SIMULERINGSRAPPORT HOVEDPLAN ARNA OMFORMERSTASJON I 003 Tredje versjon 30.04.2015 YASA GEBOYV ANJAN 002 Andre versjon 20.02.2015 YASA TAGERI 001 Førsteutkast 15.10.2013 YASA GEBOYV Rev. Revisjonen gjelder Dato Utarb. av Kontr. av Godkj. av Simuleringsrapport Hovedplan Arna omformerstasjon Ant. sider 34 Produsent Prod. dok. nr. Erstatning for Erstattet av Fritekst 1d Fritekst 2d Fritekst 3d Bane Energi Dokument nr. Saksrom: 201407972-6 Rev.
003
SAMMENDRAG Det er tidligere foretatt en simulering av effektbehovet for ny omformerstasjon i Arna i forbindelse med utredningen av Bergensbanen. Denne utredningen forutsatte kl-anlegg med AT-system langs hele Bergensbanen. Imidlertid vil fornyingen av kl-anlegg bli foretatt i faser, slik at det fortsatt vil være BT-system fra Arna til Voss når dobbeltsporettunnel gjennom Ulriken og ny omformerstasjon i Arna settes i drift. BT-systemet har høyere impedans, og det er nødvendig med en tilleggsimulering for å dimensjonere Arna omformerstasjon. Denne studien forutsetter dobbeltspor med AT-system fra Bergen til Arna og enkeltspor med BTsystem resten av strekningen. Det er benyttet ruteplan frem til 2023/27. I henhold til KVU er kapasitetsoptimal ruteplan lagt til på følgende måte: Fremtidig trafikk dimensjonerende ruteplan: Fire tog hver time i hver retning mellom Bergen og Arna To tog hver time i hver retning mellom Bergen og Voss Ét godstog annen hver time i hver retning mellom Bergen - Haugastøl I simuleringen blir Dale omformerstasjon bestykket med to aggregater på 2x5,8 MVA. Det er undersøkt med installert ytelse på 30 MVA og 45 MVA i Arna. Når det ble simulert med en installert ytelse på 30 MVA i Arna nådde stasjonen sin belastningsgrense og dermed havnet i strømsgrense og som har ført til overbelastning av nabo-omformerstasjon (Dale omformerstasjon) utover den installerte ytelsen. Med en slik ytelse i Arna vil utfall av et aggregat i Dale føre til utfall av hele omformerstasjon, som igjen vil føre til Arna omformerstasjon tripper. En har dermed undersøkt med 45 MVA i Arna for å finne den nøyaktige ytelsen som behøves i Arna Simuleringene viser at toppbelastningen på Arna omformerstasjon er avhengig av hvordan Dale omformerstasjon driftes. Når banestrekningen driftes med begge aggregatene i Dale må Arna omformerstasjon levere en strøm på 1,87 ka, som tilsvarer en effekt på ca. 31 MVA. Men for at banestrekningen skal være redundant må Arna omformerstasjon ha ytterligere kapasitet enn den beregnede effekten på 31 MVA. For å kunne avlaste belastningen i Dale har man optimalisert innstilligene av tverreaktansen og spenningskarakteristikken for Arna omformerstasjon. Når strekningen ble driftet med ett aggregat i Dale, ble tverreaktansen i Arna innstilt til Xq=1,06 pu og spenningskarakteristikken 4 % fallende. Dale derimot hadde en spenningskarakteristikk på 12 % fallende. En slik optimalisering krever at Arna omformerstasjon forsyner en strøm på 2,17 ka som tilsvarer 35,8 MVA. Simuleringsarbeidet har vist at Arna omformerstasjon bør bestykkes med aggregater som minst gir en effekt på 31 MVA i tillegg til å ha en reserve forsyning for å oppfylle redundanskravet. En slik bestykning vil ikke føre til at utfall av en eller flere komponenter i anlegg eller i kontaktledningsanlegget med normal feilrettingstid forårsake serieutfall eller system ustabilitet. Simuleringsarbeidet har vist at Arna omformerstasjon bør bestykkes med aggregater som minst gir en effekt på 31 MVA i tillegg til å ha en reserve forsyning for å oppfylle redundanskravet. En slik bestykning vil ikke føre til at utfall av en eller flere komponenter i anlegg eller i kontaktledningsanlegget med normal feilrettingstid forårsake serieutfall eller system ustabilitet.
INNHOLD SAMMENDRAG... III INNHOLD... V 1 INNLEDNING... 7 1.1 BAKGRUNN... 7 1.2 FORUTSETNING... 7 1.3 MÅLSETTING... 7 2 KRAV TIL BANESTRØMFORSYNINGEN... 9 2.1 KRAV TIL SPENNING... 9 2.2 BELASTNING AV OMFORMERE OG TRANSFORMATORER... 9 2.3 KONTAKTLEDNINGENS STRØMFØRINGSEVNE... 10 2.4 NEGATIV- OG POSITIVLEDERS STRØMFØRINGSEVNE... 11 3 INNDATA FOR SIMULERING... 12 3.1 BANESTREKNINGEN... 12 3.2 BANESTRØMFORSYNING... 12 3.3 RUTEPLAN OG RULLENDE MATERIELL... 13 4 SIMULERINGSRESULTATER... 14 4.1 ALTERNATIV 1 DALE OMFORMERSTASJON 2X5,8 MVA OG ARNA OMFORMERSTASJON INSTALLERT EFFEKT 30 MVA... 14 4.1.1 Belastning av omformerstasjon... 14 4.1.2 Spenning for togene... 15 4.1.3 Belastning av negativ-, positivleder og kontaktledningen... 16 4.2 ALTERNATIV 1A ARNA INSTALLERT EFFEKT 15 MVA OG DALE 2X5,8 MVA... 17 4.2.1 Belastning av omformerstasjoner... 17 4.2.2 Spenning for togene... 19 4.2.3 Belastning av negativ, positivleder og kontaktledningen... 19 4.3 ALTERNATIV 1B ARNA INSTALLERT EFFEKT 30 MVA OG DALE 1X5,8 MVA OMFORMERSTASJON... 20 4.3.1 Belastning av omformerstasjoner... 20 4.4 ALTERNATIV 2 ARNA 30 MVA MED TVERREAKTANS X Q =1,06 OG - 12% STATIKK ODG DALE 2X5,8 MVA -12 % STATIKK... 