DA TAHİKLİ AYL LAŞM SİSTEMLEİNDE AY-TOPAK GEİLİMİNİN İNCELENMESİ Kerim ÇOLAK M Haka HOCAOĞL Mühedislik Fakültesi GebzeYüksek Tekoloji Estitüsü, 44, Gebze KOCAELİ e-osta: kerim_colak@yahoocom e-osta: hocaolu@yteedutr Aahtar sözcükler:aylı ulaşım, Sızıtı Akımı, Dokuma erilimi ABSTACT Oe of the most imortat roblems faced i the electrified railway systems is the stray currets ad related touch otetials Currets which are deviated from their iteded ath are termed as the stray currets this aer, the stray currets ad related rail otetials are calculated for a sile fed DC railway system Aalytical formulae for the roblem are determied by taki ito accout roer boudary coditios for a sile fed system Preseted aalytical formulae have show close areemet with the umerical solutios which have bee imlemeted by usi distributed arameters aroach Develoed formulae are alied to a real railway system esults have show that earthi resistace of the system has a reat ifluece o the maitude of stray currets ad related rail otetials GİİŞ aylı taşımacılık üç besleme sistemleri üç kısımda oluşmaktadır Bular tahrik sistemi trafo merkezleri (TTM, idiş devresi ve döüş devresidir (Şekil TTM de AA iriş erilimi idirilerek doğrultuldukta sora DA erilim elde edilmektedir Araçları artı beslemesi idiş devresi üzeride yaılmakta olu idiş iletkei olarak kateer hattı yada ray kullaılmaktadır ay, ray bağlatı kabloları ve döüş kablosu da döüş iletkei olarak kullaılmaktadır Araç hareket halide ike belirli bir akım çekmektedir aylı ulaşım sistemleride ray-torak arası solu direç akımı bir kısmıı döüş yolu yerie torak veya torağa ömülü metalik yaı üzeride akmasıı sağlayacaktır ay-torak yolu üzeride aka bu akıma sızıtı akımı veya kaçak akım (Stray Curret deilmektedir Bu akım sebebiyle dokuma erilimi ve ray otasiyeli olarak bilie bir erilim yükselmesi oluşur [] Herhai bir arıza durumuda kaçak akım ve dokuma erilimi değerleri yüksek değerlere çıkmaktadır Sızıtı akımı ve bu akım dolayısıyla oluşa dokuma erilimii meydaa etirdiği roblemleri idermek kolay değildir Öreği ray torak arası izolasyou büyük olması dokuma erilimii büyük, kaçak akımı ise küçük olmasıa ede olur 5 yıllık bir ömür içi tasarlaa rayları kaçak akımları etkisi ve rayda oluşa çatlaklar edeiyle yedi yıl içeriside değiştirilmesi erektiği örülmüştür [] Bu çalışmada toraklama sistemlerii kaçak akım ve dokuma erilimi üzerideki etkileri aalitik ve ümerik olarak icelemiştir Bir elektrikli ray taşıma sistemi içi temel tahrik besleme sistemi oldukça basittir Tiik olarak alt istasyolar 65VDA veya VDA erilim seviyeside olu trei büyüklüğüe ve araç sayısıa bağlı olarak A de 8A e kadar akım verebilmektedir TTM tree ide tahrik eerjisii düşüre üç beslemeleri arasıdaki büyük erilim düşmelerii ölemek içi km arayla dizay edilirler Bir üç beslemesi eatif döüş yolu erektirdiğide iki taşıyıcı ray akımı eriye döüşü içi kullaılır TTM Korozyo ray Yer altıdaki yaı Döüş iletkei Şekil : aylı taşıma üç besleme sistemi Taşıyıcı ray üzerideki erilim düşümüü azaltılmasıı yolu taşıyıcı döüş ray direcii düşürülmesidir Döüş ray devresi direcii düşürülmeside kullaıla üç tedbir vardır [] Bular: ay boyutuu veya kesitii arttırılması yu rayda raya bağlatıları sağlaması Tahrik besleme istasyoları arasıdaki mesafei kısa tutulması Şeklide sıralaabilir Buü taşıma sistemleride rayı bir metresi 4-55k elmekte ve bu ağırlıktaki rayı kesiti akım içi yeterli bir döüş direcii sağlamaktadır Ayrıca ray kesitii istediğimiz kadar arttırmakta elimizde değildir İkici öemli tedbir, taşıyıcı ray direcii eatif akım döüşü içi sürekli bir elektriksel yol oluşturacak kadar düşürülmesidir Bu yei işa