yyn-RS.20 » 750VDC ve 1500VDC Enerji Kaybı Karşılaştır&

Kullanıcı avatarı
Esat
Pir-i Seyyâh
Mesajlar: 16427
Kayıt: 17 Eyl Pzt, 2007 13:37

yyn-RS.20 » 750VDC ve 1500VDC Enerji Kaybı Karş

Mesajgönderen Esat » 12 Eki Pzt, 2009 09:50

Bu makale Sn. Dr. Süleyman Açıkbaş (Elektrik Yük. Müh.) ın izni ile yayınlanmıştır.

Raylı Sistem Simülasyonu Kullanılarak 750 VDC ve 1500 VDC Cer Gücü Sistemlerinin Enerji Kaybı Bakımından Karşılaştırılması

S. AÇIKBAŞ & M. T. SÖYLEMEZ

İstanbul ULAŞIM AŞ, İstanbul Büyükşehir Belediyesi, İstanbul, Türkiye
İstanbul Teknik Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye

COMPRAIL, 2004 Dresden, Almanya’da sunulan bildirinin Türkçeleştirilmiş tam metnidir.


Özet
Yeni ulaşım hattı yapılacağı zaman farklı cer gücü besleme sistemlerinin çalışılması gereklidir. İşletme maliyetleri hesaplanırken dikkat edilmesi gereken bir husus tahmini elektrik maliyetinin saptanmasıdır.
Eğer hat kapasitesi 22000 pphpd’ yi aşarsa, orta boyutlu taşıma kapasitesi, tren-set konfigürasyonu 4 araçtan daha fazla olacak ve trenler arasındaki süre daha da kısalacak, bunun sonucunda daha fazla cer gücü talebi ortaya çıkacaktır. Bir iletkendeki enerji kaybı iletkenden çekilen akımın karesi ile orantılıdır. Sonuç olarak, teoride, gerilim düzeyi iki katına çıkarsa enerji kayıpları ¼ üne inecektir. Bu teori regeneratif frenleme sebebi ile doğru olmayabilir.

1. Giriş

İlk elektrikli hattan itibaren demiryolları cer gücü sistemleri için farklı gerilim seviyeleri kullanılmaktadır. EN 50163’ te belirlenen [1], en yaygın cer gücü besleme sistemleri aşağıda Tablo 1’ de verilmiştir.

Tablo 1 : EN 50163’ e göre elektrikli demiryollarında kullanılan gerilim seviyeleri
Resim

Tablo 1’ de kullanılan semboller :
Un = Nominal gerilim
Umin2 = En küçük sürekli gerilim
Umin1 = En küçük süreksiz gerilim
Umax1 = En büyük sürekli gerilim
Umax2 = En büyük süreksiz gerilim
Umax3 = 20 ms’ den daha uzun süre için kısa dönem aşırı gerilim
Bilindiği gibi AC sistemler genellikle ana hat uygulamalarında kullanılırken, hemen hemen dünyadaki bütün toplu ulaşım sistemleri DC sistemlerle beslenir. Toplu ulaşım sistemlerinde kullanılan gerilim düzeyleri 1500 VDC’ ye kadar çıkar. Bazı ülkelerde, 1500 ve 3000 VDC sistemler de ana hat uygulamalarında kullanılmaktadır. Gerçekte, 90’ ların sonlarına kadar tüm dünya çapındaki ana hat şebekesinin neredeyse yarısı DC besleme sistemleriyle beslenmekte idi. Fakat bu durum AC besleme sisteminin üstün gelen özellikleri sayesinde AC besleme sisteminin lehinde değişmiştir.

Benzer bir durum toplu ulaşımında da olmuştur. 19. yüzyılın başlarında demiryolu ulaşım sistemlerinde 600 VDC güç sistemleri kullanılıyordu. Güç elektroniği ve elektrik sistemlerindeki teknolojik gelişmeler yeni yapılan hatların çoğunda cer gücü olarak 1500 VDC sisteminin seçilmesine öncülük etmiştir. İlginç bir örnek Madrid metrosunun Metrosur ring hattıdır: Bu mevcut 176 km uzunluğundaki metro ağı 600 VDC ile beslenmektedir. Fakat mevcut sisteme yapılan uzatma için 1500 VDC sistem tercih edilmiştir [2]. “Dünyadaki Metrolar” isimli kitap [3] Japon Metro Birliği tarafından Mayıs 2000 de basılmış olup, dünyadaki 117 metro sisteminin ana karakteristiklerini içerir. Bu karakteristikler incelenirse aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:

