleke vlakov so ENP različnih moči, kar je razvidno iz tabele

15 Tabela 3.1: Tipi in osnovne karakteristike ENP na progah SŽ Z. Š. ENP,tip usmernika, št. agregatov NAZIV. MOČ AGREGATA NAZ. MOČ ENP NAZ. NAP.ENP kw kva kw kva kv 1. Krško Si / ,6 2. Zid. most Si ,6 3. Sava Si ,6 4. Čret Si3M 3400/667 PŽV ,6 5. Poljč. Si3M 3400/667 PŽV ,6 6. Rače Si3M 3400/667 PŽV ,6 7. Šentilj Si3M 3400/667 PŽV ,6 8. Zalog Si ,6 9. Vižm. Si3M 3400/667 PŽV ,6 10. Kranj Si3M 3400/667 PŽV ,6 11. Žirovnica RVS 1230/60 Hg ,6 12. Vič RVS 1230/60 Hg ,6 13. Logat. Si3M 3400/667 PŽV ,6 14. Pivka Si3M 3400/667 PŽV ,6 15. Divač. Si3M 3400/667 PŽV ,6 16. Martulji RG I ,6 17. Rižana Si3M 3400/ ,6 18. Črnotiče ANSALDO AR 770 S ,6 3.2 Opis ENP enosmernega sistema 3000 V ENP je skupek električnih strojev, odklopnikov, ločilnikov ter ostalih aparatov za razdeljevanje električne energije električnim vlečnim vozilom na voznem omrežju. Energijo 12

16 dovajajo visokonapetostni daljnovodi različnih napetosti iz elektrarn neposredno ali iz razdelilnih transformatorskih postaj (10 kv, 20 kv, 35 kv, 110 kv). Naloga ENP izmeničnega dela je: 1. dovedeno visoko napetost transformirati na nazivno napetost potrošnikov, t.j. električnih vlečnih vozil; 2. dovajati energijo nazivne napetosti voznim vodom tirov proti začetku proge in voznim vodom tirov proti koncu proge preko linijskih odklopnikov; 3. ščititi potrošnike, vozno omrežje in aparate ENP pred preobremenilnimi in kratkostičnimi tokovi. Naloga ENP enosmernega dela zajema poleg nalog ENP izmeničnega sistema še: 4. transformirano sekundarno izmenično napetost usmeriti na nazivno napetost potrošnikov. Slika 3.2 prikazuje enopolno shemo električne napajalne postaje enosmernega sistema. Razdeljena je na izmenični del do transformatorja ter enosmerni del od transformatorja do električnega vlečnega vozila. Električno energijo lahko dovajata na visokonapetostne zbiralke (4) trifazna daljnovoda DV 1 in DV 2 ali pa samo eden od njiju. Dovedeno visoko napetost transformator (7) transformira na nižjo napetost, primerno za usmerjanje; usmernik (8) spremeni izmenično napetost v enosmerno (3400 V), usmerniški odklopnik (9) pa dovede enosmerno napetost na enosmerne zbiralke (11). Vozni vodi tirov proti začetku proge (15) in vozni vodi tirov proti koncu proge so priključeni na enosmerne zbiralke preko linijskih odklopnikov (13). Če pod enim od voznih vodov vozi električno vlečno vozilo, ki vleče obremenilni tok, je smer tega toka naslednja: enosmerni tok izhaja iz usmernika na katodi, teče preko usmerniškega odklopnika (9) in ločilnika (10), ter preko dvopolnega ločilnika (12) in linijskega odklopnika (13) na vozni vod (15), po voznem vodu na odjemnik toka električnega vlečnega vozila (16), od tu na vlečne motorje (kjer se električna energija spremeni v kinetično) ter preko kolesnih dvojic na tirnice (17) in nazaj v minus pol do zvezdišča transformatorja v napajalni postaji. Tok teče dalje delno po tirnici, delno po zemlji (kolikšen del toka teče po tirnici in kolikšen del po zemlji je odvisno od razmerja med upornostjo tirnic in zemlje s tirno gredo) do točke, kjer je priključen na tirnico kabel. Ta povezuje preko dušilke električnega filtra in negativne zbiralke (19) povratni vod z zvezdiščem sekundarja usmerniškega transformatorja. Preko faznih navitij transformatorja, anodnih glav, ter katode usmernika zaključi električni tok svojo vlečno tokovno zanko. 13

17 14 L C + pol - pol DV 1 DV 2 I Z M E N I Č N I D E L I Z M E N I Č N I D E L E N O S M E R N I D E L 3600 V Slika 3.2: Enopolna shema ENP enosmernega sistema 3000 V

18 kjer je: 1. ločilnik visoke napetosti (10 kv, 20 kv,35 kv); 2. tokovni merilni transformator, 3. napetostni merilni transformator, 4. visokonapetostne zbiralke, 5. malooljni odklopnik, 6. tokovni zaščitni transformator, 7. usmerniški transformator, 8. usmernik, 9. usmerniški ali katodni odklopnik, 10. ločilnik enosmerne napetosti 3 kv, 11. enosmerna zbiralka 3 kv pozitivna, 12. dvopolni ločilnik enosmerne napetosti 3 kv, 13. linijski odklopnik, 14. naprave za preskus izolacije voznega voda, 15. vozni vod, 16. električno vlečno vozilo, 17. tirnica, 18. električni filter, 19. enosmerna zbiralka 3 kv negativna, 20. prenapetostni odvodniki, 21. transformator za lastno rabo. 3.3 Dovod električne energije do ENP Vsaki ENP postaji morata dovajati energijo vsaj dva daljnovoda, načeloma priključena na dva različna vira energije. Iz slike 3.3 je razvidno, da je prvi daljnovod priključen na razdelilno transformatorsko postajo (RTP) splošnega omrežja, drugi pa na samostojno elektrarno. Slika 3.3: Dovod električne energije do ENP Običajno dovaja energijo samo en daljnovod, t. j. tisti, ki je priključen na najbolj soliden vir energije (siguren pogon, poljubne količine energije na razpolago, konstantna napetost) in se zato imenuje osnovni daljnovod (osnovno napajanje), drugi daljnovod dovaja energijo 15

19 samo v primeru izpada vira prvega daljnovoda ali daljnovoda samega, zato se imenuje rezervni daljnovod (rezervno napajanje). Iz pravkar omenjenega je razvidno, da je rezervni daljnovod prava rezerva samo v primeru, če sta oba daljnovoda priključena na različna vira energije. Če sta zaradi neugodnih geografskih razmestitev virov energije le priključena na isti vir energije, potem je rezervni daljnovod rezerva osnovnemu le tedaj, če pride do izpada daljnovoda; v primeru izpada vira energije sta oba daljnovoda brez napetosti. 3.4 Dovod električne energije do električnega vlečnega vozila Električno energijo dovajajo električnim vlečnim vozilom električne napajalne postaje (ENP). ENP dobivajo energijo od elektrarn preko daljnovodov. Od ENP se dovaja enosmerna napetost 3000 V do voznega voda, od koder jo sprejme električno vlečno vozilo. Razmere so prikazane na sliki 3.4. EL. 1 EL. 2 ENP 1 ENP 2 a b Slika 3.4: Dovod električne energije do ENP in do električnega vlečnega vozila 16

20 4 VOZNO OMREŽJE Vozno omrežje služi prenosu električne energije od ENP do električnega vlečnega vozila. 4.1 Elementi voznega omrežja Na sliki 4.1 so prikazani elementi voznega omrežja enega tira elektrificirane železniške proge. DROG IZOLATOR Z ENOŽLEBNO KAPO EŽ 1a KONZOLA ZATEZAČ OZEMLJILNA VRV LAKT POLIGUNACIJSKI IZOLATOR EŽ 1 VOZNI ŽICI Ri 100 POLIGUNACIJSKA ROČICA Slika 4.1: Elementi voznega omrežja Na sliki vidimo, da je vozni vod sestavljen iz dveh vodnikov, po katerih drsi odjemnik toka vlečnega vozila. Preko poligunacijske ročice in preko izolatorja je pritrjen na lakt. Nad vozno žico je še nosilna vrv na posebnim izolatorju. Nosilna povezuje vozni vod preko vešalk. Vse skupaj je pritrjeno na elemente nosilne konstrukcije: drog, konzola in zatezač. 4.2 Napajanje voznega omrežja enotirne proge Slika 4.2, povzeta iz literature prikazuje poenostavljeno shemo napajanja voznega omrežja na enotirni progi. Razvidno je, da je vozni vod razdeljen na odsek odprte proge in na postajno območje. Vozni vod obeh odsekov je povezan z napajalnim vodom preko stikal (S), ki služi za prevajanje obremenilnega toka v primeru izločitve določenega odseka voznega voda (progovni ali postajni odsek). Vozna voda postaje in odprte proge sta ločena z ločilcem (na sliki zeleno). 17

21 postaja A postaja B odsek odprte proge vozni vod napajalni vod ločilec Slika 4.2: Napajanje voznega omrežja enotirne proge 4.3 Napajanje voznega omrežja dvotirne proge Tudi na dvotirni progi je vozni vod razdeljen na postajne in progovne odseke, kar prikazuje spodnja slika. Razlika z enotirno progo je v tem, da imamo tukaj napajalni vod samo na postajnem območju, na odprti progi pa prevzame funkcijo napajalnega voda (v primeru izklopa določenega dela omrežja s stikali S) vozni vod sosednjega tira. postaja A vozni vod levega tira dvotirne proge postaja B napajalni vod vozni vod desnega tira dvotirne proge ločilec Slika 1.3: Napajanje voznega omrežja dvotirne proge 18

22 5 OBREMENITVENI TOKI IN PRENAPETOSTI V OMREŽJU 3000 V 5.1 Obratovalni toki in prenapetosti v enosmernem voznem omrežju 3 kv Na SŽ imamo trenutno 18 ENP zaradi potreb napajanja električnih vlečnih vozil. Glede na padec napetosti v vozni mreži obstaja za vsako ENP določeno področje (slika 5.1), ki jo napaja od začetka do konca proge. Začetek in konec področja je določen glede na Ljubljano (včasih na Beograd) kot referenčno točko tako, da je točka A bližje, točka B pa bolj oddaljena od Ljubljane. A B ENP Celje ENP Rače ENP Poljčane Slika 5.1: Delovno področje ENP Na elektrificiranih železniških progah na SŽ z enosmernim sistemom 3000 V je dopusten znaten padec napetosti in sicer od 33 % do + 20 % nazivne napetosti. Zato lahko napetost v voznem vodu koleba v naslednjih mejah: V = najnižja nestalna napetost, ki ne sme trajati več kot 2 minuti, V = nazivna, V = najvišja, V = najvišja nestalna napetost, ki ne sme trajati več kot 5 minut. Obremenitveni toki v ENP so odvisni od: - moči porabnikov (električno vlečno vozilo), - moči ENP, - napetostnih nihanj v omrežju. Vsaka ENP na SŽ nima enake moči. Najmočnejše ENP imajo moč 6,8 MW in 7,5 MW, ostale pa 4,5 MW. Z ozirom na to je pretokovna zaščita v močnejših ENP nastavljena na 2400 A, v šibkejših pa na 1700 A. Seveda je vse odvisno tudi od gostote prometa v delovnem področju ENP. Pomeni, da so v enosmernem sistemu električne vleke 3000 V na SŽ obratovalni toki do 2400 A. 19