edile taşıma hatlarıda stadart uyulama ola sürekli kayaklı raylar kullaılarak yada hattı ayrı seksiyoları arasıda kayaklı kablo bağları kullaılarak oluşturulabilir So metot kesik ray uzuluklarıa sahi eski sistemler üzeride ve makas böleleri, döüş alaları ibi özel ray hattı böleleride faydalıdır Ek olarak iki taşıyıcı rayı her 5-m de bir çaraz bağlaması kayaklı ve kablo bağlatılı taşıyıcı rayları direcii daha da düşürür Neatif döüş devresii direcii düşürülmesi içi üçücü tedbir tahrik besleme istasyoları arasıdaki mesafeyi düşürmektir Bu ozitif besleme ve eatif döüş devresi uzuluğuu düşürür Böylece erilim
düşümü azalır Kaçak akım yolu kısalarak eliği düşürülür Buü yei taşıma sistemleri tahrik besleme trasformatörleri 5-km aralıklar ile yerleştirilmektedirler Tahrik besleme trafolarıı sıklığı kaçak akımı azaltmaı yaıda ek faydalar sağlar Bu durumda besleme oktaları yolcu istasyolarıa da yakı olacaktır Trei eroda harekete başladığı zama maksimum akımı çekecektir Tre ile besleme oktası arası mesafe kısa olacağıda erilim düşümü fazla olmayacaktır [] Kaçak akımı büyüklüğü rayları toraklaı toraklamaması ile de doğruda ililidir aylar doğruda toraklaacağı ibi bir diyot üzeride de toraklaabilirler Toraklama sızıtı akımıı artırırke ray-torak ve dolayısıyla dokuma erilimii düşürecek yöde etki yaacaktır Toraklamış sistemlerde doğrultucu üitei eatif barası direkt olarak toraklama barasıa bağlamıştır Taşıyıcı raylar üzeride de yalıtım yoktur Bu şekilde bir sistemde sızıtı akımı hiçbir kısıtlama olmaksızı eatif bara ile yer altıdaki metalik yüzeyler arasıda akar Toraksız sistemlerde torak ile eatif bara arasıda metalik bir bağlatı yoktur Teoride ray kısadevrelerii oluşmasıa izi verilmediği müddetçe kaçak akımlar düşük olmalıdır Toraksız sistemleri dezavatajı latform ile torak arasıda isa hayatı içide tehlike oluşturabilecek erilim farkıı oluşmasıdır Diyot toraklı sistemler, toraklamış sistemlerdeki korozyo etkisii, toraklamamış sistemlerde de ray erilimi roblemii azaltmak içi kullaılmaktadır Diyot toraklı sistemlerde diyot doğrultucuu eatif barası ile trafo merkezii toraklama barasıa bağlamıştır Diyot devresi ray-torak arası erilim belirli bir erilim seviyesie ulaşıldığı zama torakta eatif baraya doğru akım akmasıa izi verir Diyot toraklı sistemlerde ray-torak arası direci yüksek olması içi erekli tedbirler de alımaktadır ay torak arası bulua diyot erilim seviyesi aşıldığı zama döüş rayları toraklamış olur[4] Sistemi aalitik olarak icelemesi Şekil de tek tarafta beslee bir tahrik sistemi örülmektedir ay her iki tarafta da direci ile toraklamıştır ve tre TTM de ı akımıı çekmektedir Kateer TTM Tre Şekil : Hattı tek tarafta beslemesi P P P x l l burada; P : TTM i buluduğu okta P (l : trei buluduğu okta P (l: hat sou : hat başıdaki ray erilimi : trei buluduğu oktadaki ray erilimi : hat soudaki ray erilimi P -P bölesi içi kouma bağlı akım ve erilim ( ve ( ile P -P bölesi içi ise ( ve (4 de hesalaabilir [, 5] i( x ce + ce ( v x ( c e c e ( ( i( x ( ce v( x ( ce c4e (4 Burada; γ G rooasyo sabiti (m - G ay iletkeii karakteristik direci (Ω ay direci (Ωm - G ay torak arası kaçak iletkelik (Sm - Burada c, c, c, c 4 sabitleri özel sıır koşullarıa öre belirlemektedir P oktası içi sırasıyla ( ve ( deklemleri, + c c (5 ( c c (6 P oktası içi akım deklemi, + (7 olarak buluur P oktasıı erilimi (8 olarak yazılır (5, (6 ve (7 deklemleride; ( k c + ( + k c (9 olarak elde edilir Burada k / ` dir P oktası içi sırasıyla ( ve (4 deklemleri yazılırsa ce ( ( ce c4e ( P oktası içi sırasıyla akım ve erilim deklemi yazılırsa + ( ( (, (, ( ve ( deklemleri kullaılarak ( + k e c + ( k c4e (4 elde edilir P oktasıdaki akım deklemi
