DA BESLEMELİ RAYLI SİSTEMLERDE ARAÇ AKIMININ RAY TOPRAK GERİLİMİNE ETKİSİNİN ANALİZİ

Transkript

1 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, * İlhan KOCAARSLAN b a, * İ.B.B. Avrupa Yakası Raylı Sistem Müdürlüğü, İstanbul, Türkiye, taciddin.akcay@ibb.gov.tr b İstanbul Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye, ikarslan@istanbul.edu.tr 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 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 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 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.

2 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

3 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. R 1 R 3 Istasyon 1 R 2 R 4 Istasyon 2 Vd 1 TREN 1 TREN 2 Vd 2 R 5 1 R 7 RT 1 RT 2 R 6 R 8 2 R a R b R c R d 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; R5- R7 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)

4 Güç ( kw ) 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 A civarındadır Aracın Güç-Hız Grafiği Hız (Km / Saat ) Şekil 2 : Metro Aracına Ait Hıza Bağlı Güç Eğrisi Grafikte görüldüğü üzere araç ilk kalkış anında 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., , metrelerde araç olduğunu ve aracın hızlarının yaklaşık km/sa ve 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. Continuous powergui Istasyon 1 Istasyon 2 Vd 1 TREN 1 TREN 2 TREN 3 Vd 2 Şekil 3 : Devre Modeline Ait Simulink Diyagramı

5 Ray-Toprak Gerilimi ( V ) Hat Voltajı ( V ) Ray-Toprak Gerilimi ( V ) AKÇAY, T. and KOCAARSLAN, İ. 15 Ray-Toprak Geriliminin Değişimi Konum ( m ) 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 Metrede 15 V ile almaktadır Hat Geriliminin Değişimi Konum ( m ) Şekil 5 : 10 km/sa Durumunda Hat Geriliminin Değişimi Şekil 5 de araçların oluşturduğu maksimum gerilim düşümü Metrede gerçekleşmiş olup hat gerilimi minimum değerini Metredede 1435 V olarak almaktadır. 40 Ray-Toprak Geriliminin Değişimi Konum (m) Şekil 6 : 40 km/sa Durumunda Ray-Toprak Gerilim Grafiği

6 Hat Voltajı ( V ) 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 Konum ( m ) 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 [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 [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.

7 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