23 5.2 Prenapetosti v enosmernem voznem omrežju 3000 V Do prenapetosti v voznem omrežju 3000 V prihaja zaradi: - atmosferskih praznitev, - motenj v napravah ENP, - generatorskega obratovanja ASM na sodobnih vlečnih vozilih. Na stavbi ENP se nahaja strelovodna zaščita, ki je povezana z ozemljitvijo, ki ščiti naprave znotraj ENP pred neposrednim udarom strele. Proti prenapetostmi, ki lahko pridejo po daljnovodu ali iz voznega omrežja, se ENP ščiti s prenapetostnimi odvodniki (slika 5.2). ISKRIŠČE UPOR Z NEGATIVNO KARAKTERISTIKO Slika 5.2: Nadomestna shema ventilskega odvodnika Prenapetostni odvodniki na linijah 3 kv enosmerne napetosti so ventilski z nazivno napetostjo 4 kv. Nazivni odvodni tok je 10 ka v udarnem valu 8/20 μs, kar vidimo na sliki 5.3. μs 1 0,9 B 0,5 0,1 C 0 01 T T1 T2 t Slika 5.3: Tokovni udarni val eksponentni (T 1 /T 2 = 8/20 μs) 20

24 5.3 Obremenitveni toki v voznem omrežju 3000 V Obremenitvene toke v enosmernem voznem omrežju 3000 V povzročajo: - električna vlečna vozila, - kratki stiki v voznem omrežju. Vse naprave v ENP, naprave v električnem vlečnem vozilu in s tem elementi voznega omrežja so pred prevelikimi toki zaščiteni s hitrim odklopnikom, katerega delovanje je prikazano na sliki 5.4. Iobr tuljava z enim ovojem 2000 A 1500 A 1200 A skala - DT + na lokomotivi pretokovni in diferenčni releji, ter varnostne naprave (ASN, BVN) I1 + Iobr I1 I2 Iobr Slika 5.4: Glavni odklopnik v ENP Na zgornji sliki vidimo, da odklopnik deluje na osnovi magnetnega pretoka, ki ga povzročajo obremenitveni toki. V trenutku brez obremenitvenega toka I obr je priključena konstantna enosmerna napetost na navitje držalne tuljave (DT), kar povzroči magnetni pretok, ki pritegne pomični del odklopnika. Ob pojavu obremenilnega toka I obr nastane magnetni pretok, ki je drugače usmerjen in nasprotuje pretoku navitja DT. Ko je obremenitveni tok tako velik, da premaga magnetni pretok DT, se odklopnik odpre. In to je tokovno nastavljena vrednost hitrega odklopnika. Nastavitveno vrednost lahko spreminjamo s posebnim vijakom, s katerim večamo/manjšamo delež kotve (železa), kar vidimo na sliki. Na električni lokomotivi so v tokokrog DT vključene vse zaščite lokomotive in ko določena reagira, odpre svoj kontakt in DT ne povzroča več magnetnega pretoka. Glavni odklopnik se odpre, čeprav ni obremenitvenega toka v vlečnem vozilu. 21

25 5.4 Starejša električna vlečna vozila na SŽ in obremenitveni toki in prenapetosti Tabela 5.1: Največji obremenitveni toki starejših električnih vlečnih vozil na SŽ VRSTA VL. VOZILA LETO IZDELAVE MEHANSKA MOČ (kw) NAJVEČJI OBREMENITVENI TOK (A) ITALIJANSKA LOKOMOTIVA SERIJE ITALIJANSKA LOKOMOTIVA SERIJE FRANCOSKA LOKOMOTIVA SERIJE POLJSKA EMG SERIJE , (tridelna) 1500 (štiridelna) 560 (tridelna) 1120 (štiridelna) 22

26 Na SŽ obratujejo štiri vrste električnih vlečnih vozil, katerih povprečna starost je 30 let. Njihova moč na pogonskih kolesih znaša od 2000 kw do 2750 kw. Ta električna vlečna vozila imajo vgrajen v glavnem pogonu enosmerni serijski vlečni motor, ki služi za vleko oziroma vožnjo vlaka. Obremenitveni tok, ki ga ta vlečna vozila povzročajo na voznim omrežjem 3000 V je odvisen od: - zahtevnosti proge, - mase vlaka, - hitrosti vlaka, - pospeševanja vlaka, - napetosti v voznem omrežju. Električno zaviranje je na starejših električnih vlečnih vozilih na SŽ izvedeno v uporovni izvedbi, brez vpliva na vozno omrežje. To pomeni, da ta vozila povzročajo v omrežju 3000 V samo obremenitvene toke in s tem padec napetosti, prenapetosti pa ta ne povzročajo. Starejša električna vozila z največjimi obremenitvenimi toki so prikazana v tabeli Sodobna električna vlečna vozila na SŽ in obremenitveni toki in prenapetosti Novost pri sodobnih električnih vlečnih vozilih na SŽ je asinhronski motor v glavnem pogonu. ASM omogoča na teh vlečnih vozilih dva načina obratovanja: - kot MOTOR in - kot GENERATOR VLEKA 100 F (kn), I (A) A A ZAVIRANJE v (km/h) Slika 5.5: Vlečni/zavorni diagram Siemensove trisistemske lokomotive 23

27 Pri vleki oziroma pri pospeševanju vlaka deluje ASM kot motor, kar pomeni obremenitev voznega omrežja z obremenitvenim tokom. Pri zaviranju deluje ASM kot generator, pri čemer je dana možnost vračanja energije v vozni vod. V tem primeru je naš vlak enosmerni tokovni generator, ki dviga napetost v voznem omrežju. Na sliki 5.5 je kot primer prikazan vlečni/zavorni diagram sodobne Siemensove trisistemske lokomotive s pripadajočimi toki. Tabela 5.2: Največji obremenitveni toki sodobnih električnih vlečnih vozil na SŽ VRSTA VL. VOZILA LETO IZDELAVE MEHANSKA MOČ (kw) NAJVEČJI OBREMENITVENI TOK (A) DVODELNA SIEMENSOVA EMG SERIJE , TRIDELNA SIEMENSOVA EMG SERIJE , ITALIJANSKA EMG SERIJE SIEMENSOVA LOKOMOTIVA

28 V tabeli 5.2 so prikazana vsa sodobna električna vlečna vozila na SŽ s pripadajočimi toki pri vleki in zaviranju. 5.6 Izračuni v voznem omrežju 3000 V Z izračunom lahko potrdimo problematiko obremenitvenih tokov, padcev napetosti in prenapetosti z dejanskim primerom na progi. Na sliki 5.6 imamo dvotirno progo z dvostranskim napajanjem. ENP sta med seboj oddaljeni 30 km, kar je povprečna razdalja na SŽ. Vsaka ENP ima naslednje karakteristike: - izhodna napetost = 3600 V, - moč = 6,8 MW, - pretokovna zaščita = 2400 V. Vzemimo primer, da imamo med dvema ENP v medsebojni oddaljenosti 30 km na razdaljah 10 km dve Siemensovi lokomotivi (vozlišče 1 in 2), ki vlečeta s polnim tokom 2160 A V 3600 V 10 km 1 10 km 2 10 km ENP A ENP B 1,75 S 1,75 S 1,75 S 6,8 MW 6,8 MW 2400 A 2400 A 2160 A 2160 A Slika 5.6: Vožnja dveh Siemensovih lokomotiv s polno vlečno silo Upornost 1 km voznega omrežja dvotirne proge je 0,057 Ω, od koder izračunamo prevodnost za razdaljo 10 km 1,75 S. Tvorimo matriko napetosti ENP: 3600 U N = V 3600 Tvorimo matriko obremenilnih tokov vlečnih vozil: 2160 I O = A 2160 Na osnovi prevodnosti tvorimo vozliščno admitančno matriko: 3,5 1, 75 Y = S 1, 75 3,5 Sedaj lahko izračunamo, kolikšna je napetost na odjemniku toka obeh lokomotiv, po naslednji enačbi: U = U Y I (V) (5.1) 1 V N O kjer je: - U V = napetost vozlišča lokomotive, 25

29 - U N = napetost ENP, - Y -1 = vozliščna admitančna matrika; - I o = obremenitveni tok. Po izračunu dobimo naslednji rezultat: 2367 U V = 2367 V Ker obe lokomotivi vlečeta s tokom 2160 A, povzročita padec napetost, tako, da je na lokomotivi še preostala napetost 2367 V, kar komaj še zadošča za obratovanje ostalih vlečnih vozil na SŽ. Če bi se na tem odseku nahajalo še eno vlečno vozilo z obremenitvenim tokom, bi prekoračili tok 2400 A ENP in bi posredovala zaščita. Na sliki 5.7 imamo primer, kjer ena lokomotiva vleče, druga pa generatorsko zavira V 3600 V 10 km 1 10 km 2 10 km ENP A ENP B 1,75 S 1,75 S 1,75 S 6,8 MW 6,8 MW 2400 A 2400 A A 2160 A Slika 5.7: Vleka in zaviranje dveh Siemensovih lokomotiv Po opravljenih izračunih dobimo naslednji rezultat: U V = V Napetost se je v vozlišču 1 zaradi generatorskega obratovanja lokomotive dvignila iz 3600 V (ENP) na 4011 V, kar je že izklopna vrednost v ENP. V vozlišču 2 je zaradi tega tudi večja napetost, kot v prejšnjem primeru, kar pomeni, da smo vračali energijo iz lokomotive 1 v lokomotivo 2. Dejanske razmere na dvotirni progi so prikazane na sliki 5.8. Vozna voda obeh tirov sta med seboj povezana samo preko stikal na postajnem območju. To pomeni, da teče električna energija pri generatorskem obratovanju ASM iz enega tira na drugi tir samo preko postaje. 26