+ (5 olarak yazılır P oktası içi ( ve ( deklemi sırasıyla e c (6 ce + ce (7 olarak yazılır (5, (6 ve(7 deklemleride γ l e ( c c + e ( c c 4 (8 olarak buluur P oktasıı erilimi ( ve (4 deklemleri içi ayı olacağıda eşitlik γ l e ( c c e ( c c 4 (9 olarak yazılabilir (8 ve (9 deklemide; c c + e / ( c4 c + e / ( olarak buluur ( ve (, (4 deklemide yerie yazılırsa; k / ( + k e c + ( k ce (9 ve ( deklemleride ; c c ( [ ( k e + ( + k k / ] ( l [( + k e γ ( k k / ] (4 olarak hesalaır Burada; k ( k ( k e ( + k ( + γ γ l l + ( k e ( + k e dir l l l, k e Sistemi Nümerik Olarak İcelemesi: Sistemi ümerik olarak modellemesi içi raylar kaskad bağlı elemalar şeklide österilir (Şekil Bu devrede her bir düğüm oktası içi akım bağıtısı yazılarak admitas matrisi ve akım matris oluşturulur Admitas matrisii tersi ile akım matrisii çarımı bize ray üzerideki erilim dağılımıı verecektir Tre r : ay direci (ohm/m : ay torak arası kaçak iletkelik (S/m : Toraklama direci (ohm L : Hattı uzuluğu : Nokta sayısı x L/(- birim uzuluk : Birim uzuluğa karşılık ele ray direci (ohm G : Birim uzuluğa karşılık ele ray torak arası kaçak iletkelik (S Admitas matrisi oluşturulurke deklemler ray hattıı başıda ve souda, trei buluduğu oktada farklılık österecektir diğer oktalardaki akım deklemleri ayı olacaktır Bua öre akım deklemleri yazılırsa; okta içi akım deklemi; t + ( + olarak yazılır okta içi akım deklemi ise; ( ( + G (5 (6 Aracı buluduğu m oktası içi akım deklemi ; t ( + ( m+ m m m m m+ m + mg (7 olarak yazılır Hat soudaki oktası içi akım deklemi ; ( + + G + (8 olarak yazılır Akım ve erilim arasıdaki bağıtı; [] [ Y ][ ] (9 olduğuda ray üzerideki erilim dağılımı; [ ] [ Y] [ ] ( deklemiyle buluabilir Her bir düğüm oktası içi oluşturula deklemlerde admitas matrisi; t t m - G G G G G G G Şekil : Sistem modeli Burada; + Y + ( (
şeklide yazılır Akım matrisi ise t ( t olarak yazılır ( 4 Simülasyo Souçları ve Aalizi: Aksaray' da Yeibosa' ya kadar hattı uzuluğu 85km' dir 8 adet TTM de 45kV şebeke erilimi idirildikte sora doğrultularak 75VDA elde edilmektedir Bu üzerah boyuca bir metro aracıı çektiği akım Şekil 4 de verilmiştir AKM (A M K A 8 6 4 - -4-6 -8-4 5 6 7 8 9 ZAMAN (s/ Şekil 4: Metro aracıı akım zama rafiği Akımı ozitif değerleri içi araç motor olarak çalışmakta ve hatta akım çekmektedir Akımı eatif değerleride ise araç eeratör olarak çalışmakta ve hatta akım basmaktadır Bu durum acak aracı beslediği eerji böleside başka bir aracı bu eerjiyi kullaabilmesi durumuda olabilir Eğer herhai bir alıcı yoksa hat erilimi yükseleceğide bu eerji fre direçleride harcaacaktır Akımı ozitif değerleri Aksaray- Emiyet istasyoları arasıda yaıla ti testleride alımıştır Ti testleri sırasıda hatta başka alıcı olmadığıda araç hatta akım basamamaktadır Fakat teorik olarak aracı çektiği eerjiyi aye hatta eri verdiği düşüülerek motor ve eeratör çalışmada akımı mutlak değer olarak birbirie eşit olduğu düşüülmüştür Hattı Aksaray-Emiyet arası yaklaşık 98m dir ve araç iki istasyo arasıı yaklaşık 84s de itmektedir ay direci Ω/km olarak alımıştır ay üzerideki erilim dağılımı motor ve eeratör çalışma içi ayrı icelemiştir Şekil 5 de ray-torak arası direci S/km olması halide değişik toraklama direci değerleri içi aracı eeratör olarak çalışması durumuda ray üzerideki erilim dağılımı österilmiştir (V 8 6 4 - -4-6 ohm ohm ohm ohm ohm -8 4 5 6 7 8 9 Şekil 5: G S/km ike değişik toraklama direci değerleride freleme durumuda ray erilimi dağılımı Toraklama direcii çok küçük olduğu durumda ray üzerideki erilim bir V-V lar mertebesidedir Toraklama direcii Ω olması durumuda erilim 9V lar seviyesie çıkmaktadır Şekil 6 da ray-torak arası kaçak iletkeliği S/km ike eeratör olarak çalışmada ray üzerideki erilim dağılımı örülmektedir 8 6 4 - -4-6 -8 ohm ohm ohm ohm ohm - 4 5 6 7 8 9 Şekil 6: G S/km ike değişik toraklama direci değerleride freleme durumuda ray erilimi dağılımı Şekil 5 ve Şekil 6 ya bakıldığı zama G S/km ve G S/km içi ray erilim dağılımı da fazla bir fark olmadığı örülmektedir Şekil 7 de ray-torak arası kaçak iletkeliği S/km ike motor olarak çalışmada ray üzerideki erilim dağılımı örülmektedir