21 4.4.1 Belastning av omformerstasjon... 22 4.4.2 Spenning for togene... 22 4.5 ALTERNATIV 2A ARNA 30 MVA OG DALE 1X5,8 MVA OMFORMERSTASJON.... 22 4.5.1 Belastning av omformerstasjoner... 22 4.6 ALTERNATIV 3 ARNA INSTALLERT EFFEKT 45 MVA OG DALE 1X5,8 MVA... 23 4.6.1 Belastning av omformerstasjoner... 23 4.6.2 Spenning for togene... 24 4.6.3 Belastning av negativ, positivleder og kontaktledningen... 25 4.7 ALTERNATIV 3D ARNA 45 MVA OG UTFALL AV HELE DALE OMFORMERSTASJON.... 26 4.7.1 Belastning av omformerstasjoner... 26 4.7.2 Spenning for togene... 26 4.8 ALTERNATIV 3E ARNA 45 MVA OG DALE 2X5,8 MVA STREKNINGEN DRIFTES I ØYDRIFT.... 27 4.8.1 Belastning av omformerstasjoner... 27 4.8.2 Spenning for togene... 28 4.8.3 Belastning av negativ, positivleder og kontaktledningen... 29 5 OPPSUMMERING OG VURDERING... 30 5.1 OPPSUMMERING... 30 5.2 VURDERINGER... 30 6 KONKLUSJON... 32 7 APPENDIKS 1 GRAFISKE RUTEPLAN 2027... 33 8 REFERANSER... 34
Undertittel Side: 7 1 INNLEDNING 1.1 Bakgrunn I forbindelse med utarbeidelse av hovedplan for den nye omformerstasjonen på Arna er det nødvendig med en tilleggsimulering. I simuleringsarbeidet som ble utført i forbindelse med utredning av banestrømforsyning for Bergensbanen [1] ble det anbefalt å bygge en ny omformerstasjon i Arna der AT-system er forutsatt for hele Bergensbanen. I tillegg skulle strekningen Arna-Bergen bygges til dobbeltspor. Planen er imidlertid en gradvis oppgradering til AT-system. Strekningen mellom Arna og Bergen er den første strekningen som oppgraderes til AT-system. Når strekningen blir realisert med AT-system fram til Voss skal en ny omformerstasjon bygges på Voss eller Mjølfjell og legge ned dagens stasjon i Dale. Omformerstasjonen i Arna er planlagt å erstatte Bergen omformerstasjon som ikke har nok kapasitet når nytt dobbeltspor til Arna tas i bruk. Bergen omformerstasjon har også begrenset kapasitet for dagens effektbehov. 1.2 Forutsetning I denne utredningen er det benyttet kapasitetsoptimal ruteplan for å dimensjonere banestrømforsyningen, som er basert på det største antallet fremførte tog som strekningen vil ha frem til 2023/27 i rushtid. Tidshorisonten for denne utredningen er en del kortere enn utredningen for Bergensbanen, hvor tidshorisonten er frem til 2040. Det fremføres lokal-, region- og godstog. Den grafiske ruteplanen mellom Bergen og Haugastøl vises i Appendiks 1. For den gitte ruteleie er ikke mulig å kjøre fjerntogene som fremføres mellom Oslo og Bergen. For lokal- og regiontogene benyttes togsettene av type 74 og 75 (FLIRT). I henhold til KVU er kapasitetsoptimal ruteplan laget på følgende måte: Fremtidig trafikk Dimensjonerende ruteplan Fire tog hver time i hver retning mellom Bergen og Arna To tog hver time i hver retning mellom Bergen og Voss Ét godstog annen hver time i hver retning mellom Bergen - Haugastøl For utenom strekningen Arna Bergen, som bygges med dobbeltspor og AT-system, er resten av strekingen modellert med dagens kontaktledningssystem. AT-systemet er forutsatt bygget med negativ- og positivleder (NL og PL) med et tverrsnitt på 381 mm 2 som gir en impedans på Z = 0,03895 + j0,04850 /km. Strekningen med dagens kontaktledningssystem har en impedans på Z = 0,198 + j0,215 /km. I tillegg til den nye omformerstasjonen på Arna beholdes Dale, Mjølfjell og Haugastøl omformerstasjon med dagens installerte effekt. For å få en så god som mulig effekt for samkjøring med Arna omformerstasjon, har en utvidet strekningen helt til Haugastøl. 1.3 Målsetting Simuleringen skal undersøke effektbehovet for Arna omformerstasjon. I dette arbeidet er det forutsatt at Dale vil bestå av to aggregater på 5,8 MVA. For å finne hva som behøves av minste installert ytelse i Arna vil det undersøkes for følgende driftssituasjoner. Driftsituasjon 1 I denne driftsituasjon vil Dale omformerstasjon driftes med begge aggregatene på 5,8 MVA og finne ut hvilke ytelse som behøves i Arna. Det blir undersøkt med forskjellige innstillinger av spenningskarakteristikken mellom 4 og 12 %, og
Undertittel Side: 8 tverreaktansen for Xq mellom 0,34 og 1,06 pu for Arna omformerstasjon. Kontaktledningsanlegget vil driftes samkjørt. Driftsituasjon 2 I denne driftsituasjon undersøkes med utfall av ett aggregat i Dale og finne hvilke installert ytelse Arna skal ha for at Dale ikke blir overbelastet. Det skal optimaliseres med forskjellige innstillinger av spenningskarakteristikken og tverreaktansen. Driftsituasjon 3 I denne driftsituasjon undersøkes med en gitt installert ytelse i Arna og to aggregater i Dale på 5,8 MVA. Strekningen mellom Arna og Dale driftes med manglende samkjøring på kontaktledningsnettet der utgående linjen i Dale blir koblet ut. Simuleringene skal undersøke banestrømforsyningens robusthet i forhold til ruteplanen, ved å analysere togenes spenning, omformernes effektuttak og strøm på matekablene.