30 postaja A 2160 A postaja B ENP A: -6,8 MW, V, A km 5 km 15 km 5 km 3,5 S km 10 km 10 km 5 km 3,5 S 3 3,5 S 1,2 S 1243 S 1243 S 1,8 S 1,8 S 2160 A 6 3,5 S 3,5 S Slika 5.8: Obratovanje dveh Siemensovih lokomotiv na dvotirni progi ENP B: -6,8 MW, V, A Na sliki zgoraj je z modro barvo označena povezava voznega voda obeh tirov na postaji preko stikal (vozlišča 3, 4, 5 in 6). Vozlišči 1 in 2 predstavljata obremenitveni tok električnega vlečnega vozila. Na osnovi prevodnosti iz slike tvorimo vozliščno admitančno matriko: Y 3, ,8 0 1,8 0 4,7 3,5 0 1, , = 1, , , S Po enačbi 5.1 izračunamo primer, kjer vlaka v vozliščih 1 in 2 vlečeta z obremenitvenim tokom 2160 A: U V = V Največji padec napetosti je v vozliščih 1 in 2 (na odjemniku toka vlečnih vozil). Če vlak v vozlišču 2 generatorsko zavira, dobimo naslednji rezultat: U V = V

31 Napetost v vseh vozliščih se dvigne zaradi generatorskega obratovanja lokomotive v vozlišču 2. V primeru, da zavirata oba vlaka s tokom 2160 A, dobimo naslednji rezultat: U V = V V vozliščih 1 in 2 se dvigne napetost nad vrednost 4000 V, kar je nastavljena vrednost prenapetostne zaščite na vlečnem vozilu, v vseh ostalih vozliščih pa naraste napetost preko 3600 V, kar je po predpisih UIC nedopustno v sistemu v železniškem voznem omrežju 3000 V. Zaradi nezmožnosti vračanja energije v javno omrežje voznega omrežja in ENP na SŽ je po predpisih električna zavorna sila na SŽ omejena na 150 kn (slika 5.9) A F (kn), I (A) električna zavorna sila tok električnega zaviranja v (km/ h) Slika 5.9: Zavorna karakteristika Siemensove lokomotive pri sili 150 kn Zaradi prevelikih tokov pri generatorskem zaviranju novih 6 MW lokomotiv in posledično temu prenapetosti v voznem omrežju so možne naslednje rešitve: - vozna voda obeh tirov povezati na večih mestih na odprti progi (draga in problematična rešitev pri ločitvi voznih vodov obeh tirov pri vzdrževanju), - izdelati vozni red vlakov tako, da na istem odseku en vlak vleče, drugi pa istočasno zavira (to je na SŽ zaradi raznolikosti vlakov nemogoče), 28

32 - urediti naprave v ENP tako, da bo možno energijo generatorskega zaviranja vlakov pošiljati v javno omrežje, kar so zahteve direktive evropske železniške komisije za vse novo zgrajene ENP sistema 3000 V, - v skrajnem primeru na sami lokomotivi omejiti tok zaviranja na manjšo vrednost od 2160 A z omejitvijo zavorne sile na 150 kn, kar je prikazano na zavorni karakteristiki na sliki 5.9. Iz slike 5.9 je razvidno, da pri omejeni sili električnega zaviranja na 150 kn zavorni tok doseže najvišjo vrednost 1206 A, kar je več kot 1000 A manj, kot omogoča ta lokomotiva pri polni moči zaviranja (2160 A) 5.7 Gostota toka v voznem omrežju 3000 V Vozno omrežje je iz bakra, kjer je po Elektrotehniškem priročniku dovoljena najvišja gostota toka 4 A/mm 2. Poglejmo si gostoto toka v voznem omrežju pri toku 2000 A, kar izračunamo po znani enačbi povzeti iz Elektrotehniškega priročnika: J I S = = = 6, 25 A/mm (5.2) Presek voznega omrežja enega tira dvotirne proge je 320 mm 2. Izračun pokaže, da pri vleki vlaka z novo lokomotivo Rh 1116 s tokom 2000 A presežemo vrednost 4 A/mm 2 na dvotirni progi na SŽ. Sedanja lokomotiva na SŽ povzroči največji tok 1200 A, tako, da tokovna gostota ni prekoračena. Na enotirni progi na SŽ je presek voznega omrežja 510 mm 2, kar nam da pri 2000 A naslednji izračun: J I 2000 = = = 3,9 A/mm S Na enotirni progi zaradi večjega preseka nova lokomotiva ne bo povzročila preveliko gostoto toka. 29

33 6 PORABA ELEKTRIČNE ENERGIJE PRI VLEKI VLAKOV Porabo električne energije pri vožnji določenega vlaka je zelo težko oceniti, ker se z gibanjem vsak trenutek spreminja električna in mehanska moč lokomotive v odvisnosti od zahtevnosti proge. Števec porabe električne energije se nahaja v ENP, kjer se vidi celotna poraba energije vseh vlakov na določenem odseku, ki ga ENP pokriva. Dejansko porabo električne energije pri vožnji vlaka bi lahko dobili z meritvijo na sami lokomotivi. Nekoč so naše električne lokomotive imele števec kilovatnih ur, katerega so že zdavnaj izgradili. Do podatka o porabi električne energije lahko pridemo tudi računsko, če poznamo potrebne parametre za izračun. V nadaljevanju je prikazana primerjava porabe električne energije pri vožnji tovornega vlaka z maso 800 t iz Kopra proti Divači. Obravnavana je najbolj frekventna električna lokomotiva enosmernega sistema na SŽ in trisistemska Siemensova lokomotiva v enosmernem in v enofaznem načinu delovanja. 6.1 Francoska električna lokomotiva enosmernega sistema 3000 V na SŽ Slika 6.1: Francoska električna lokomotiva serije 363 Na sliki 6.1 je prikazana najmočnejša električna lokomotiva enosmernega sistema, ki se uporablja na SŽ za vleko težkih tovornih vlakov na koprski progi. Lokomotiva je francoske izdelave in ima moč 2750 kw. Na SŽ ima oznako 363. Za vleko vlakov so zelo pomembne karakteristike lokomotive, kar je prikazano na vlečnem diagramu na sliki

34 300 VLEČNA KARAKTERISTIKA LOKOMOTIVE 363 V TOVORNI PRESTAVI Z VREDNOSTMI UPOROV NA VZPONU OD 0 DO 26, Q = 800 t F (kn) Vkr V (km/h) Slika 6.2: Vlečna karakteristika francoske lokomotive enosmernega sistema 3000 V Na sliki 6.2 je z rdečo barvo prikazana največja vlečna moč lokomotive v odvisnosti od hitrosti. Prečne krivulje predstavljajo upor proti vlečni sili pri vožnji vlaka z maso 800 t. Presečišče določene krivulje uporov s krivuljo vlečne sile določa največjo hitrost na tem vzponu. Na sliki je prav tako označena kritična hitrost vlaka (37 km/h). To je tista hitrost, pri kateri še lahko vozimo s polno vlečno silo brez poškodb vlečnih motorjev. Na sliki 6.3 je za primerjavo prikazana vlečna karakteristika trisistemske Siemensove lokomotive s progovnimi upori vlaka z maso 800 t. Siemensova 6 MW lokomotiva lahko pri polni vlečni sili vozi s hitrostjo 80 km/h (kritična hitrost) v enosmernem načinu delovanja, kar je za potrebe vožnje tovornega vlaka popolnoma zadovoljivo. Iz slike vidimo, da je zmožna ta lokomotiva na vzponu 26 vleči vlak z maso 800 t s hitrostjo okoli 90 km/h. V enofaznem načinu delovanja razvije lokomotiva še nekoliko večjo moč. 31

35 VLEČNA KARAKTERISTIKA LOKOMOTIVE Rh 1116 Z UPORI PROGE OD 0 DO 26, Q=800 t kv, 50 Hz 3 kv 200 F (kn) v (km/h) Slika 6.3: Vlečna karakteristika trisistemske Siemensove lokomotive 6.2 Izračun porabe električne energije pri vleki vlaka Poraba električne energije na lokomotivi pri vožnji vlaka na nekem odseku v določenem času se izračuna po naslednji enačbi: t2 U km A= I dt (kwh) (6.1) t1 kjer je: - A število kwh na odjemniku toka lokomotive, - U km napetost kontaktne mreže v V, - I obremenitveni tok lokomotive v A, - t 1,2 časovni interval v min. Dejansko porabo električne energije dobimo z upoštevanjem voznega omrežja in ENP po naslednji enačbi: 32

36 A d = η km A η ENP (kwh) (6.2) kjer je: - A d dejanska poraba električne energije v kwh, - η km koeficient izkoristka kontaktne mreže (0,92 0,93 v enosmernem sistemu in 0,96 0,97 v enofaznem sistemu), - η ENP - koeficient izkoristka ENP (0,90 0,91 v enosmernem sistemu in 0,95 0,96 v enofaznem sistemu). Vlečni (obremenitveni tok) pri vleki (vožnji) vlaka na enosmerni elektrificirani progi s sistemom 3000 V na določenem odseku proge izračunamo po naslednji enačbi: I F v = (A) (6.3) 1000 kjer je: - I tok v A, - F vlečna sila lokomotive v dan, - v hitrost vlaka v km/h. Vlečni (obremenitveni tok) pri vleki (vožnji) vlaka na enofazni elektrificirani progi s sistemom 25 kv, 50 Hz na določenem odseku proge izračunamo po naslednji enačbi: I F v = (A) (6.4) Profil proge Koper Divača PROFIL PROGE DIVAČA - KOPER 30 KOPER DIVAČA VZPON ( ) vzpon L (km) Slika 6.4: Profil proge Koper Divača 33