1- Toplu demiryolu ulaşım sistemlerine öncülük eden ülkeler, örneğin Almanya, İngiltere ve Fransa 600 ve 750 VDC sistemleri kullanmaktadır. Buna rağmen, herhangi bir şekilde mevcut hattı etkilememek üzere yeni yapılan hatlarda 1500 VDC sistemi tercih etmektedirler.
2- İtalya ve İspanya’ daki en yaygın sistem 1500 VDC’dir.
3- Bir çok Asya ülkesi nominal güç sistemi olarak 1500 VDC kullanmaktadır. Singapur’ un NE hattında 1500 VDC seçilmiştir. Singapur’ da katener sisteminin görüntü kirliliği oluşturduğu ve açık alanlarda kullanılmaması gerektiği düşünülse bile 1500 VDC de zorunlu olan bu katener sistemini kullanmışlardır.
4- Ayrıca, tren konfigürasyonunun 5 aracı aştığı veya pphpd > 25000 olduğu bir çok durumda, güç sisteminin 1500 VDC olarak seçildiğini söylemek yanlış olmaz.
Bu bildiride, bir örnek çalışma durumu sunulacaktır. İstanbul Büyükşehir Belediyesinin bugünlerde şehrin Anadolu yakasında Üsküdar – Ümraniye arasında planladığı/dizayn ettiği yeni metro hattı bu yakadaki ilk DC beslemeli sistem olacaktır. 2. Bölümde 1500 VDC sistemin avantajları kısaca açıklanacak. Daha sonra 3. bölümde 750 VDC ve 1500 VDC sistemin karşılaştırılması verilecek. 4. bölümde simülasyon test çalışmalarının detayları verilecek. Ve 5. bölümde sonuçları içerecek.

2. 1500 VDC sistemin avantajları
Bir sistem ekonomik, modern ve rahatça işletilebilir olmalıdır. İlerleyen konularda yeni yapılan orta ve ağır kapasiteli hatlarda neden 1500 VDC besleme sisteminin seçildiği sorusu cevaplanmaya çalışılacaktır.

2.1 Cer Gücü Trafo Merkezi (SS) Sayısının Azalması
Aynı güç ihtiyacı için çekilen akım değeri 750 VDC ile karşılaştırıldığında 1500 VDC sistemde yarıya iner. Bunun sonucu olarak, akım taşıyan iletken boyunca gerilim düşümü azalır. Bu, trafo merkezleri (SS) arasındaki mesafelerin artmasına izin verir. Pratik uygulamalara göre, komşu SS’ler arasında 1500 – 2500 m mesafe 750 VDC besleme sisteminin sağlıklı işlemesi için uygundur, aynı mesafe 1500 VDC sistemde 4000 m ye kadar çıkabilmektedir. Bunun sonucunda, aynı hat uzunluğu için 1500 VDC‘ de daha az trafo merkezi gerekecektir.
Yapılması gereken trafo merkezi sayısının azalması yapım maliyetini azaltacaktır. SS ekipman üreticileri ile konuşulduğu zaman, örneğin BBRail, DC Şalt ve transformatör hariç SS’deki ekipmanların bir çoğunun maliyetinin aynı olduğunu belirtiyorlar ki bu durum bir SS maliyetinde %5 artışa neden olacaktır [4]. Cer gücü sistemi toplam maliyetinde ise 750 VDC ile karşılaştırıldığında %25 ile %35 arasında bir azalmanın oluşacağı görülür.
Çok açıktır ki daha az akım için, DC besleme kablolarında ve MV kablolarında daha küçük kesit gerektirecektir. Ayrıca OHL sistem yapım maliyeti de etkilenecektir. Pham, et.al. bu konuda fikirler vermektedir [4]. Rijit katener sistemin derin tünel uygulamalarında normal katener sisteme göre avantajları olduğu için Üsküdar - Ümraniye hattında bu sistem akım taşıyan iletken olarak seçildi.