Undertittel Side: 9 2 KRAV TIL BANESTRØMFORSYNINGEN Simuleringen skal undersøke om kvalitetskriteriene i Teknisk regelverk for banestrømforsyningen overholdes. For eksisterende og for bygging av nye anlegg er det forskjellige kriterier med hensyn på laveste spenning. I tillegg må ikke omformerstasjoner, kontaktledningsanlegg, sugetransformatorer, filterimpedanser, etc. overbelastes. 2.1 Krav til spenning For at banestrømforsyningen ikke skal være til hinder for fremføringen av en gitt togtrafikk, stiller Jernbaneverket egne krav i Teknisk regelverk for prosjektering av energiforsyningen. Den tilsier at spenningen på togenes strømavtaker normalt skal være god nok til at togene med sikkerhet kan følge ruteplanen uten forsinkelse. Følgende vurdering av spenningen gjelder og er hentet ut av Teknisk regelverk: 1. Erfaring har vist at en kan anta at tog holder ruta si ved spenning høyere enn 13,5 kv. 2. Økt kjøretid på grunn av strømforsyningen på noen sekunder kan aksepteres så lenge dette ikke blir et problem for togfremføringen. 3. CR ENE TSI punkt 4.2.3 beskriver tillatt variasjonsområde for kontaktledningsspenningen hvor U max2 (18 kv) er definert som høyeste ikke-permanente spenning. Et trekkraftkjøretøy kan kontinuerlig generere spenning opp til U max2 ved tilbakemating. 2.2 Belastning av omformere og transformatorer Tabell 2-1 og Tabell 2-2 nedenfor viser den tillatte belastningsgraden for roterende og statiske omformeraggregater som er benyttet i simuleringsarbeidet. I Tabell 2-3 vises den tillatte belastningsgraden til transformatorene som er installert i omformerstasjonene. Av hensyn til redundans i banestrømforsyningen og nødvendig ytelse er det i de fleste omformerstasjoner installert to eller flere aggregater. Tabell 2-1 Nominell belastning og overbelastbarhet på roterende omformeraggregater. Aggregat Type [MVA] Maks. 2 sek belastning Maks. 6 min belastning Maks. time belastning [A] [MVA] [A] [MVA] [A] [MVA] 3,1 450 7,4 291 4,8 188 3,1 5,8 625 10,3 485 8 352 5,8 Tabell 2-2 Nominell belastning og overbelastbarhet på statiske omformeraggregater. Aggregat Type Nominell belastning Maksimal belastning [MVA] [A] [MVA] [A] [MVA] 15 909 15 909 15 Tabell 2-3 Nominell belastning og overbelastbarhet på transformatorer. Transformator Type [MVA] Maks. 2 sek belastning Maks. 6 min belastning Maks. time belastning [MVA] [MVA] [MVA] 4 12 8,8 4,4 10 15 15 10
Undertittel Side: 10 Definisjonen av disse verdiene er som følger: (kommentar: Strøm eller effekt angitt i tabellene over er referert til en spenning på 16,5 kv.) Timebelastningen er aggregatenes nominelle ytelse (kontinuerlig belastning). Den maksimale tillatte temperaturen oppnås for aggregatet. Maksimal 6-minuttersbelastning defineres som aggregatenes/stasjonenes termiske belastbarhet. Denne verdien forutsetter for de roterende aggregatene at belastningen før maksimalbelastningen har vært under grunnlasten, som er halve 6 minutters-verdien. Om dette er oppfylt, vil maksimalt tillatt temperatur oppnås, som om aggregatet var belastet med nominell effekt i en time. Maksimal 2-sekundersverdi er aggregatenes maksimale strømbelastbarhet. Denne grensen er satt etter starttrinnet for generatorens overstrømsvern. Dersom denne grenseverdien overskrides sammenhengende i to sekunder, vil overstrømsvernet på stasjonen koble ut. For å sikre seg sikker drift i henhold til krav i Teknisk regelverk legges det til grunn marginer ved vurdering av dimensjonering av omformerstasjon. Det bør legges 5 % margin mot tillatt belastning av komponenter og systemer. Videre bør det forutsettes 10 % margin for å ta høyde for trafikken i normale driftsituasjoner med endringer som ofte kan forventes og i avvikssituasjoner som ikke er inkludert i normal trafikk. I tillegg bør det også legges marginer for fremtidige trafikkutvikling. Men disse vurderingene om marginer vil gjøres i hovedplanarbeidet når simuleringsresultater gjennomført i denne delen av arbeidet beregnes og legges til grunn. For vurdering av installert ytelse for statiske aggregater og roterende aggregater blir det vurdert på bakgrunn av de momentane belastningsbehovene. Roterende omformeraggregater kan overbelastes to ganger sin nominelle ytelse, men for å verne mot overbelastning innstilles overstrømsvernet noe lavere. Statiske omformere har implementert strømgrense for å verne komponentene i omformeren mot overbelastning. Ved overbelastning trer strømgrensen i funksjon, og begrenser strømmen fra omformeren. I de tilfeller hvor statiske omformere blir kortvarig høyt belastet, blir det i simuleringene undersøkt om dette fører til lave spenningsverdier og dermed til togforsinkelser. En bør også undersøke hvordan tilstøtende omformerstasjoner blir påvirket av en slik driftsituasjon. Transformatorer og matekabler blir de vurdert på bakgrunn av de termiske belastningsbehovene, som gis i 6-minuttverdien og 1-timeverdien. Ved valg av plassering av omformerstasjoner vil spenningsnivået til togene og robustheten i strømforsyningen være avgjørende. 2.3 Kontaktledningens strømføringsevne Kontaktledningen som er benyttet i AT-systemet kan være system 20 eller 25 avhengig av den tillatte hastigheten på traseen. Kontaktledningen for system 25 er kobber (Cu) med 120 mm 2 kontakttråd og bæreline med 70 mm 2. For system 20 benyttes det 100 mm 2 kontakttråd og bæreline med 50 mm 2. En forutsetter at kontakttråden er slitt 10 %, lufttemperatur 35 O C og 1 m/s vindhastighet. Under disse forutsetningene viser Tabell 2-4 kontaktledningens strømføringsevne. Tabell 2-4 Tillatt strømføringsevne til system 20 og system 25 Type system Strømføringsevne [A] 10 sek 1 min 6 min 1 time System 20 3000 1250 800 600
Undertittel Side: 11 System 25 3990 1663 1064 800 2.4 Negativ- og positivleders strømføringsevne I henhold til utredninger foretatt av Statnett for aluminium ledere og Norconsult, er høyeste kontinuerlige strømstyrke henholdsvis 960 A for line, se [2] og [3], samt vurderinger foretatt av BTPE, se [4]. Denne belastningen gjelder for ekstremt varmt vær (omgivelsestemperatur på 35 C, vind 1,0 m/s, og solstråling med 1030 W/m 2 )for blanke ledere. I utredningen er det også gjort undersøkelser for kablenes strømføringsevne som forutsetter en omgivelsestemperatur på 15 og 25 C. Fordi det benyttes kabler i utstrakt grad i matekabler, blir kablenes strømføringsevne dimensjonerende i henhold til de strømføringsevnene gitt i Tabell 2-5. For kortvarig belastning, er det ved dimensjonerende omgivelsesforhold, oppnådd høyeste temperatur på kabel eller line som er begrensende. For kabler er kortvarig belastning for TSLE med tverrsnitt 400 mm 2 1330 A i 10 minutter. Tabell 2-5 Strømføringsevne til kabler Kabeltverrsnitt [mm 2 ] Strømføringsevne [A] kabel i kabelkanal/rør i tunnel, 15 C 10 min 1 time stasjonær 240 910 605 542 400 1330 836 722
Undertittel Side: 12 3 INNDATA FOR SIMULERING I dette kapittelet beskrives kort de modeller som anvendes i simuleringen, og inndata for disse. Mange av modellene som er med i simuleringen, er meget avanserte standardmodeller som er definert i SIMPOW og TracFeed, og det henvises til manualene for disse programmene. 3.1 Banestrekningen I simuleringsmodellen strekker banestrekningen seg fra Bergen (km 471) til Haugastøl (km 275). Strekningen fra Bergen til Arna er modellert med dobbeltspor med kl-anlegg med AT-system, og videre går banestrekningen til Haugastøl med konvensjonelt kontaktledning med BT-system og enkeltspor. Størstedelen av strekningen mellom Arna og Bergen består av tunnel, som er 7,8 km lang. Forsterkningsleder mellom Haugastøl og Myrdal er også tatt hensyn til. I Figur 3-1 viser de deler av banestrekningen som er med. Strekningen tillater at persontogene kjøres med en maksimal hastighet 160 km/t mellom Arna og Bergen, mens på resten av strekningen er den tillatte maksimale hastigheten 130 km/t. Godstogene derimot er tillatt å kjøre med en maksimal hastighet 100 km/t. Figur 3-1 Enlinjeskjema for banestrekningen Bergen Haugastøl. AT-system vises med rød strek, konvensjonelt system med svart strek. 3.2 Banestrømforsyning Spenningsregulatorens karakteristikk for de roterende og statiske omformerstasjonene skal være fallende. Ved full reaktiv belastning (merkeytelse) skal spenningen kunne stilles et sted mellom 4 % og 12 % for omformerne. Den passende verdien kan justeres basert på driftsituasjon. I simuleringsmodellen er tverreaktansen til statiske aggregater gitt en standard innstilling på X q =0,68, men denne parameteren er innstillbar mellom 0,0 til 1,5 per unit. Hver omformerstasjon er forsynt fra et overliggende nett i området fra 22 til 132 kv med 50 Hz. Overliggende nett er beskrevet med stive spenninger og fasevinkel lik null.