37 Na sliki 6.4 je prikazan profil proge iz Kopra proti Divači. Razvidni so posamezni odseki v metrih s pripadajočimi vzponi v. Vrednosti vzponov v so reducirane, kar pomeni upoštevanje tudi ostalih uporov na določenem odseku (upor krivine, ). Tudi posamezne razdalje v metrih so približne zaradi lažjega razumevanja in zaradi tega, ker se dejanski vzponi na progi spreminjajo vsakih nekaj metrov. Dejanske razdalje z različnimi vzponi so tudi krajše od dolžine vlaka, toda kilometri celotne proge od Kopra do Divače so po seštevkih iz slike realni (44,708 km). 6.4 Poraba električne energije pri vleki vlaka med Koprom in Divačo Slika 6.5 prikazuje primerjavo porabe električne energije na posameznih odsekih od Kopra do Divače pri vleki mešanega tovornega vlaka z maso 800 t. Poraba električne energije je prikazana pri obratovanju obstoječe enosmerne lokomotive na SŽ (oznaka 363) in Siemensove lokomotive v enosmernem in enofaznem sistemu 25 kv, 50 Hz. Največja hitrost vožnje tovornega vlaka pri izračunih je 75 km/h. PORABA ELEKTRIČNE ENERGIJE V kwh NA ŽELEZNIŠKI PROGI KOPER - DIVAČA V ENOSMERNEM IN IZMENIČNEM OBRATOVANJU ELEKTRIČNIH LOKOMOTIV PRI VLEKI VLAKA Z MASO 800 t kwh m 1260 m 2191 m 1012 m 835 m 5401 m 684 m 7805 m 838 m 1646 m 660 m 2111 m 1133 m 3995 m 4191 m 7272 m V Rh V Rh kv 50 Hz DOLŽINE ODSEKOV Slika 6.5: Poraba električne energije v enosmernem in v enofaznem sistemu električne vleke Rezultati iz slike prikazujejo največjo porabo električne energije pri vožnji tovornega vlaka z maso 800 t s Siemensovo lokomotivo, kadar obratuje v enosmernem omrežju 3000 V. Vendar je to povečanje porabe električne energije v primerjavi z obstoječo lokomotivo enosmernega sistema na SŽ minimalno. Vzrok je v tem, da Siemensova lokomotiva pri vleki tovornega vlaka na vzponu 26 brez težav doseže hitrost 75 km/h, obstoječa lokomotiva na SŽ pa doseže v tem primeru komaj 45 km/h. Za večjo hitrost vožnje vlaka na določenem vzponu proge potrebujemo tudi večjo vlečno silo, kar povzroči tudi večji tok in posledično večjo porabo električne energije. 34

38 Iz slike je razvidno, da bi bila najmanjša poraba električne energije pri obratovanju Siemensove lokomotive v enofaznem omrežju 25 kv, 50 Hz. To pa zaradi boljšega izkoristka ENP in voznega omrežja v enofaznem sistemu električne vleke. 6.5 Obremenitveni toki pri vleki vlaka med Koprom in Divačo Slika 6.6 prikazuje primerjavo obremenitvenih tokov na posameznih odsekih iz Kopra do Divače pri vleki mešanega tovornega vlaka z maso 800 t. Pri obremenilnih tokih iz slike je razvidno, da Siemensova lokomotiva v enosmernem načinu delovanja doseže tok do 2000 A. Zaščita v ENP je nastavljena na 2400 A, kar pomeni, da pri vožnji vlaka z maso 800 t na vzponu 26 s hitrostjo 75 km/h ne sme na tem odseku voziti noben drugi vlak. Če bi Siemensova lokomotiva obratovala v enofaznem omrežju 25 kv, 50 Hz, bi bil največji tok na vzponu 26 nekaj čez 200 A. VLEČNI TOKOVI TOKI NA NA ODSEKIH PROGE PROGE OD KOPRA IZ KOPRA DO DO DIVAČE DIVAČE I (A) m 1260 m 2191 m 1012 m 835 m 5401 m 684 m 7805 m 838 m 1646 m 660 m 2111 m 1133 m 3995 m 4191 m 7272 m V Rh V Rh kv 50 Hz DOLŽINE ODSEKOV Slika 6.6: Obremenitveni toki električne vleke na progi Koper Divača 35

39 7 BLODEČI TOKI PRI ENOSMERNI ŽELEZNICI 3000 V Enosmerni blodeči toki v zemlji povzročajo škodo na kovinskih napravah. Izvori teh tokov v zemlji so lahko naslednje naprave: 1. enosmerne električne železnice, ki uporabljajo tirnico kot povratni vodnik, 2. ozemljene enosmerne naprave, ki imajo obratovalni tokokrog ozemljen na večih mestih. Takšne naprave so: nadzemna trolejbusna omrežja, ki imajo en pol ozemljen na več mestih ali več kot enkrat povezan s povratnim vodnikom tramvajskega omrežja (tirnica), enosmerna omrežja in enosmerne industrijske naprave, enosmerna telekomunikacijska omrežja, naprave za korozijsko zaščito. 3. Ozemljene naprave, ki imajo sicer samo eno obratovalno ozemljitev, pri katerih pa je treba računati z dalj časa trajajočimi zemeljskimi stiki in zaradi tega s škodljivimi blodečimi toki, 4. Neozemljene naprave, pri katerih obstaja verjetnost sočasnih daljših zemeljskih stikov v različnih točkah obratovalnega tokokroga (elektrolize, neozemljena omrežja), Naprave, položene v zemljo, ki jih blodeči enosmerni toki ogrožajo so naslednje: 1. kovinski cevovodi, 2. kovinske cisterne, 3. kovinske konstrukcije in armature v betonu, 4. kabli s kovinskim plaščem, 5. ozemljila elektroenergetskih in telekomunikacijskih naprav. V Sloveniji je trenutno največji povzročitelj enosmernih blodečih tokov elektrificirana železnica z enosmernim sistemom 3000 V, kjer se celotni tok zaključi po povratnem vodu (tirnici). Povratni tokovi so v vrednostih do 2400 A, kar je odvisno od števila porabnikov (električna lokomotiva). 7.1 Vpliv blodečih tokov pri prehodu skozi elektrolitske razstopine Vlažna zemlja v katero so položeni ogroženi kovinski objekti, je v principu elektrolitska vodna raztopina in kot taka sposobna prevajati električni tok. Prevajanje električnega toka v elektrolitskih raztopinah bazira na potovanju ioniziranih materialnih delcev, ki jih usmerja potencialna razlika med elektrodama, postavljenima v elektrolitsko raztopino. V primeru, da je na elektrode pritisnjena enosmerna napetost, je potovanje ionov usmerjeno v določeno konstantno smer. To pomeni, da potujejo pozitivni (kovinski in vodikovi) ioni proti negativni elektrodi (katodi), negativni ioni pa proti pozitivni elektrodi (anodi), kjer se njihov naboj nevtralizira. Nastali neelektrični delci se izločajo kot primarni produkti elektrolize, ki pogosto takoj dalje reagirajo z molekulami elektrolitskega vodika ali elektrod v tako imenovane sekundarne produkte elektrolize. To se pravi, da prehod toka skozi elektrolitske vodnike vedno spremljajo kemični procesi, ki so neposredna ali posredna manifestacija pojava elektrolize. Kvantitativni odnosi pri elektrolizi so definirani s Faradayevima zakonoma, ki se glasita: I. količina z elektrolizo izločene snovi je proporcionalna z jakostjo in trajanjem toka oziroma s količino prenesene elektrine, 36

40 II. enake količine elektrine izločajo ekvivalentne utežne količine elementov. Za izločanje enega gram ekvivalenta nekega elementa je potrebnih kulonov oziroma 26,8 amperskih ur elektrine. Odnašanje materiala se pojavlja na tisti kovinski elektrodi, iz katere električni tok izstopa v elektrolit. Količine odnesenega materiala na 1 A v1 letu so sicer velike, vendar je praktični učinek elektrolitske korozije odvisen od velikosti ploskve, iz katere tok določene jakosti izstopa oziroma od dosežene ploskovne gostote toka. Pri enakomerni gostoti toka I = 1A/m 2 = 0,1 ma/cm 2 so debeline v enem letu odnesene plasti materiala naslednje: Tabela 7.1: Debelina odnesene plasti v mm na leto pri gostoti toka I = 1A/m 2 SNOV Cu Fe Pb Zn DEBELINA ODNESENE PLASTI (mm/a leto) 1,17 1,16 3,0 1,5 V praktičnem primeru delovanja blodečega toka seveda gostota v zemljo izstopajočega toka ni nikoli po vsej površini enaka, zato pride do neenakomernega odnašanja materiala. Na porazdelitev gostote toka na neki kovinski ploskvi v zemlji vpliva med drugim višina prehodne upornosti kovina elektrolit v posameznih točkah te ploskve. Ta prehodna upornost pa zaradi neenakomerne sestave in vlažnosti obdajajoče zemlje ne more biti po vsej prizadeti ploskvi konstantna. Nadalje v praksi blodečih tokov višina blodečega toka in s tem ploskovna gostota toka tudi časovno ni konstantna. Njena višina je povezana z načinom obratovanja naprave, ki je izvor blodečega toka. Spremembe blodečega toka so zlasti velike pri enosmerni železniški vleki. 7.2 Splošno o blodečih tokih Da bi lahko izvajanja o delovanju enosmernega toka pri prehodu skozi elektrolitske raztopine aplicirali na primeru blodečih tokov, je treba najprej analizirati poti teh tokov v zemlji. Do blodečega toka pride kot že omenjeno povsod tam, kjer je nek tokokrog na kakršen koli način ozemljen v več kot eni točki oziroma z drugimi besedami, kjer je zemlja priključena vzporedno k nekemu vodniku, ki prevaja električni tok. Specialni primer v več točkah ozemljenega vodnika predstavljajo kontinuirano ozemljeni vodniki, kot so železniške tirnice, v zemljo položeni neizolirani kovinski cevovodi, v zemljo položeni kabli z neizoliranim kovinskim plaščem, razsežna ozemljila, dolge kovinske konstrukcije itd. Enosmerni tok, ki izstopa iz ozemljenega vodnika v zemljo, se razdeli po zemlji samo v skladu z njeno prevodnostjo. Širjenja enosmernega toka namreč ne omejuje, kot je to primer pri izmeničnem toku, induktivna upornost zanke: vodnik zemlja, ki sili izmenični tok, da teče v dokaj omejenem območju vzdolž trase tokokroga, katerega sestavni del je zemlja. Zato na primer pri železniških progah, ki so napajane z enosmernim tokom, blodeči tok ne sledi ovinkom proge, temveč jih preseka, ker je pot po tetivi krajša in s tem njena upornost nižja. Po drugi strani pa povzročijo prevodnejše žile v zemlji, da blodeči tok pogosto dela velike ovinke. Takšne prevodnejše žile v zemlji so med drugim tudi vse neizolirane kovinske napeljave ali na več mestih ozemljene konstrukcije. Navedeni objekti polovijo po delu potencialnega lijaka z višjim (pozitivnejšim) potencialom kot nekakšne antene del blodečega toka in ga nato na področju z nižjim (negativnejšim) potencialom zopet oddajo obdajajoči zemlji, kar vidimo na sliki

