Dünya çapında bir çok ülkedeki çeşitli bölge ve kentler arasındaki demiryolu ağları, yüksek hızlı trenlere hareket gücü sağlamak için elektrifikasyon sistemleri ile donatılmıştır.
Ve bu noktada, Elektrifikasyon Sistemleri, her trenin akım toplaması için bir iletişim arabirimi olarak ve A.C elektrikle çalışan demiryollarında gücü dağıtma aracı olarak hizmet eder.
Genel olarak, iki felsefeden biri tercih edilir bu sistemlerde; bir pantograf tarafından güç toplama ile rayın üzerinde bir üst katener;veya iletken ray elektrifikasyonu ile hareketli raylara yakın yerleştirilmiş özel bir metalik iletken yüzeyinde temas pabuçları yoluyla akım toplama sağlanır.
İkinci düzenleme en yaygın olarak D.C. traksiyonu için kullanılırken, önceki düzenleme A.C. ve D.C. traksiyonu için kullanılır. Bazı demiryolu güzergahlarında, farklı demiryolu operatörleri tarafından rota paylaşımını kolaylaştırmak için çift havai ve kondüktör-ray elektrifikasyonu bulunur.
Havai katenerler, rayların üzerinde, demiryolu personelinin ve halkın ulaşamayacağı yerlerde oldukları için genellikle daha güvenli kabul edilir. Yüksek voltajlarda bir çekiş beslemesinin tasarlanabilmesinin tek yolu bu sistemlerdir.
Bazı ülkelerde 1.5kV ve 3kV D.C katenerler yaygın olmasına rağmen, çalışan raylara göre 11kV-50kV aralığında bir gerilim ile tek fazlı bir A.C besleme sağlarlar. İletken ray sistemi kullanıldığında, besleme gerilimi genellikle 600V ila 1700V D.C arasındadır.
Bu teknik makale genel olarak YG havai A.C. katener elektrifikasyonu ile ilgili korumayı tanıtmaktadır. Pek çok demiryolu güzergahının doğası ve sınırlı elektrik açıklıkları nedeniyle (özellikle mevcut elektriksiz bir güzergahın elektrikleneceği yerlerde), katener arızaları yaygındır.
Tipik bir arıza oranı, rota kilometresi başına yılda bir arızadır. Kontak telindeki yüksek mekanik gerilimle (tipik olarak 6-20kN) birleşen nispeten yüksek arıza oranı, hızlı arıza giderme gerektirir.
Bir arıza hızlı bir şekilde giderilmezse, kateneri oluşturan iletkenler yoğun aşırı ısınma nedeniyle kırılabilir ve bunun sonucunda hareket halindeki trenlerin neden olduğu daha fazla ciddi hasar ve tren hizmetlerinde uzun süreli kesinti riskleri oluşturur.
Koruma Felsefesi
Korumanın elektrik güç iletim şemalarına uygulanması, yalnızca korunan devre içindeki en ciddi arızalar için güvenilirliği sağlamaya yöneliktir. İstenmeyen açmaların sonuçları ciddi olduğundan, uzak yedekleme koruması uygulamalarında pek fazla maceraya atılmaktan kaçınılmalıdır.
Elektrikli demiryolları söz konusu olduğunda, herhangi bir türden sürekli elektrik arızasının (yüksek direnç, uzaktan kesici/koruma arızası vb.) havai kablo hasarı veya hatalı bir cer ünitesi ile ilişkili olma olasılığı yüksektir.
Mekanik hasar veya kaza nedeniyle düşen canlı teller, yakınlarda insanların (hatta çalışan demiryolu personeli veya yolcular) bulunma olasılığının yüksek olması nedeniyle demiryollarında daha büyük bir güvenlik tehlikesi oluşturur. Cer ünitesi arızaları, özellikle tünellerde, bir yangın tehlikesi ve yolcular için bir güvenlik riski oluşturur. Bu nedenlerden dolayı, güvenlik pahasına yedek korumanın güvenilirliğine yönelik bir önyargı olacaktır.
Nadiren istenmeyen bir açmanın sonuçları çok daha kabul edilebilirdir (kontrol merkezi, açılan devre kesiciyi tekrar kapatır, ve bazı trenler, kontrol merkezi tekrar kapatmanın güvenli olmasını sağlarken gecikir), düşen bir tel veya bir çekiş ünitesi arızası nedeniyle açma başarısızlığının sonuçlarından daha fazladır.
Klasik tek fazlı besleme
Klasik tek fazlı AC demiryolu elektrifikasyonu 1920'lerden beri kullanılmaktadır. Daha önceki sistemler düşük frekanslı kaynaklar kullanıyordu ve birçok ülkede 162/3Hz ve 25Hz kaynaklar kullanan elektrifikasyon sistemleri kullanılıyor.