Undertittel Side: 13 3.3 Ruteplan og rullende materiell I utredningen benyttes en ruteplan som forklart i avsnitt 1.2. Trafikken som er med i simuleringene gjelder i seks timer fra klokken 06:00 til 12:00. Persontogene benytter FLIRT-togsettene type 74 og 75. De fremføres for lokal- og regiontrafikk. Alle lokal- og regiontogene fremføres med dobbeltsett, slik at maksimal effektuttak er 11 MW. Disse togene blir innstilt slik at de ikke trekker mer enn 700 A, som er dagens grense mellom Arna og Voss i henhold til Network Statement. Det er forutsatt at den nye strekningen mellom Bergen og Arna vil tillatte samme maksimal strømopptakk for togene. Godstogene består av lokomotiver med en etterhengt last på totalt 1200 tonn. Disse tunge godstogene fremføres med doble lokomotiver (CE119) som gis pådragsbegrensning på 25 % slik at den totale maksimale effekt som tas ut blir 9,63 MW.
Undertittel Side: 14 4 SIMULERINGSRESULTATER Resultatet fra simuleringen presenterer omformerstasjonenes belastninger i ka. Når det gjelder laveste spenning for samtlige tog, blir denne beregnet for 1-sekund- og 2-minuttersverdien. Strømføringsevnen til NL- og PL-lederne og kontaktledningen undersøkes på bakgrunn av den leverte strømmen fra omformerstasjonen. Belastningen på NL- og PL-lederne i simuleringen er referert til 15 kv-nivå, derfor må strømbelastningen multipliseres med 0,5 for å få ekvivalent strøm på 30 kv-nivå. Resultatet vises i tabellform og figurer. Røde tall viser belastninger utover tillatte marginer og sorte tall viser belastninger innenfor kravene. Hver Driftsituasjon som er forklart i avsnitt 1.3 vil kreve flere undersøkelser for å kunne optimalisere simuleringsresultatene. På bakgrunn av dette vil det lages flere alternativer for hver driftsituasjon. I samtlige alternativer benyttes det ruteplanen spesifisert i avsnitt 1.2. 4.1 Alternativ 1 Dale omformerstasjon 2x5,8 MVA og Arna omformerstasjon installert effekt 30 MVA I dette alternativet bestykkes Arna omformerstasjonen med en installert effekt på 30 MVA. Aggregatene innstilles med en tverreaktans Xq=0,68 pu. Strekningen mellom Bergen og Arna oppgraderes til dobbeltspor med AT-system mens resten av banestrekningen forutsettes å beholde dagens infrastruktur. Dale omformerstasjon bestykkes med 2x5,8 MVA og i dette alternativet driftes omformerstasjonen med begge aggregatene. Spenningsregulatoren for begge omformerstasjonen blir innstilt med 8 % fallende statikk. 4.1.1 Belastning av omformerstasjon Tabell 4-1 viser maksimal simulert belastning av omformerstasjonene. Når Arna omformerstasjon er installert med 30 MVA leverer den en strøm på 1,88 ka som tilsvarer en effekt på 31 MVA for momentan belastningen. Dale omformerstasjon som ligger 35 km unna må levere en strøm på 0,92 ka som er 15,2 MVA. 6-minutters- og 1-timersverdien er dermed innenfor belastningskravene, slik at omformerstasjonene kan driftes med kun ett aggregat i drift i hver stasjon. I tillegg er det også undersøkt belastningen i Mjølfjell selv om denne omformerstasjon vil bidra minimalt til den nye strekningen mellom Arna og Bergen. Tabell 4-1 Høyest simulerte belastning av omformerstasjon. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 1 Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC=8% og Xq=0,68 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 30 1,88 103 1,88 103 0,88 40,6 0,51 22,6 Dale 2 x 5,8 0,94 73,6 0,92 73,6 0,45 41,2 0,23 32,6 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,95 55,9 0,95 55,9 0,56 44,4 0,33 37,0 Belastningskurven til Arna og Dale omformerstasjon vises henholdsvis på Figur 4-1 og Figur 4-2. Både Arna og Dale omformerstasjon får høye momentane belastninger flere ganger mellom kl 07:00 til 12:00. Disse toppbelastninger viser at omformerstasjonene ikke er redundant med de installerte ytelsene. Derfor vil en undersøke med utfall av en omformerenhet i Arna eller i Dale for å se hvilke konsekvenser dette gir for de resterende omformerenhetene.
Undertittel Side: 15 Figur 4-1 Simulert strøm i forhold til tidspunkt for Arna omformerstasjon. Rød strek viser levert strøm (ka) for kortvarig (momentan), svart strek for 2-sekunder, blå strek for 6-minutters og grønn strek for 1- time. Figur 4-2 Simulert strøm i forhold til tidspunkt for Dale omformerstasjon. Rød strek viser levert strøm (ka) for kortvarig (momentan), svart strek for 2-sekunder, blå strek for 6-minutters og grønn strek for 1- time. 4.1.2 Spenning for togene På strekningen mellom Bergen og Lillevik tunnel (km 410), er momentan spenningen for togene over 13,5 kv og langvarig spenningen som er 2-minuttersperioden over 15 kv. Midt mellom Lillevik tunnel og Mjølfjell er momentan spenningen for to tog på 12,75 kv og langvarig over 13,5 kv.