41 + VOZNI VOD VLEČNO VOZILO ENP TIRNICA - + V (U) korozijsko območje cevovod 0 potencial nevtralne zemlje 0 potencial cevovoda - L potencial zemlje ob cevovodu potencial tirnice Slika 7.1: Potencialni lijak blodečih enosmernih tokov v zemlji To se pravi, da imamo v zemlji dve vrsti kovinskih objektov, ki jih ogrožajo blodeči toki: 1. objekte, ki injicirajo blodeči tok v zemljo in 2. objekte, ki zaradi svoje lege v potencialnem polju blodečega toka ta tok prevajajo. Na obeh vrstah objektov se pojavlja korozija na mestih, kjer tok izstopa iz kovine v zemljo, to se pravi tam, kjer ima kovinski objekt negativnejši potencial kot obdajajoča zemlja. Da bi dobili podatke o verjetni stopnji korozije na nekem objektu, bi bilo treba, če gre za izvor, poznati višino in časovni potek celotnih blodečih tokov, a če gre za objekt, ki se nahaja v polju blodečih tokov, višino toka, ki ga tak objekt prevzame iz obdajajoče zemlje. Izračuni navedenih tokov so možni samo za najenostavnejše primere in imajo predvsem orientacijski značaj, ker so izhodiščni podatki za številčne izračune skoraj vedno samo predpostavke. Zato je mogoče v večini primerov ostati le pri oceni višine korodirajočega toka. Pri že obstoječih objektih je mogoče navedene podatke dobiti z meritvami, ki pa so pogosto težko izvedljive in pogojene z visokimi stroški. 7.3 Izračun blodečih tokov pri enosmerni železnici 3000 V Pri enosmerni električni vleki 3000 V električno vlečno vozilo prejema električno energijo iz ENP preko voznega omrežja (voznega voda). Tokokrog se skozi električno lokomotivo zaključi nazaj v ENP po tirnicah, kar vidimo na sliki

42 30 km VOZNI VOD ENP 1 ENP 2 TIRNICA 15 km 15 km Slika 7.2: Obratovalni tokokrog električnega vlečnega vozila ENP na SŽ obratujejo paralelno, kar pomeni dvostransko napajanje električnega vlečnega vozila, kar vidimo na sliki 7.2. To pomeni, da povratni tok po tirnici potuje nazaj v ENP v obeh smereh, v ENP 1 in v ENP 2. Bolj, ko se bližamo ENP 2, manj je obremenjena ENP 1. Ko je električno vlečno vozilo tik pred ENP 2, teče še vedno minimalni povratni tok proti ENP 1. Enostransko napajanje električnega vlečnega vozila imamo na SŽ samo proti izhodu našega sistema električne vleke k sosednjim državam z enofaznimi sistemi električne vleke (Avstrija in Hrvaška) in pri slučajnih izpadih ENP oziroma vzdrževalnih delih. Železniške tirnice so položene preko lesenih ali betonskih pragov na gramozno gredo in predstavljajo istočasno tudi ozemljilo obratovalnega tokokroga električne vleke enosmernega sistema 3000 V, kar vidimo na sliki 7.3. TIRNICA - OZEMLJILO GRAMOZ hg = 0,7 m ZEMLJA Slika 7.3: Ozemljitev obratovalnega tokokroga električne vleke Na sliki vidimo, da je tirnica na gramozni gredi višine povprečno 0,7 m. Gramozna greda se nahaja na zemlji. To pomeni, da leži ozemljilo na nehomogenih tleh, pri čemer ima gramozna greda večjo specifično ohmsko upornost od zemlje. Za takšen primer izračunamo ozemljitveno upornost ozemljila po naslednji enačbi: R o ρg hg ρz = + ( Ω) 2 π D 2 D 4 (7.1) kjer je: - R o = ozemljitvena upornost ozemljila - tirnice v Ω, - ρ g = specifična upornost gramoza v Ω m, - h g = višina gramozne grede v m, - D = premer ozemljila v m, - ρ z = specifična upornost zemlje v Ω m. 39

43 Ozemljilo tirnice predstavljajo ploščato ozemljilo iz dveh ali večih trakov tirnic. Ker je razdalja med obema trakoma tirnicama manjša od 5 % dolžine tirnice, velja naslednja enačba za izračun premera ekvivalentne plošče: D= 1,13 S (m) (7.2) kjer je: - S = površina ozemljila tirnic v m. Površino ozemljila tirnic izračunamo po naslednji enačbi: S a n b kjer je: - n = število tirnic (2 tirnici pri enotirni progi), - a = dolžina tirnic v m, - b = širina tirnične noge = 0,125 m. 2 = ( ) (m ) (7.3) Specifično upornost ozemljila tirnic na enoto dolžine izračunamo po naslednji enačbi: ρt L Rt = 2 m A Ω/km (7.4) kjer je: - R t = specifična upornost ozemljila tirnic na enoto dolžine v Ω/km, - ρ t = specifična upornost tirnice = 0,20 Ω mm 2 /m, - L = dolžina ozemljila tirnice v m, - m = število tirov (2m = 2 pri enotirni progi), - A = presek ene tirnice = 6250 mm 2. Iz znane specifične upornosti ozemljila tirnic in iz znane ozemljitvene upornosti tirnic lahko izračunamo količino blodečih tokov izven povratnega voda tirnic po naslednji enačbi: Rt Ib = It ( ) (%) Rt + Ro kjer je: - I b = blodeči razsipani tok v %, - I t = tok v tirnicah v %. (7.5) Vzemimo primer enotirne proge, kjer se nahaja električno vlečno vozilo na sredini med obema ENP (slika 7.1). V tem primeru se zaključi enaka količina povratnega toka proti ENP 1 in proti ENP 2, kar pomeni, da sta obe ENP enako obremenjeni. Predpostavimo zelo dobro vzdrževano gramozno gredo s specifično upornostjo 5000 Ω m, ki se nahaja na ilovici s specifično upornostjo 50 Ω m. Najprej izračunamo površino ozemljila tirnic na razdalji 30 km po enačbi 7.3: 2 S = (2 0,125) = 7500 m Po enačbi 7.2 izračunamo premer ekvivalentnega krožnega ozemljila tirnic: D = 1, =98 m 40

44 Po enačbi 7.4 izračunamo specifično upornost tirnic: 0, R t = = 0,016 Ω /km = 0,48 Ω /30 km Po enačbi 7.1 izračunamo ozemljitveno upornost ozemljila tirnice v razdalji 30 km: ,7 50 R o = + = 0,7 Ω 2 π Po enačbi 7.5 izračunamo količino blodečega toka v %: 0, 48 I b = 100 ( ) = 41 % 0, ,7 Iz rezultata je razvidno, da od celotnega obremenitvenega toka električnega vlečnega vozila teče 59 % toka po tirnicah, 41 % toka pa se razprši po zemlji in se nato po najbolj prevodnih poteh (cevovodi, ) vrača v ENP. Vendar je vrednost 41 % razdeljena proti ENP 1 in proti ENP 2 kar pomeni, da se proti eni ENP razsipa samo okoli 20 % celotnega toka. Nova 6 MW lokomotiva doseže pri polni vlečni sili obremenitveni tok okoli 2000 A kar pomeni, da se razsipa v tem primeru po zemlji proti eni in drugi ENP 200 A toka. Je pa jasno, da to velja samo tisti trenutek, ko sta obe ENP enako obremenjeni. Čimbolj se bližamo ENP 2, manj toka se zaključi v ENP 1. Tako je tista ENP, h kateri je bliže električno vozilo bolj obremenjena, je pa zaradi krajše razdalje manj blodečih tokov. Proti bolj oddaljeni ENP pa teče vedno manj toka, količina blodečih tokov se veča, vendar je ta količina glede na minimalni tok v tirnici zelo majhna. Iz tega sledi, da je na SŽ največ blodečih tokov pri obratovanju električnega vlečnega vozila na sredini med obema ENP. Za primer dvotirne proge dobimo za enake parametre gramozne grede in osnovnega zemljišča naslednje rezultate: 2 S = (4 0,125) = m D = 1, =138 m R t 0, = = 0,008 Ω /km = 0,24 Ω /30 km R o ,7 50 = + = 0,4 Ω 2 π , 24 I b = 100 ( ) = 38 % 0, , 4 Na dvotirni progi je zaradi večjega števila tirnic manjši procent blodečih tokov. Dejanska vrednost blodečih tokov je torej odvisna od razdalje med električnim vlečnim vozilom in ENP ter od lastnosti gramozne grede in zemlje. Na sliki 7.4 so grafično prikazani 41

45 štirje primeri blodečih tokov pri specifični upornosti gramozne grede 5000 Ω m in pri različnih specifičnih upornostih zemlje (50 Ω m, 100 Ω m, 500 Ω m in 1000 Ω m) ρg = 5000 Ω m ρz = 50 Ω m greda = 5000 zemlja = 50 enotirna proga dvotirna proga ρg = 5000 Ω m greda = 5000 ρz = 100 zemlja = Ω 100 m enotirna proga dvotirna proga Ib (%) 25 Ib (%) L (km) L (km) enotirna proga dvotirna proga 10 9 enotirna proga dvotirna proga Ib (%) ρg = 5000 Ω m greda = 5000 zemlja = 500 ρz = 500 Ω m Ib (%) ρg = 5000 Ω m greda = 5000 ρz = zemlja 1000 = 1000 Ω m L (km) L (km) Slika 7.4: Odvisnost blodečih tokov od zemljišča Iz grafov na sliki je razvidno, da z večanjem specifične upornosti zemlje upada procent blodečih tokov.. Na sliki 7.5 so grafično prikazani štirje primeri blodečih tokov pri specifični upornosti zemlje 50 Ω m in pri različnih specifičnih upornostih gramozne grede železniške proge (4000 Ω m, 3000 Ω m, 2000 Ω m in 800 Ω m). 42

46 zemlja = 50 greda = 4000 ρz = 50 Ω m ρg = 4000 Ω m enotirna proga dvotirna proga ρz = 50 Ω m zemlja = 50 ρg = 3000 greda = 3000 Ω m enotirna proga dvotirna proga Ib (%) 25 Ib (%) L (km) L (km) ρz = 50 zemlja Ω = m 50 greda = 2000 ρg = 2000 Ω m enotirna proga dvotirna proga ρz = 50 zemlja Ω m = 50 gramoz = 800 ρg = 800 Ω m enotirna proga dvotirna proga Ib (%) Ib (%) L (km) L (km) Slika 7.5: Odvisnost blodečih tokov od gramozne grede železniške proge Z manjšanjem specifične upornosti gramozne grede železniške proge se povečuje procent blodečih tokov, vendar je ta razlika manjša kot v primeru na sliki 7.4, kjer se je procent blodečih tokov z večanjem specifične upornosti zemlje hitro manjšal. To pomeni, da imata na vrednost blodečih tokov na enosmerni železnici največji vpliv dolžina proge in osnovno zemljišče. 7.4 Raziskave elektroinštituta Milana Vidmarja Elektroinštitut Milana Vidmarja v Ljubljani je za izračun blodečih tokov na enosmerni železnici 3000 V izhajal iz telegrafske enačbe. Pri tem je razvil zelo uporabno enačbo za izračun blodečih tokov: Lt Ib = I (1 1 th α ) (%) (7.6) 2 kjer je: - I b = maksimalna vrednost blodečih tokov v %, - I 100 % = celotni tok (tok v tirnici + blodeči tok), - L t razdalja med vlečnim vozilom in med ENP, - α faktor dušenja ozemljila tirnice. 43