4 5 6 7 8 9 (V 5 5-5 - -5 ohm ohm ohm ohm ohm Şekil 7: G S/km ike değişik toraklama direci değerleride motor durumuda ray erilimi dağılımı Motor ve eeratör çalışmada hatta ayı akım eçmesie rağme motor olarak çalışmada daha düşük erilim değerleri elde edilmektedir buu sebebi aracı TTM ye daha yakı olması ve erilim düşümüü daha az olmasıda dolayıdır Şekil 8 de ray-torak arası kaçak iletkeliği S/km ike motor olarak çalışmada ray üzerideki erilim dağılımı örülmektedir 5 5-5 - -5-4 5 6 7 8 9 ohm ohm ohm ohm ohm Şekil 8: GS/km ike değişik toraklama direci değerleride motor durumuda ray erilimi dağılımı ay-torak arası kaçak iletkeliği S/km ve S/km değerleri içi motor çalışmada da erilim dağılımıda fazla bir fark olmadığı örülmektedir Şekil 9 da ray üzerideki erilimi aalitik olarak hesalaa erçek souçla ümerik yötemle hesalaa souç arasıdaki fark örülmektedir Hata 5 H ata 5 5 5 4 5 6 7 8 9 Şekil 9: G S/km ve ike freleme durumuda aalitik ve ümerik olarak hesalaa değerler arasıdaki fark Nümerik yötemle bulua çözümü doğruluğu alıa okta sayısıa bağlıdır Şekilde de örüldüğü ibi souçlar arasıdaki fark dikkate alıacak derecede değildir 5 Souç Elektrikli raylı ulaşım sistemleride ray üzerideki erilim dağılımı toraklama sistemie öre değişmektedir Toraklamış sistemlerde erilim dağılımı büyük değildir Yalıtılmış sistemlerde ray üzerideki erilim dağılımı daha büyüktür Ayı akım değerleride TTM de uzaklaştıkça daha yüksek erilimler oluşmaktadır Bir besleme böleside birde fazla araç olabileceği düşüülürse TTM de daha fazla akım çekileceğide erilim değerleri daha yüksek seviyelere elecektir ve isa hayatı içi tehlike oluşturabilecektir Bu edele sistem dizay edilirke istasyoları TTM lere yakı olmasıda fayda olacaktır Bu çalışmada aalitik ve ümerik souçlar arasıda öemli bir fark bulumadığı österilmiştir ay torak erilimii toraklama direci ile değiştiği belirlemiştir Sistemde birde fazla tre olduğu, farklı akımlar çekildiği, hattı birde fazla oktada beslediği durumlar ayrıca iceleecektir ayları bağlatı oktalarıda meydaa elebilecek bir arıza, ray-torak, kateer-ray kısadevreleri ayrıca iceleerek her bir searyo içi hesalaa dokuma erilimi değerleri stadartlarda verile izi verilebilir azami vücut akımı değerleri ile karşılaştırılacaktır KAYNAKLA Lee, CH, Wa, H M: Effects of Groudi Schemes o ail Potetial ad Stray Currets i Taiei ail Trasit Systems, EE Proc Elec Power A Vol48, No, March, 48-54 EE POFESSONAL GOP P (ailway Tractio ad Siali: EE Colloquium o Stray Curret Effects of DC ailway ad Tramways, The EE, Lodo, October 99 EE POFESSONAL GOP P (ailway Tractio ad Siali: EE Colloquium o DC Tractio Stray Curret Cotrol- Offer a stray a ood ohm?, The EE, Lodo, October 999 4 Stray Curret Corrosio i Electrified ail Systems: htt://itiacswuedu/rojects/stray_lithtml Erişim Tarihi (9 A ğ ustos 5 Yu, JG, ad Goodma, CJ: Modelli of rail otetial raise ad Leakae Curret i DC ail Trasit Systems, EE Colloquium o Stray Curret Effects of DC ailway ad Tramways,Lodo, October 99, -6 6 Bahra, K S, Batty, PG: Earthi ad Bodi of Electrified ailways, t Cof O Develomets i Mass Trasit Systems - Aril, 998, 96-