Undertittel Side: 16 Alle togene i dette alternativet tilfredsstiller imidlertid prosjekteringskravet, da de holder ruteplanen. Det er ikke noe fare for at togene blir forsinket fordi spenningsverdiene er innenfor de kravene beskrevet i avsnitt 2.1. Figur 4-3 Momentan og langvarig (nederst) spenningsverdi for samtlige tog på strekningen Haugastøl (271) Arna (461) - Bergen (471). 4.1.3 Belastning av negativ-, positivleder og kontaktledningen Under i Tabell 4-2 vises høyeste belastning av PL og NL for strekningen mellom Arna og Bergen og høyeste belastning av kontaktledningen ved overgangen mellom dobbeltsporet med AT-system til enkeltspor ved Arna. Det er undersøkt for høyeste RMS-verdier for forskjellige tidsperioder. Samtlige linjer er belastet innenfor den tillatte strømføringsevnen. Tabell 4-2 Høyeste belastningsstrøm på PL, NL og kontaktledningene for alternativ 1 med normal driftsituasjon. Alternativ 1 Dobbeltspor AT-system Arna Bergen og enkeltspor BT-system resten av strekningen Avgang ved omformere Strøm [A] 1 sek 10 sek 1 min 6 min 10 min 1 time Arna Bergen 972 873 672 381 340 204 Arna Bergen spor 1 554 510 431 242 198 131 Arna Bergen spor 2 418 364 276 195 170 97 Arna Dale 1013 936 692 453 396 313 Dale Arna 826 701 493 331 302 227 Dale Mjølfjell 979 937 781 555 474 327
Undertittel Side: 17 4.2 Alternativ 1a Arna installert effekt 15 MVA og Dale 2x5,8 MVA For å vurdere om driftsituasjon i alternativ 1 er akseptabel undersøkes med kun en omformerenhet på 15 MVA i drift i Arna og Dale omformerstasjon driftes med begge aggregatene på 5,8 MVA. 4.2.1 Belastning av omformerstasjoner Ved kun å drifte omformerstasjonen i Arna med en omformerenhet fører dette til at den gjenværende enheten går i strømgrense. Denne driftsituasjon fører til at fasevinkelen dreies slik at noe av lasten forskyves mot Dale. Når fasevinkelen dreies ytterligere fører dette igjen til at spenningen for den statiske omformerstasjonen senkes. Belastningen i Dale er kritisk fordi de kortvarige belastningene er så høye at dette vil kunne føre til utkobling av hele omformerstasjonen, se den gitte maksimale belastningen i Tabell 4-3. 6-minutters- og 1-timesverdien er belastet slik at de termiske forholdene er akseptable. Tabell 4-3 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 1a ved drifting med en omformerenhet. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 1a Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC=8% og Xq=0,68 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 15 1,12 123 1,04 114 0,66 63,8 0,43 38,5 Dale 2 x 5,8 1,43 107 1,34 107 0,55 56,7 0,27 38,4 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 1,09 64,1 1,06 62,3 0,61 48,4 0,34 38,1 Under i Figur 4-4 kan vises at belastningen i Arna får kortvarige toppbelastninger som når strømgrensen. Disse toppbelastningene oppstår minst to ganger i løpet av en time. Ved to tilfeller er toppbelastningene 20 % høyere enn strømgrensen til omformerenheten. Ved Dale omformerstasjon oppstår kortvarige toppbelastninger tre ganger, i løpet av rushtrafikken, se Figur 4-5. Det vises at Dale får høyere belastninger nå enn når begge aggregatene i Arna var i drift samtidig.
Undertittel Side: 18 Figur 4-4 Det vises belastning på Arna omformerstasjon for alternativ 1a. Rød strek viser levert strøm (ka) for kortvarig (momentan), svart strek for 2-sekunder, blå strek for 6-minutters og grønn strek for 1- time. Figur 4-5 Det vises belastning på Dale omformerstasjon for alternativ 1a. Rød strek viser levert strøm (ka) for kortvarig (momentan), svart strek for 2-sekunder, blå strek 6-minutters og grønn strek for 1- time.
Undertittel Side: 19 4.2.2 Spenning for togene Når omformerstasjonen på Arna driftes med kun en omformerenhet fører dette til høy belastning av aggregatet og det når strømgrense, slik at fasevridningen øker. En slik vridning skal sørge for at noe av belastningen skyves mot naboomformerstasjon. Men siden Dale omformerstasjonen blir overbelastet og kan ikke ta mer last fra Arna, blir spenningen på Arna omformerstasjonens samleskinne senket på grunn av den økende fasevridningen. En kan se fra Figur 4-6 at strekningen mellom Bergen og Vaksdal (km 440) får momentane spenningsverdier litt under 12,0 kv og over 14,5 kv for langvarig spenningsverdi. Laveste langvarig spenningsverdi er 13,5 kv og dette oppstår på km 390 og 380. Figur 4-6 Bilde over viser momentan spenningsverdi for samtlige tog og bilde under langvarige spenningsverdi for samtlige tog i alternativ 1a. 4.2.3 Belastning av negativ, positivleder og kontaktledningen Belastning av strømverdier for PL, NL og kontaktledningen vises i Tabell 4-4. Høyeste belastning av PL-, og NL-lederne for strekningen mellom Arna og Bergen og høyeste belastning av kontaktledningen for enkeltsporet ved Arna er innenfor den tillatte strømføringsevnen.
Undertittel Side: 20 Tabell 4-4 Høyeste belastningsstrøm på PL, NL og kontaktledningene for alternativ 1 med avvik driftsituasjon. Alternativ 1a Dobbeltspor AT-system Arna Bergen og enkeltspor BT-system resten av strekningen Avgang ved omformere Strøm [A] 1 sek 10 sek 1 min 6 min 10 min 1 time Arna Bergen 780 716 654 405 358 211 Arna Bergen spor 1 518 500 430 253 207 135 Arna Bergen spor 2 378 368 281 204 179 101 Arna Dale 935 844 621 382 350 279 Dale Arna 1068 1002 631 431 370 279 Dale Mjølfjell 947 890 727 509 439 311 4.3 Alternativ 1b Arna installert effekt 30 MVA og Dale 1x5,8 MVA omformerstasjon. Dette alternativet vil undersøkes med å drifte Arna omformerstasjon med en installert ytelse på 30 MVA og Dale driftes med ett aggregat på 5,8 MVA. 4.3.1 Belastning av omformerstasjoner Tabell 4-5 viser maksimal simulert belastning av omformerstasjonene. Ved å drifte Dale omformerstasjon med ett aggregat blir omformerstasjonen overbelastet. En slik driftsituasjon vil føre til utfall av hele Dale omformerstasjon. Samtidig kan en observere at Arna blir belastet over sin installert maksimal effekt med 5 %. Kortvarig blir Arna omformerstasjon så høyt belastet at hele stasjonen vil kunne trippe. Tabell 4-5 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 1b ved drifting med en omformerenhet i Arna og utfall av hele omformerstasjon i Dale. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 1b Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC=8% og Xq=0,68 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 30 1,90 105 1,90 105 0,81 44,6 0,45 24,8 Dale 1 x 5,8 0,87 139 0,85 136 0,37 68,0 0,24 54,0 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 1,10 64,7 1,09 64,1 0,60 47,6 0,34 38,1 Under i Figur 4-7 og Figur 4-8 vises belastningskurven til Arna omformerstasjon og Dale omformerstasjon. Både Arna og Dale omformerstasjon får høye momentane belastninger flere ganger mellom kl 07:00 til 12:00.
Undertittel Side: 21 Figur 4-7 Det vises belastning på Arna omformerstasjon for alternativ 2. Rød strek viser levert strøm (ka) for kortvarig, svart strek for 6-minutters og blå strek for 1-time. Figur 4-8 Det vises belastning på Dale omformerstasjon for alternativ 2. Rød strek viser levert strøm (ka) for kortvarig, svart strek for 6-minutters og blå strek for 1-time. 4.4 Alternativ 2 Arna 30 MVA med tverreaktans X q =1,06 og - 12% statikk odg Dale 2x5,8 MVA -12 % statikk For å kunne redusere belastningen i Arna og Dale omformerstasjon endrer man innstilligen til spenningskarakteristikken til 12 % fallende. Videre endrer man tverreaktansen i Arna til Xq=1,06 pu. Arna omformerstasjon driftes med en installert effekt på 30 MVA og Dale omformerstasjon med to aggregater på 5,8 MVA.