47 Enačbo za faktor dušenja pri enosmernem toku izpeljemo iz naslednje enačbe za konstanto širjenja potujočih valov pri izmeničnem toku: γ = α + jβ = ( R+ jωl) ( G+ jωc) (7.7) kjer je: - γ = konstanta širjenja, - β = konstanta vrtenja, - L = induktivnost, - C = kapacitivnost. Ker pri enosmernem toku nimamo frekvence, nam v gornji enačbi odpadejo vsi elementi, razen upornosti in prevodnosti. Tako dobimo enačbo za faktor dušenja premega ozemljila tirnice: G R t kjer je: - G = prečna odvodnost železniške proge v S / km. -1 α = (km ) (7.8) Prečna odvodnost železniške proge G se običajno giblje med 0,1 S / km in 5 S / km, ki je tem nižja, čim bolj čista je gramozna greda in čim slabše prevodno je osnovno zemljišče. Pri močno zablateni in s kemikalijami prepojeni podlagi ter dobro prevodnem osnovnem zemljišču je prečna odvodnost železniške proge lahko tudi višja od 5 S / km. Vzemimo primer enotirne elektrificirane železniške proge, kjer se električno vlečno vozilo nahaja na sredini med dvema ENP (slika 7.1). Ker se povratni tok zaključi od vlečnega vozila proti vsaki ENP, je celotna razdalja ozemljila tirnic 30 km. Najprej izračunamo faktor dušenja premega ozemljila tirnice po enačbi 7.8, kjer vzemimo odvodnost proge 0,1 S / km in upornost tirnic 0,016 Ω / km (poglavje 7.3): -1 α = 0,1 0, 48 = 0,04 km Po enačbi 7.6 izračunamo procent blodečih enosmernih tokov po zemlji: I b 0,04 30 = 100 (1 1 th ) = 53,7 % 2 Iz rezultata vidimo, da teče 53,7 % povratnega toka nazaj v ENP po zemlji namesto po tirnicah. Ker je napajanje vlečnega vozila dvostransko, se polovica teh tokov razdeli med obema ENP. Na dvotirni elektrificirani železniški progi je celoten procent blodečih tokov zaradi dvakrat večjega števila tirnic manjši (na razdalji 30 km pri odvodnosti proge 0,1 S / km znaša pod 40 %). Na sliki 7.6 je prikazana relativna odvisnost blodečih enosmernih tokov od razdalje proge oziroma od razdalje med električnim vlečnim vozilom in med ENP. Iz slike je razvidno, da 44

48 procent blodečih tokov s povečanjem razdalje narašča in lahko v najbolj neugodnem zemljišču in gramozni gredi doseže tudi 100 % ENOTIRNA DVOTIRNA Is (%) Ib (%) L (km) L (km) Slika 7.6: Relativna odvisnost I b (%) od dolžine proge Na sliki 7.7 so grafično prikazani štirje primeri blodečih tokov pri različnih prečnih odvodnostih železniške proge (0,1 S / km, 0,5 S / km, 1 S / km in 5 S / km). 45

49 Gg = 0,1 S / km 0,1 S enotirna proga dvotirna proga Gg = 0,5 S / km 0,5 S enotirna proga dvotirna proga Ib (%) 30 Ib (%) L (km) L (km) enotirna proga dvotirna proga Gg 1 S = 1 S / km 70 Ib (%) L (km) Ib (%) 60 enotirna proga dvotirna proga Gg 5 = S 5 S / km L (km) Slika 7.7: Absolutna odvisnost I b (%) od dolžine proge 7.5 Numerični izračun blodečih tokov na enosmerni železnici Prisotnost blodečih povratnih tokov na enosmerni železnici 3000 V lahko potrdimo tudi z numeričnim izračunom. Na sliki 7.8 je prikazan 3D model železniške proge za numerični izračun tokovnega polja z metodo končnih elementov v programu Elefant. Na sliki so z rdečo barvo prikazane tirnice, s sivo barvo je prikazana gramozna greda in z modro barvo osnovno zemljišče. Pri izračunu so upoštevani naslednji parametri: - dolžina proge = 3 km, - specifična upornost grede = 5000 Ω m, - specifična upornost zemlje = 50 Ω m, - izračun je opravljen za enotirno progo. 46

50 Slika 7.8: Struktura železniške proge v 3D obliki Slika 7.9 prikazuje prisotnost tokovne gostote v okolici tira po opravljeni simulaciji: Slika 7.9: Tokovno polje v okolici železniškega tira 47

51 7.6 Simulacija blodečih tokov na enosmerni železnici v programu Simulink V programu Matlab Simulink lahko opravimo zelo točno simulacijo enosmernih blodečih tokov na enosmerni železnici, pri čemer uporabimo naslednje parametre: - razdalja med dvema ENP je 30 km, - na sredini med obema ENP je električno vlečno vozilo, - moč električnega vlečnega vozila je 3 MW, - specifična upornost gramozne grede je 5000 Ω m, - specifična upornost zemlje je 50 Ω m, - imamo primer enotirne proge. Model nadomestnih uporov enotirne elektrificirane železniške proge na osnovi izračunov iz poglavja 7.3 je prikazan na sliki 7.11: 15 km 15 km vozni vod 0,34 Ω vozni vod 0,34 Ω ENP 1 lokomotiva 3 MW ENP 2 tirnice 0,24 Ω tirnice 0,24 Ω greda + zemlja 1,3 Ω greda + zemlja 1,3 Ω Slika 7.11: Model nadomestnih uporov enotirne elektrificirane železniške proge Po opravljeni simulaciji dobimo prikazane rezultate na simulacijski shemi na sliki 7.12: 48

52 tok v vodniku tok v vodniku 1 tok v lokomotivi tok v tirnicah tok v tirnicah 1 blodeči toki levo blodeči toki desno Slika 7.12: Simulacijska shema v Simulinku 7.7 Ukrepi za zaščito objektov pred blodečimi toki Za zaščito objektov pred blodečimi toki sta možni pasivna zaščita in katodna zaščita. Pasivna zaščita kovinskih objektov (napeljav) pred škodljivim vplivom blodečih tokov obsega: 1. izoliranje od železniških tirov in z njimi povezanih kovinskih delov, 2. odmik od železniških tirov in z njimi povezanih kovinskih delov, 3. izoliranje proti zemlji. Pri kablih pomeni to uporabo kablov z zunanjim izoliranim plaščem na bazi termoplastične mase, pri kovinskih cevovodih pa preobleko cevovoda z izolirano plastjo na bazi bitumena, termoplastične mase ali umetne smole. Pri uporabi bitumena ni dopustna uporaba jute kot nosilnega sloja, ker je juta hidroskopska, razen tega postane bitumen po preperetju jute porozen. Katodna zaščita se lahko uporabi kot samostojni zaščitni ukrep ali pa v kombinaciji s pasivno zaščito. Za objekte, ki jih ogrožajo blodeči toki, pridejo v poštev naslednji tipi katodne zaščite: 1. odvajanje blodečih tokov (drenaža), 2. usmerjeno odvajanje blodečih tokov (usmerjena drenaža), 3. odsesavanje toka (sutiraža), 4. sistem tujih anod, napajanih preko usmernika. Cilj vseh naštetih ukrepov je enak: doseči, da se blodeči toki, ki jih prevajajo določeni objekti, ne bodo vračali k svojemu izvoru preko zemlje, temveč preko kovinske zveze ali posebej v ta namen umetno ustvarjenega sistema tujih anod. Zaščita pred blodečimi toki je dosežena, ko je potencial ogroženega objekta proti zemlji z izjemno eventuelnih kratkotrajnih 49

53 sunkov trajno negativnejši ali vsaj enak potencialu, ki ga ima objekt, če ni vpliva blodečih tokov. Ob določenih pogojih je mogoče s pomočjo katodne zaščite doseči istočasno zaščito objekta pred blodečimi toki in pred agresivnim zemljiščem. V ta namen je potrebno trajno znižati potencial ogroženih objektov proti zemlji na vrednost, ki znaša: za železo - 0,85 V ali manj, za svinec 0,6 V do 2,0 V, za baker - 0,15 V ali manj in aluminij - 1,0 V do -1,2 V (vse na bazi meritve z nasičeno Cu CuSO 4 merilno elektrodo). Drenaža je najpreprostejši način zaščite proti blodečimi toki. Obstoji v tem, da se ogroženi objekt poveže s pomočjo izoliranega kabla s točko tirnic, ki ima trajno negativnejši potencial kot zemljišče, v katerem se nahaja zaščiteni objekt. S tem se doseže, da ima ščiteni objekt nižji potencial od zemljišča tako, da blodeči tok po vsej površini samo vstopa vanj in nato odteka preko drenažnega voda v tirnice. Z vgraditvijo upora v drenažni vod je mogoče vplivati na višino zaščitnega potenciala in drenažnega toka, kar vidimo na sliki ŠČITENI OBJEKT Slika 7.13: Drenaža Usmerjena drenaža se razlikuje od običajne drenaže v tem, da je v drenažni vod vgrajen usmernik. Usmerjena drenaža pride v poštev pri dvo ali več stransko napajanih odsekih proge, kjer potencial tirnic pogosto spreminja razen višine tudi polariteto in tako ni dosegljiva točka tirnic s trajno dovolj nizkim potencialom. Namen usmernika je v tem, da prepreči, da bi pozitivni polariteti tirnic tok odtekal preko zaščitenega objekta v zemljo in s tem ogrožal zaščiteni objekt (slika 7.14). USMERNIK ALI POLARIZIRAN RELE ŠČITENI OBJEKT Slika 7.14: Usmerjena drenaža Sutiraža je v principu usmerjena drenaža, ki ima v drenažni vod vgrajen iz omrežja napajan usmernik, ki skrbi za odvajanje toka iz zaščitenega objekta v tirnice (slika 7.15). 50