Kapsamlı bir ağın dönüşüm maliyeti, lokomotiflerin gerekli geçiş süresi boyunca kapsamlı bir şekilde çalışması gerekliliğinden dolayı genellikle çok gğçtür.
Batı Avrupa'dan başlayarak ve dünya çapında yayılan etkiyle, 50/60Hz standart güç sistemi frekansında tek fazlı A.C. elektrifikasyon bşr standart haline geldi.
Yukarıdaki Şekil 2, destek trafoları (BT) ile klasik 25 kV beslemeyi göstermektedir. Takviye trafoları, çekiş dönüş akımını, destek direklerinin arkasına sabitlenmiş havai olarak monte edilmiş bir dönüş iletkeninde akmaya zorlamak için kullanılır (Şekil 3).
Bu düzenleme, raylardan ve topraktan büyük bir kesit döngüsünde geri dönen çekiş akımını sınırlar ve böylece bitişik telekomünikasyon devreleriyle elektromanyetik girişimi azaltır.
Yardımcı şebeke boyunca fazdan faza bağlı bir düşürücü trafo, genellikle çekiş kaynağıdır. Trene elektrik beslemesi, raylar ve ardından dönüş iletkeni üzerinden akan dönüş akımı ile üst katener yoluyla yapılır.
Hareketli raylar düzenli aralıklarla toprağa bağlı olduğundan nominal olarak toprak potansiyelindedirler. Bir arıza durumunda katener beslemesini kesmek için gereken tek şey tek kutuplu bir devre kesicidir.
Klasik Sistem // Besleme Şeması
Uygulamada, tek hatlı demiryolu hatları nadirdir ve iki veya dört paralel hat daha yaygındır. Havai hat ekipmanı daha sonra paralel çalışan iki veya dört elektriksel olarak bağımsız katenerden oluşur.
Şekil 4, klasik bir elektrifikasyon sistemi kullanan tipik bir iki hatlı demiryolu için besleme şemasını göstermektedir.
Kuzey yönündeki hatlara besleme, Besleme İstasyonunda (FS) T1 şebeke trafosu aracılığıyla yapılır. Güç daha sonra kuzeye ve güneye giden yolların üzerindeki A ve B katenerleri aracılığıyla dağıtılır. Aralıklarla, Şekil 4'te gösterildiği gibi, paralelleştirme/alt-bölümleme trafo merkezlerinde iki kateneri paralel hale getirmek olağan bir uygulamadır.
Yük akımı daha sonra paralel yollarda akabilir, bu da yükün empedansı azaltır ve dolayısıyla hat voltajı düşer. Trafo merkezi terminolojisinin ima ettiği gibi, katenerlere giden beslemelerin her biri için devre kesicilerin sağlanması da alt bölümlere ayırmaya izin verir – yani.bir arıza durumunda katener bölümlerinden beslemeyi kesme veya bakıma izin verme yeteneğidir bu.
Şekil 4'teki 'A' katenerindeki bir arıza durumubda, besleme istasyonundaki ve SS1'deki devre kesiciler A, arızalı kateneri izole etmek için açılacak ve bu sayede B, C, D, E ve F katenerleribib sağlıklı bölümlerine besleme sağlanacaktır.
T1'den gelen besleme, genellikle sadece orta noktaki trafo merkezindeki (MPSS) normalde açık bara bölümü devre kesicisine (BS2) kadar beslenir. MPSS'nin ötesinde, Şekil 4'te gösterilen T1 ila BS2 elektrik düzenlemelerinin bir ayna görüntüsü vardır ve uzak uç besleme istasyonu genellikle T1'den 40-60 km uzaktadır. BS2, tek fazlı katener yoluyla Şebeke güç transferini önlemek veya Şebekenin farklı faz çiftlerinden elde edilebilecek paralel beslemeleri önlemek için normal besleme sırasında açık kalmalıdır.
Aynı durum, normalde açık kalan BS1 için de geçerlidir, çünkü T1 ve T2 beslemeleri, üç fazlı şebekeceki yükü dengelemek amacıyla genellikle farklı faz çiftlerinden gelir. Nötr bölüm (NS), hareket ettirici güç ünitelerinin pantografları için katenerin sürekliliğini sağlamak ve rayın bölümlerini elektriksel olarak izole etmek için kullanılan iletken olmayan bir katener bölümüdür.
Besleme İstasyonunda T1 ve T2 tarafından beslenen hatları ayırarak basitlik açısından yalnızca iki (ray hattı başına bir adet) gösterilirken, bunlar elektriksel izolasyon tesislerinin sağlandığı her noktada bulunur.
Japonya Demiryolu – Havai Güç Hattı (Katener Sistemi)
Referans Doküman: Network Protection and Automation Guide by Areva