Undertittel Side: 22 4.4.1 Belastning av omformerstasjon Tabell 4-1 viser maksimal simulert belastning av omformerstasjonene. Når Arna omformerstasjon er installert med 30 MVA leverer den en strøm på 1,87 ka som tilsvarer en effekt på ca. 31 MVA for momentan belastningen. Dale omformerstasjon som ligger 35 km unna må levere en strøm på 0,89 ka for 2-sekundersverdien som er 15,2 MVA. 6-minutters- og 1-timersverdien er dermed innenfor belastningskravene. I tillegg er det også undersøkt belastningen i Mjølfjell som vises å være innenfor belastningsgraden for alle driftsforholdene. Med de endrede innstilligene av tverreaktansen og spenningskarakteristikken har ikke ført til vesentlige redusering av de momentane belastningene i Arna og Dale omformerstasjon. Tabell 4-6 Høyest simulerte belastning av omformerstasjon. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 2 Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC=12% og Xq=1,06 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 30 1,87 103 1,86 102 0,82 37,4 0,48 20,4 Dale 2 x 5,8 0,91 72,8 0,89 71,2 0,47 48,5 0,30 42,6 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,96 56,5 0,95 55,9 0,61 48,4 0,38 42,9 4.4.2 Spenning for togene Spenning for togene er helt identisk som i alternativ 1 og dermed innenfor spenningskravet. 4.5 Alternativ 2a Arna 30 MVA og Dale 1x5,8 MVA omformerstasjon. I dette alternativet driftes Arna omformerstasjon med en installert ytelse på 30 MVA og Dale driftes med ett aggregat 5,8 MVA. Innstillingen av spenningsstatikken og tverreaktansen er identisk med alternativ 2. 4.5.1 Belastning av omformerstasjoner Tabell 4-7 viser maksimal simulert belastning av omformerstasjonene. I dette simuleringsalternativet blir det ene aggregatet som driftes i Dale overbelastet, samtidig som Arna omformerstasjonen blir overbelastet med 5 % over den installert maksimal effekt. Dale omformerstasjon vil falle på grunn av at den er 36 % overbelastet i forhold til tillatt kapasitet i aggregatet. Tabell 4-7 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 1b ved drifting med en omformerenhet i Arna og utfall av hele omformerstasjon i Dale. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 2b Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC=-12% og Xq=1,06 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 30 1,90 105 1,90 105 0,81 44,6 0,45 24,8 Dale 1 x 5,8 0,87 139 0,85 136 0,37 68,0 0,24 54,0 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 1,10 64,7 1,09 64,1 0,60 47,6 0,34 38,1
Undertittel Side: 23 4.6 Alternativ 3 Arna installert effekt 45 MVA og Dale 1x5,8 MVA Når Arna er installert med en ytelse på 30 MVA og Dale omformerstasjon driftes med ett aggregat når den er bestykket med 2x5,8 MVA, blir Arna og Dale overbelastet. Arna omformerstasjon vil kunne skyve noe av lasten til nabo-omformer når den når strømsgrense ved å øke fasevridningen. Denne forskyvingen er kun mulig dersom det er ledig kapasitet i Dale omformerstasjon, men som ikke er tilfellet i alternativ 2a. På grunn av dette undersøkes det med en større installert ytelse i Arna. I dette alternativet installeres en ytelse på 45 MVA i Arna og Dale omformerstasjon driftes med ett aggregat på 5,8 MVA. Ved å installere 45 MVA i Arna slipper en å nå strømsgrense i stasjonen og dermed finne akkurat den ytelsen som behøves i Arna. Videre vil en optimalisere innstillingen av spenningskarakteristikken og tverreaktansen i Arna for å avlaste belastningen i Dale. Det vil undersøkes for Xq=1,06, Xq=0,68 og Xq=0,34 pu og spenningskarakteristikken i Arna justert til 4% og Dale 12 % fallende. 4.6.1 Belastning av omformerstasjoner I Tabell 4-8, Tabell 4-9 og Tabell 4-10 vises maksimal simulert av omformerstasjon for forskjellig verdier av tverreaktansen, som er henholdsvis Xq=1,06, Xq=0,68 og Xq=0,34 pu. Ved å installere en større ytelse i Arna har man klart å avlaste belastningen i Dale. De forskjellige innstillinger av tverreaktansen i Arna påvirker belastningen av Dale omformerstasjon. En får størst avlastning når tverreaktansen er innstilt med Xq=0,34 pu, mens belastningen i Arna er størst ved denne innstillingen. Denne avlastningen i Dale er marginalt i forhold til den økningen en får i Arna, fordi strømmen i Arna øker med ca 180 A mens i Dale reduseres med 30 A se Tabell 4-8 og Tabell 4-10. Den optimale løsningen vil være dersom Arna omformerstasjon har en innstilling av tverreaktansen på Xq=1,06 pu og spenningskarakteristikken på 4 %. 6-minutters- og 1-timeverdien er belastet så vidt under 35 % og 21 % av sin installert ytelse, slik at de termiske forholdene er godt innenfor belastningskravet. Tabell 4-8 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 3 ved drifting med en omformerenhet. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 3 Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC= -4% i Arna XC=-12% i Dale og Mjølfjell og Xq=1,06 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 45 2,17 79,6 2,14 78,5 0,95 34,8 0,56 20,5 Dale 1 x 5,8 0,61 97,3 0,60 96,0 0,34 69,3 0,22 62,2 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,97 57,0 0,97 57,0 0,63 50,0 0,40 44,8 Tabell 4-9 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 3a ved drifting med en omformerenhet. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 3a Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC= -4% i Arna og XC=-12% i Dale og Mjølfjell og Xq=0,68 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 45 2,25 82,5 2,14 81,4 1,00 36,7 0,59 20,5 Dale 1 x 5,8 0,59 94,4 0,59 94,4 0,33 67,0 0,21 60,5 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,95 55,9 0,94 55,2 0,62 49,2 0,39 43,7
Undertittel Side: 24 Tabell 4-10 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 3b ved drifting med en omformerenhet. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 3b Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC=-4% i Arna og XC=-12% i Dale og Mjølfjell og Xq=0,34 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 45 2,35 86,2 2,32 85,1 1,06 38,9 0,63 23,0 Dale 1 x 5,8 0,58 93,0 0,58 92,8 0,32 66,0 0,21 60,5 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,92 54,1 0,92 54,1 0,61 48,4 0,39 43,7 4.6.2 Spenning for togene Siden en ønsker å gå videre med alternativ 3 undersøker man spenningskvalitet til togene. Strekningen mellom Bergen og Evanger (ca. km 400) er momentan spenningen for togene over 13,0 kv og langvarig spenningen som er 2-minuttersperioden over 14,0 kv. På strekningen mellom km 400 til 380 er det fire tog som får spenninger 12,7 kv, mens for de langvarige spenningsforholdene er det to tog som får spenninger så vidt under 13,5 kv. Siden 2-minutters spenningverdien er stort sett over 13,5 kv har togene gode spenningsforhold.