54 Priključek usmernika je izveden tako, da je njegov pozitivni pol vezan na tirnice, negativni pol pa na ščiteni objekt. S primerno nastavitvijo toka usmernika je mogoče znižati potencial ščitenega objekta toliko, da je povsod nižji od potenciala okoliških tal in tirnic. To se pravi, da enosmerni tok povsod samo vstopa v ščiteni objekt in ga nato usmernik nekako odsesava v tirnice. V bistvu gre za kompenzacijo oziroma prekompenzacijo pretoka blodečih tokov v ščitenem objektu z nekim tujim, v nasprotno smer usmerjenim enosmernim tokom. USMERNIK ~ POMOŽNA NAPETOST + - ŠČITENI OBJEKT Slika 7.15: Sutiraža Brez kakršne koli dodatne regulacije se pri dani nastavitvi usmernika zaradi spreminjanja potenciala tirnic in s tem tudi blodečih tokov spreminja višina potenciala ščitenega objekta in višina kompenzacijskega toka. Z ustrezno prirejeno regulacijo usmerniškega toka oziroma napetosti je mogoče bodisi obdržati konstantno vrednost kompenzacijskega toka, bodisi potencial ščitenega objekta proti zemlji ali pa celo razdeliti sistem zaščite v dva pasova tako, da do neke vrednosti obdrži zaščiteni tok konstanten, od te vrednosti naprej pa je potencial konstanten. Zadnja kombinacija pride v poštev predvsem pri križanjih vplivanega objekta in železniške proge. V primeru, da je železniška proga preveč oddaljena od ogroženega objekta tako, da bi izvedba galvanske povezave objekta z železniško progo ne bila ekonomična, je mogoče uporabiti kot zaščitni ukrep sistem tujih anod, napajanih preko usmernika (slika 7.16). Ker v tem primeru anode korozijsko propadajo, jih je treba primerno dimenzionirati (v ta namen so uporabni n.pr. kosi železniških tirnic, položenih v posteljico iz koksa). Sistem anod mora imeti čim nižjo ozemljitveno upornost, da so stroški obratovanja naprave čim nižji. 51

55 POMOŽNA NAPETOST ~ USMERNIK - + ŠČITENI OBJEKT ANODE Slika 7.16: Zaščita s tujimi anodami Opisani način zaščite je uporaben samo v primerih, ko je potrebna višina zaščitenega toka relativno nizka (n.pr. pri objektih, ki so že ustrezno pasivno zaščiteni). 7.8 Gradnja železniške proge in blodeči toki Vse novo zgrajene in rekonstruirane železniške proge morajo imeti pod gramozno gredo posebno izolacijo, kot prikazuje slika

56 DROG BLODEČI TOKI GRAMOZ TEMELJ ZEMLJA VODA Slika 7.17: Presek enotirne proge Na sliki je prikazana enotirna proga v preseku. Tirnici sta položeni na pragove in vse skupaj na gramozno gredo. Gramozna greda ima na obstoječih progah direkten stik z zemljo, kar pomeni, da vlažnost zemlje močno vpliva na vlažnost grede in s tem posledično na prevodnost gramozne grede. Bolj ko je zemlja vlažna, bolj je gramozna greda prevodna, kar ima za posledico večjo količino blodečih tokov po zemlji. Novejše proge (proge, ki so jih prenovili na SŽ po letu 1995) imajo med gramozno gredo in zemljiščem plastično folijo izolacijo, ki preprečuje pretok vlage iz zemlje na gredo, istočasno pa omogoči hitrejše odvajanje vode iz gramozne grede (na sliki rdeče). Vendar to ne pomeni, da ni sedaj blodečih tokov po zemlji. Blodeči toki še vedno potujejo po zemlji v smeri rumenih puščic na sliki, vendar so zaradi izolacije gramozne grede precej manjši, ker je greda sedaj manj prevodna. 53

57 7.9 Dizel vleka na SŽ in blodeči toki Vse do sedanje obravnave blodečih tokov po zemlji pri nas in v Evropi obsegajo električno vleko. Nihče se pa ne vpraša, da povzroča blodeče toke po zemlji tudi dizel vleka. Na SŽ imamo dizel električne lokomotive, katere imajo vgrajen električni enosmerni generator napetosti 1500 V, ki služi za ogrevanje potniških vagonov. Delovanje je shematsko prikazano na sliki V, 400 kw G Slika 7.18: Dizel lokomotiva in blodeči toki Generator G proizvaja enosmerno napetost, ki oskrbuje električne grelce na potniških vagonih (rdeča puščica). Moč ogrevanja je odvisna od števila vagonov in moči grelcev (povprečno 400 kw pri brzem vlaku in polnem gretju). Tokokrog se potem zaključi nazaj po tirnici v generator ogrevanja na lokomotivi. Ker je pot kratka (dolžina vlaka je največ 700 m) je upornost tirnice v primerjavi z električno vleko (kjer so razdalje velike) mala in lahko pričakujemo, da se bo skoraj ves povratni tok vrnil po tirnici. Dejanske rezultate prikazuje simulacija na sliki Slika 7.19: Dizel lokomotiva in blodeči toki simulacija 54

58 8 ENOFAZNI SISTEM ELEKTRIČNE VLEKE NA SŽ Enosmerni sistem električne vleke 3000 V na SŽ je zelo zastarel in določene države, ki so imele železniške proge elektrificirane s tem sistemom, že prehajajo na enofazni sistem električne vleke. V Italiji, v kateri se je najbolj razširil enosmerni sistem 3000 V, elektrificirajo vse sodobne proge z enofaznim sistemom 25 kv, 50 Hz. Avstrijske železnice imajo enofazni sistem električne vleke 15 kv, 16 2/3 Hz, katerega bo prav tako potrebno zamenjati s sistemom 25 kv, 50 Hz. Prednosti enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz: - priklop ENP na trifazno omrežje brez uporabe statičnih pretvornikov, - manjše število ENP, - večje razdalje med ENP, - enostavnejša izvedba ENP, - manjši obremenitveni toki, - manjši padci napetosti, - manjši preseki vodnikov voznega omrežja, - manjša gostota toka v voznem omrežju, - vračanje energije v omrežje pri električnem zaviranju, - ni blodečih povratnih tokov po zemlji. Ker bo na SŽ leta 2006 pričela obratovati Siemensova trisistemska lokomotiva z vgrajenim sistemom 25 kv, 50 Hz, je smiselno razmisliti o možnostih in realizaciji enofaznega sistema električne vleke 25 kv, 50 Hz. Trisistemska lokomotiva je samo prehodnega značaja zaradi različnih sistemov električne vleke v evropskih državah. Gradijo jih vse evropske železniške industrije zaradi interesov evropske unije po vožnji določenega operaterja iz ene v drugo državo. 8.1 Električna napajalna postaja enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz Na skupni trifazni sistem visoke napetosti se enofazno priključijo ENP, kot prikazuje slika

59 R S T K1 K2 K3 T1 T2 K4 K6 K5 a K8 S b K7 Slika 8.1: Shema ENP enofaznega sistema 25 kv 50 Hz V ENP so na zgornji sliki naslednji elementi: - razvod visoke napetosti preko odklopnikov K 1, K 2 in K 3, - transformatorja za vleko vlakov T 1 in T 2, - odklopniki K 4, K 5, K 6, K 7 in K 8 za dovod transformirane napetosti 25 kv, 50 Hz voznemu vodu. Odklopniki K 4, K 5, K 6, K 7 in K 8 na sekundarni strani transformatorja istočasno služijo za kombinirane vezave transformatorjev in voznih vodov na naslednje načine: - K 4 K 5 in K 6 K 7 (vsak transformator posebej napaja svoj del voznega voda; T 1 napaja odsek a, T 2 napaja odsek b), - K 4 K 5, K 8, K 6 K 7 (transformatorja v paralelnem delovanju napajata odsek a in b), - K 4 K 5 in K 8 K 7 (transformator T 1 napaja oba odseka voznega voda), itd. 8.2 Nesimetrija enofaznega priključka Enofazni priključki ENP na trifazno visokonapetostno omrežje predstavljajo neenakomerno razporeditev obremenitev z napetostnimi in tokovnimi nesimetrijami. Tokovna nesimetrija deluje negativno na generatorje v elektrarnah, medtem ko je napetostna nesimetrija škodljiva za ostale potrošnike priključene na isto mrežo. Po francoskih kriterijih naj ne bo nesimetrija, ki jo generatorji še prenesejo, višja od 3 do 5 %, po ruskih kriterijih pa od 2 %. 56

60 Slika 8.2 prikazuje poenostavljeno vezje za priključek elektrificirane proge na splošno trifazno omrežje. V ta namen je vozni vod v ENP in v sredini med obema ENP izolirano prekinjen (mrtvi vod). Sicer pa so ENP menjaje priključene na eno fazo splošnega omrežja z namenom, da po možnosti izenačijo fazno obremenitev faza 12 faza 23 faza 31 mrtvi vod vozni vod mrtvi vod tirnica Slika 8.2: Enofazni priključek ENP z zaporednim menjavanjem faz Nevšečnosti nesimetrične obremenitve trifaznega omrežja lahko zmanjšamo s tako imenovanim»v«vezjem, kar prikazuje slika 8.3. Popolno simetrijo dosežemo s tem vezjem le v primeru, če sta obe strani transformatorja enako obremenjeni, to pomeni, da imamo na obeh straneh ENP enako obremenitev. Seveda je le redko kdaj doseženo, da bi vlaki na obeh straneh ENP potrebovali enako moč Slika 8.3:»V«izvedba transformatorja v ENP Slika 8.4 prikazuje Scottovo vezavo dveh enofaznih transformatorjev, ki približno enakomerno obremenjujejo trifazno omrežje Slika 8.4: Scottova vezava enofaznih transformatorjev Račun nesimetrije, ki jo povzroči skupina ENP v zaključenem električnem omrežju, je zelo zapleten. Zahteva: - Možnost določitve obremenitev ENP v vsakem trenutku, - Poznavanje vseh električnih karakteristik visokonapetostnega omrežja v vsakem trenutku. 57