Undertittel Side: 25 Figur 4-9 Bilde over viser momentan spenningsverdi for samtlige tog og bilde under langvarige spenningsverdi for samtlige tog i alternativ 3. 4.6.3 Belastning av negativ, positivleder og kontaktledningen Belastning av strømverdier for PL, NL og kontaktledningen vises i Tabell 4-11. Høyeste belastning av PL-, og NL-lederne for strekningen mellom Arna og Bergen og høyeste belastning av kontaktledningen for enkeltsporet ved Arna er innenfor den tillatte strømføringsevnen. Tabell 4-11 Høyeste belastningsstrøm på PL, NL og kontaktledningene for alternativ 1 med avvik driftsituasjon. Alternativ 3 Dobbeltspor AT-system Arna Bergen og enkeltspor BT-system resten av strekningen Avgang ved omformere Strøm [A] 1 sek 10 sek 1 min 6 min 10 min 1 time Arna Bergen 941 865 669 380 339 203 Arna Bergen spor 1 538 506 430 241 198 130 Arna Bergen spor 2 403 361 275 194 170 97 Arna Dale 1138 1060 741 502 436 348 Dale Arna 620 590 457 286 263 223 Dale Mjølfjell 879 869 697 510 438 305
Undertittel Side: 26 4.7 Alternativ 3d Arna 45 MVA og utfall av hele Dale omformerstasjon. Dette alternativet undersøkes som et resultat av alternativ 3, der Dale omformerstasjon kan bli overbelastet over sin installert ytelse og dermed føre til utfall av hele omformerstasjonen. Dette alternativet vil dermed undersøke konsekvensen hva et slikt utfall har for togfremføringen og belastningen av Arna omformerstasjon. 4.7.1 Belastning av omformerstasjoner Tabell 4-12 viser maksimal simulert belastning av omformerstasjonene. Ved utfall va hele Dale omformerstasjon blir Arna omformerstasjon kun 30 A mer belastet enn når Dale driftes med ett aggregat og Mjølfjell er uendret. En har forventet at Arna omformerstasjon skulle i det minste ta noe av belastningen fra det ene aggregatet i Dale som forsynte strekningen. Men på grunn av at kontaktledningen er utformet med konvensjonelt kontaktledningssystem mellom Arna og Voss, blir effektoverføringen begrenset av denne høye impedansverdien. Tabell 4-12 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 3d ved drifting med en omformerenhet i Arna og utfall av hele omformerstasjon i Dale. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 3d Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC= -4% i Arna og XC=12% i Mjølfjell og Xq=0,68 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 45 2,20 80 2,16 79,2 1,06 38,9 0,66 24,1 Dale utkoblet - - - - - - - - Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,97 57,1 0,97 57,1 0,71 56,3 0,45 50,3 4.7.2 Spenning for togene Strekningen mellom Bergen og Evanger (ca. km 440) er momentan spenningen for togene over 13,0 kv og langvarig spenningen som er 2-minuttersperioden er over 14,5 kv. På strekningen mellom km 440 til 390 er det flere tog som får momentan spenninger over 12,2 kv, mens for de langvarige spenningsforholdene er det åtte tog som får spenninger mellom 12,9 og 13,0 kv.
Undertittel Side: 27 Figur 4-10 Momentan og langvarig (nederst) spenningsverdi for samtlige tog på strekningen Haugastøl (271) Arna (461) - Bergen (471). 4.8 Alternativ 3e Arna 45 MVA og Dale 2x5,8 MVA strekningen driftes i øydrift. Dette alternativet undersøkes med alle omformeraggregatene installert og at strekningen driftes i øydrift. Denne samkjøringen har brudd ved utgående linje i Dale omformerstasjon mot vestlige retning. En ønsker å undersøke hvor mye Arna blir belastet ved en slik driftsituasjon. 4.8.1 Belastning av omformerstasjoner Tabell 4-13 viser maksimal simulert belastning av omformerstasjonene. Ved manglende samkjøring mellom Arna og Dale blir ikke maksimal belastningen i Arna høyere enn når det driftes med sammenkoblet kontaktledningsnett.
Undertittel Side: 28 Tabell 4-13 Belastning av omformerstasjoner for alternativ 3e ved drifting med en omformerenhet i Arna og utfall av hele omformerstasjon i Dale. Omformer Innsatt ytelse [MVA] Alternativ 3e Belastning av omformerstasjon. RC=0, XC= -4% i Arna og XC=12% i Mjølfjell og Xq=0,68 Strøm (RMS) og prosent av maksimalytelse Momentan 2 sek 6 min 1 time [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] [ka] [%] Arna 45 1,94 71,1 1,91 70,0 0,90 30,1 0,62 18,0 Dale 2 x 5,8 0,91 72,8 0,91 72,8 0,53 54,8 0,30 42,6 Mjølfjell 2 x 5,8 + 3,1 0,98 57,6 0,98 57,6 0,61 46,0 0,38 37,0 4.8.2 Spenning for togene Når strekningen mellom Bergen og Dale driftes med seksjonert kontaktledningsanlegg er det fire tog som får momentan spenninger mellom 12,3 og 12,5 kv ved km 422-435. Spenningene for 2- minuttersverdien ligger over 13,5 kv for de fleste togene for utenom to tog som får spenninger på 13,2 kv. Siden 2-minutters spenningverdien er stort sett over 13,2 kv, en vil altså mene at togene har gode spenningsforhold For resten av strekningen er togenes spenning uforandret i forhold til når strekningen driftes samkjørt.