61 To so pa pogoji, ki jih v praksi skorajda ni mogoče doseči. 8.3 ENP enofaznega sistema na elektrificiranih progah SŽ Trenutno imamo pri obstoječem enosmernem sistemu elektrifikacije železniških prog na SŽ 18 ENP, katerih povprečna medsebojna oddaljenost je 30 km. Moč ene ENP je največ 6,8 MW in ker imamo dvostransko napajanje, je skupna moč med dvema ENP največ 13,6 MW. Glede na moč naše najmočnejše lokomotive pomeni to zmogljivost napajanja približno petih lokomotiv pri polni vlečni sili. Hrvaške železnice imajo za enofazni sistem 25 kv, 50 Hz ENP postavljene tako, da napajajo odseke do razdalje največ 70 km. Moč njihovih ENP je približno 18 MW, moč najmočnejše lokomotive pa 4,5 MW. To pomeni, da lahko ena ENP napaja štiri lokomotive pri polni moči. Pri menjavi enosmernega sistema na SŽ z enofaznim sistemom 25 kv, 50 Hz je potrebno upoštevati naslednje: - moč tri sistemskih Siemensovih lokomotiv, ki je 6,3 MW, - gostoto prometa na določeni progi, - zahtevnost posameznih prog. Z ozirom na zahtevane pogoje potrebujemo na SŽ za enofazni sistem električne vleke 25 kv, 50 Hz 6 ENP, kar vidimo na sliki 8.5. ŠPILJE MUNCHEN LJUTOMER ENP 48 POLJČANE ENP BENETKE KOPER DIVAČA ENP 9 45 LJUBLJANA PIVKA ENP 24 ENP ENP ZIDANI MOST 49 ZAGREB RIJEKA Slika 8.5: Razporeditev ENP enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz na elektrificiranih progah SŽ 58

62 Na sliki 8.5 vidimo preprost prikaz razporeditve vseh šestih ENP. Vozni vod je iz vsake ENP napajan enostransko. Vsi vozni vodi so med seboj ločeni z mrtvim vodom, kar je na sliki prikazano z rdečo barvo. Upoštevana je tudi proga iz Pragerskega proti Hodošu, ki še trenutno ni elektrificirana. ENP v Divači pokriva samo 54 km elektrificiranih prog, 9 km proti Sežani in 45 km proti Kopru. Razlog je v izgradnji drugega tira iz Kopra proti Divači in v izredno težavni progi z vzponom 26. V tabeli 8.1 so prikazani podatki o moči in razdalji voznega omrežja, ki ga napaja vsaka ENP iz slike 8.5. Tabela 8.1: ENP enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz na SŽ MOČ ENP ŠTEVILO MESTO ENP (MW) TRANSFORMATORJEV RAZDALJA ODSEKOV 48 km proti Hodošu 1 LJUTOMER km proti Pragerskem 47 km proti Šentilju 2 POLJČANE ZIDANI MOST LJUBLJANA PIVKA DIVAČA km proti Z. mostu 49 km proti Dobovi 64 km proti Ljubljani 64 km proti Jesenicam 67 km proti Postojni 13 km proti Postojni 24 km proti Divači 50 km proti Rijeki 9 km proti Sežani 45 km proti Kopru 8.4 Vozno omrežje enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz Preseki voznega omrežja na elektrificiranih progah s sistemom 25 kv, 50 Hz so bistveno manjši od presekov voznega omrežja na elektrificiranih progah z enosmernim sistemom 3000 V. Presek voznega omrežja na elektrificirani progi določa gostota toka, ki lahko znaša v bakrenem voznem vodu 4 A / mm 2. Z ozirom na moč tri sistemskih lokomotiv 6,3 MW v enofaznem načinu delovanja 25 kv, 50 Hz bi morali na dosedanjih progah, elektrificiranih z enofaznim sistemom, povečati preseke vodnikov, na progah z enosmernim sistemom 3000 V pa lahko ostanejo preseki isti za primer prehoda na enofazni sistem. To pomeni, da ostanejo na SŽ naslednji preseki voznega omrežja: - na enotirni progi = 510 mm 2, - na dvotirni progi = 320 mm 2. Pri voznem omrežju sistema 25 kv, 50 Hz moramo poleg ohmske upornosti upoštevati še induktivno upornost. Glede vrednosti kilometrske impedance vlada precejšnja negotovost. Pri 59

63 enakem preseku bakra koleba impedanca glede na dispozicijo raznih sestavnih delov voznega voda, nadalje koleba glede na sestavo tal, nanjo vplivajo tudi sosednji tiri, sistem signalizacije, ki uporablja eno od obeh tirnic itd. Vrednost impedance se ustali na dolžini približno 10 km. V tabeli 8.2 so izmerjene vrednosti kilometrskih impedanc, ki so jih izmerile francoske železnice. Tabela 8.2: Kilometrske impedance zanke vozni vod - zemlja KILOMETRSKA IMPEDANCA ZANKE VOZNI VOD Vozni vod SNCF, ZEMLJA (Ω) nosilna žica bron 65 mm 2, ekvivalent 41 Enotirna proga (en vozni vod + en tir) Dvotirna proga (2 vozna voda + 2 tira) mm 2 baker; kontaktni vod 100 mm 2 iz bakra. pri 16 2/3 Hz pri 50 Hz 0,14 + j 0,155 = 0, ,17 + j 0,46 = 0, ,075 + j 0,095 = 0, ,09 + j 0,28 = 0, Faktor moči enofaznih lokomotiv Faktor moči cos φ lokomotiv ima velik vpliv na izgube v voznem omrežju. Pri enofaznih lokomotivah 50 Hz z direktnimi enofaznimi motorji 50 Hz v bližini maksimalne hitrosti znaša faktor moči več kakor 0,9, ne znaša pa več kakor 0,8 pri 50 % maksimalne hitrosti in nato pade na 0,6 pri 20 % maksimalni hitrosti lokomotive. Usmerniška lokomotiva ima v nasprotju s tem faktor moči, ki je neodvisen od hitrosti in ki ostane v vrednostih od 0,80 do 0,85 po vsem hitrostnem območju. Trisistemska Siemensova lokomotiva s tranzistorskimi pretvorniki in s trifaznimi asinhronskimi motorji ima faktor moči v enofaznem načinu delovanja pri vseh hitrostnih območjih nad 0, Izračun padcev napetosti v voznem omrežju 25 kv, 50 Hz Na elektrificiranih železniških progah z enofaznim sistemom 25 kv, 50 Hz je dopusten znaten padec napetosti in lahko koleba v naslednjih mejah: V = trenutni minimum, ki ne sme presegati 2 minuti V = najnižja, V = nazivna, V = najvišja, V = trenutni maksimum, ki ne sme presegati 5 minut. Pri izračunu padca napetosti je potrebno upoštevati največjo razdaljo voznega omrežja, ki jo ENP oskrbuje. Iz slike 8.5 vzemimo to razdaljo 70 km. Poleg tega je potrebno upoštevati obremenitvene toke vlečnih vozil. Vzemimo trisistemsko Siemensovo lokomotivo (slika 3.1), katere tokovna karakteristika v enofaznem delovanju 25 kv, 50 Hz je prikazana na sliki

64 , I (A) 0 VLEKA ZAVIRANJE , v (km/h) Slika 8.6: Tokovna karakteristika Siemensove lokomotive v sistemu 25 kv, 50 Hz Iz diagrama na sliki 8.6 vidimo, da lahko Siemensova lokomotiva v enofaznem sistemu doseže največji tok pri vleki in zaviranju 283,5 A. Vendar moramo upoštevati dejstvo, da bomo ta tok dosegli le tedaj, ko bo lokomotiva obratovala pri polni vlečni sili in pri največjih vzponih. Na sliki 8.7 je prikazana preprosta shema za izračun padcev napetosti pri obratovanju treh Siemensovih lokomotiv pri polni moči. ENP km 20 km 30 km 0,3 S 0,3 S 0,2 S 285 A cos φ = 0,9 285 A cos φ = 0,9 285 A cos φ = 0,9 Slika 8.7: Enostransko napajanje treh vlakov v enofaznem sistemu 25 kv, 50 Hz Na zgornji sliki vidimo enostransko napajanje treh Siemensovih lokomotiv z obremenitvenim tokom 285 A in s faktorjem moči 0,9. Celotni odsek voznega omrežja je 70 km. Tvorimo matriko napetosti ENP: U N = V Tvorimo matriko obremenitvenih tokov vlečnih vozil: z cos φ = 0,9: 61

65 I O 285 0,9 = 285 0, ,9 A Na osnovi prevodnosti tvorimo vozliščno admitančno matriko z upoštevanjem parametrov omrežja iz tabele 8.2 in presekom voznega omrežja 320 mm 2 : 0, 6 0,3 0 Y = 0,3 0,5 0, 2 S 0 0,2 0,2 Sedaj lahko izračunamo, kolikšna je napetost na odjemnikih toka posameznih treh lokomotiv po enačbi 5.1: U V = V Rezultati pokažejo, da je na razdalji 70 km od ENP napetost padla pod V, kar je po predpisih popolnoma zadovoljivo. Jasno je tudi, da tri lokomotive nikoli ne bodo v istem trenutku vse obratovale s polno močjo. To pomeni, da lahko ENP enofaznega sistema 25 kv, 50 Hz moči 30 MW napaja progovne odseke razdalje 70 km z obremenitvenimi toki, ki jih povzroči Siemensova 6 MW lokomotiva. 8.7 Pogoji vožnje na elektrificiranih progah sistema 25 kv, 50 Hz Iz slik 8.2, 8.3, 8.4 in 8.5 vidimo, da je med posameznimi fazami mrtvi vod. Mrtvi vod je izoliran z namenom preprečitve faznega stika. Na sliki 8.5 so pri razporeditvi vseh šestih ENP na SŽ prikazani mrtvi vodi v rdeči barvi. Pri projektiranju voznega omrežja sistema 25 kv, 50 Hz je glede tega potrebno upoštevati naslednje: - mesto vgradnje mrtvega voda (kjer ni speljav vlakov), - hitrost vožnje vlakov (dolžina mrtvega voda), - rešitev pri slučajni ustavitvi električnega vlečnega vozila pod mrtvim vodom. V tem primeru mora strojevodja ustrezno ravnati z odjemniki toka in z glavnim odklopnikom na lokomotivi. Preko mrtvega voda lahko vozimo samo z enim dvignjenim odjemnikom toka in z izključenim glavnim odklopnikom. Mesto pred mrtvim vodom je za strojevodjo označeno s signalom, ki ga prikazuje slika 8.8. Začetek mrtvega voda je označen s signalom na sliki 8.9 in pomeni, da moramo na tem mestu že imeti izključen glavni odklopnik. Na koncu mrtvega voda lahko vključimo glavni odklopnik, kar je označeno s signalom na sliki

66 Slika 8.8: Signalni znak 43: "Pripravi se za izklopitev glavnega stikala" Slika 8.9: Signalni znak 44: "Izklopi glavno stikalo" Slika 8.10: Signalni znak 45: "Vklopi glavno stikalo" 63