Undertittel Side: 29 Figur 4-11 Momentan og langvarig (nederst) spenningsverdi for samtlige tog på strekningen Haugastøl (271) Arna (461) - Bergen (471). 4.8.3 Belastning av negativ, positivleder og kontaktledningen Belastning av strømverdier for PL, NL og kontaktledningen vises i Tabell 4-14. Den avgangen som får høyest belastning er fra Arna mot Dale, men den er likevel innenfor den tillatte strømføringsevnen. Den er kun belastet 48 % og 42 % av belastningsevnen for 1-time- og 10-minuttersprioden. Tabell 4-14 Høyeste belastningsstrøm på PL, NL og kontaktledningene for alternativ 1 med avvik driftsituasjon. Alternativ 3 Dobbeltspor AT-system Arna Bergen og enkeltspor BT-system resten av strekningen Avgang ved omformere Strøm [A] 1 sek 10 sek 1 min 6 min 10 min 1 time Arna Bergen 944 868 676 381 339 205 Arna Bergen spor 1 540 531 459 241 198 132 Arna Bergen spor 2 405 362 274 194 170 98 Arna Dale 1473 1264 940 609 560 407 Dale Arna 0 0 0 0 0 0 Dale Mjølfjell 910 869 750 532 453 301
Undertittel Side: 30 5 OPPSUMMERING OG VURDERING 5.1 Oppsummering Tilleggssimuleringen er gjennomført i forbindelse med hovedplan for den nye omformerstasjon i Arna området. Denne studien forutsetter dobbeltspor med AT-system fra Bergen til Arna og enkeltspor med BT-system resten av strekningen. Det er benyttet ruteplan for togtrafikk frem til 2023/27. Persontogene mellom Arna og Bergen har kvarterfrekvens og mellom Bergen og Voss har de halv timefrekvens. Godstogene fremføres annen hver time. Selv om denne studien kun er interessert i å bestemme ytelsen i den nye omformerstasjon, er det likevel relevant å undersøke tilstøtende omformerstasjon. Effektoverføring mellom omformerstasjoner er avhengig av deres spenningsnivå og fasevinkel. I tillegg undersøkes spenningsnivå for togene. Det er undersøkt med installert ytelse på 30 MVA og 45 MVA i Arna. Når det ble simulert med en installert ytelse på 30 MVA i Arna nådde stasjonen sin belastningsgrense og dermed havnet i strømgrense. Dette har ført igjen til overbelastning av nabo-omformerstasjon (Dale omformerstasjon) utover den installerte ytelsen. Med en slik ytelse i Arna vil utfall av et aggregat i Dale føre til utfall av hele omformerstasjon, som igjen vil føre til at Arna omformerstasjon tripper. En har dermed undersøkt med 45 MVA i Arna for å finne den nøyaktige ytelsen som behøves i Arna Simuleringene viser at toppbelastningen på Arna omformerstasjon er avhengig av hvordan Dale omformerstasjon driftes. Når banestrekningen driftes med begge aggregatene i Dale må Arna omformerstasjon levere en strøm på 1,87 ka, som tilsvarer en effekt på ca. 31 MVA. Men for at banestrekningen skal være redundant må Arna omformerstasjon ha ytterligere kapasitet enn den beregnede effekten på 31 MVA. For å kunne avlaste belastningen i Dale har man optimalisert innstilligene av tverreaktansen og spenningskarakteristikken for Arna omformerstasjon. Når strekningen ble driftet med ett aggregat i Dale, ble tverreaktansen i Arna innstilt til Xq=1,06 pu og spenningskarakteristikken 4 % fallende. Dale derimot hadde en spenningskarakteristikk på 12 % fallende. En slik optimalisering krever at Arna omformerstasjon forsyner en strøm på 2,17 ka som tilsvarer 35,8 MVA. Simuleringene som er utført viser at togene får akseptable spenningsverdier. Kortvarig kommer spenningen ned til ca. 12,7 kv og langvarig 13,5 kv mellom Ygre (km 380) og Evanger (km 400). Spenningen er ellers over 14,0 kv for resten av strekningen. Det er undersøkt med utfall av hele Dale omformerstasjon og sett hva som blir konsekvensen av en slik driftsituasjon. Simuleringen viser at på strekningen mellom km 440 til 390 er det flere tog som får momentan spenninger over 12,2 kv, mens for de langvarige spenningsforholdene er det åtte tog som får spenninger mellom 12,9 og 13,0 kv. Selv om denne driftsituasjon kan betraktes som en avviksdriftsituasjon er disse spenningsforholdene ikke kritiske og anses for å være gode og akseptable. Ved behov vil en viss reduksjon av last eller pådrag fra togene kreves for å ikke senke spenningen ytterligere. Når strekningen mellom Bergen og Dale driftes med seksjonert kontaktledningsanlegg er det fire tog som får momentan spenninger mellom 12,3 og 12,5 kv ved km 422-435. Spenningene for 2- minuttersverdien ligger over 13,5 kv for de fleste togene for utenom to tog som får spenninger på 13,2 kv. Siden 2-minutters spenningverdien er stort sett over 13,2 kv, en vil altså mene at togene har gode spenningsforhold. 5.2 Vurderinger Arna omformerstasjon må bygges med ytelser som kan takle alle driftsituasjoner, samkjørt kontaktledningsnett, manglende samkjøring eller redusert forsyning fra nabo-omformerstasjon. For å oppfylle dette kravet må den installerte ytelsen i Arna ikke gå i strømgrense ved alle de nevnte driftsituasjoner. Driftsituasjon som er dimensjonerende for Arna omformerstasjon er når begge
Undertittel Side: 31 aggregatene i Dale driftes og det er samkjørt kontaktledningsanlegg. Som nevnt i avsnitt 5.1 må det leveres en effekt på 31 MVA fra Arna i tillegg til at omformerstasjon ha reserve effekt. Det har vært en vanlig praksis å bygge nye omformerstasjoner med like store aggregater. Hvis stasjonen bygges med to aggregater vil det kreves to aggregater av 31 MVA. Dersom stasjonen utformes med tre aggregater vil det kreves tre aggregater av 15,5 MVA, som vil gi en total installert ytelse på 46,5 MVA. Når stasjonen dimensjoneres med slike installerte ytelser vil de andre driftsituasjoner kunne takles. Alle simuleringer viser at overføringskapasiteten til matkablene som forsyner kontaktledningen, PLog NL-lederne har nok margin mot overbelastning, dersom det benyttes matekabler med 400 mm 2 tverrsnitt. Det er utgående linjen mot Dale som får størst belastning, men selv den blir så vidt belastet over 48 % av kabelens strømføringsevne. Returkablene skal dimensjoneres for strømføringsevne minst lik matekablenes dimensjonerende strøm. En har sett at Dale omformerstasjon blir overbelastet når den driftes med ett aggregat. Denne situasjonen blir bedre når Arna omformerstasjon får tverreaktansen innstilt til Xq=1,06 pu og spenningsregulatoren en statikk på -4 %, mens Dale har en innstilt verdi på -12%. En annen løsning er å vurdere å installere aggregater av 7 MVA i Dale.
Undertittel Side: 32 6 KONKLUSJON Simuleringsarbeidet har vist at Arna omformerstasjon bør bestykkes med aggregater som minst gir en effekt på 31 MVA i tillegg til å ha en reserve forsyning for å oppfylle redundanskravet. En slik bestykning vil ikke føre til at utfall av en eller flere komponenter i anlegg eller i kontaktledningsanlegget med normal feilrettingstid forårsake serieutfall eller system ustabilitet. Med den anbefalte kapasitet i Arna vil togene få gode spenningsverdier. I tillegg blir omformerstasjonen i Arna og Dale belastet slik at de takler de momentane og de termiske grenseverdiene.. Ytelsen i Dale omformerstasjon må vurderes utvidet til 2x7 MVA for ikke å blir overbelastet, men inntil dette realiseres anbefales det at å benytte følgende innstillinger: Arna omformerstasjon innstilles med Xq=1,06 pu og statikk til spenningsregulatoren XC=-4% Dale omformerstasjon innstilles med en statikk til spenningsregulatoren XC=-12% Mate- og returkablene fra omformerstasjon anbefales å dimensjoneres med et kabeltverrsnitt på 400 mm 2.
Undertittel Side: 33 7 APPENDIKS 1 GRAFISKE RUTEPLAN 2027 Figur 7-1 Grafiske ruteplan for år 2027 mellom Bergen og Haugastøl
Undertittel Side: 34 8 REFERANSER [1] Utredningsrapport, Utredningsrapport Bergensbanen Fremtidig banestrømforsyning på Bergensbanen, Dokument nr EB.100900-000, september 2012. [2] Rapport; Tekniske vurderinger for Jernbaneverket Faseavstander og belastningsstrømmer i nytt kontakt ledningsnett, Statnett, Oslo??, 2005, (mai) [3] Rapport; Beregning av termisk belastbarhet for høyspentkabler AT-system i jernbanetunneler, Norconsult, sted??, 2005. (02-05.2005) [4] Notat; Valg av tverrsnitt for NL og PL ledere i AT-system med seksjonert kontaktledning. Jernbaneverket, Oslo, 2006. (ITPE, 2006)