2.2 Bakım Maliyetinde (adamsaat) Azalma
Yukarıda tartışılan noktanın, cer trafo merkezinin bakım maliyetine direkt etkisi vardır. Bir trafo merkezinde, periyodik bakım ve muayene gerektiren yaklaşık 25 ekipman vardır. Bu yüzden SS’lerin sayısındaki azalma sonucunda bakım maliyetleri azalacaktır. Ayrıca dikkate değer bir nokta da ekipman sayısındaki azalma ile potansiyel hata kaynağı sayısının da azalacağıdır.
2.3 Geri Kazanılmış Enerji Kullanımındaki Artış
Yeniden üretilen enerji kullanımı trenlere ve SS yerlerine bağlı olan bir faktördür. SS’ ler arasındaki artan mesafe ile aynı besleme bölümünde birden fazla trenin bulunma olasılığı artacaktır. Bu, yeniden üretilen enerji kullanımında artışa neden olur.

2.4 Daha Az Enerji Kaybı
Raylı ulaşım sisteminde, iletim esnasında enerji kaybı meydana gelir. Akım taşıyan iletken ve SS ekipmanları, bu kaybın kaçınılmaz kaynaklarıdır. Rayların da bu enerji kaybına katkıda bulunduğu unutulmamalıdır. Pkayıp = R x I2 formülüne göre enerji kaybı akımın karesi ile orantılıdır.
Bu formülün sonucu olarak gerilim seviyesi 2 katına çıkarsa enerji kayıpları ¼ üne inecektir. Fakat bu durum regeneratif frenleme ile tam doğru olmayabilir. Ayrıca, SS mesafelerini arttırmak da enerji kaybını etkiler.
Gerçekte, bu değerler sadece detaylı multi-tren, multi-hat simülasyon yazılımlarında ölçülebilir. Gelecek bölüm bu konu ile ilgilidir.

3 Karşılaştırma Çalışması
Karşılaştırma çalışması yeni geliştirilen multi-tren, multi-hat raylı sistem simülasyon programı kullanılarak yapılmıştır [5]. Verilen tren-set karakteristikleri ve coğrafi koşullar için testler yapılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırma tablosunda gösterilmiştir.

3.1 Üsküdar – Ümraniye Metro Hattı
Metro hattı 16 km uzunlukta planlanmıştır. Bu hatta 13 yolcu istasyonu bulunacaktır. Hattın orijinal planlaması ve çalışması uluslararası bir şirket tarafından yapılmıştır. Daha sonra, İstanbul Ulaşım AŞ bir proje ekibi kurmuş ve hattın güzergahını değiştirmiştir. Bazı kurplar çıkartılarak yol uzunluğu kısaltılmıştır. Bu, hattın maksimum eğimi arttırılarak sağlanmıştır. Hattın başlangıcında yaklaşık 2200 m %4 eğim vardır.
Güç besleme sisteminin gerilim düzeyi bu çalışma esnasında ayrıca tartışılmıştır. Bu nedenle bir rapor hazırlanmıştır. Bu raporda, 1500 VDC / 750 VDC gerilim düzeyleri ve Katener/3.ray sistemleri karşılaştırılmış ve sonuçta hat için 1500 VDC + Rigit Katener sistemin daha uygun olduğu ortaya konulmuştur.

Simülasyon çalışması için İstanbul Ulaşım AŞ tarafından sağlanan veriler 8 yolcu istasyonu yapılacak olan hattın ilk 9300 m sini kapsamaktadır. Tahmin edilen pphpd, 2010 yılı için 25000’ dir, fakat 2025 yılı için bu kapasitenin 35000 pphpd’ ye çıkacağı düşünülmektedir. Başlangıçta headway zamanı 210 saniye olarak hesaplanmıştır. Son pphpd için, bu değer 150 saniyeye düşürülecektir. Trenler 6’lı dizilerden oluşacaktır.
Hatta kullanılacak araçların halen Aksaray – Havalimanı LRT hattında kullanılan araçlarla aynı özelliklere sahip olduğu kabul edilmiştir. Simülasyonda kullanılan model trenin bütün detaylı verileri İstanbul Ulaşım A.Ş den elde edilmiştir.

3.2 Simux Yazılımı
Karşılaştırma çalışması SimuX adlı multi-hat, multi-tren simulatorü ile yapılmıştır [5]. SimuX, DC beslemeli raylı sistemlerin simule edilmesini sağlar. Bu program, regeneratif frenleme ve araçların düşük gerilim altındaki davranışlarını göz önüne almaktadır.

3.3 Simülasyon Test Çalışması
Hat geometrik verilerle modellenir, örneğin kurplar, eğimler, P/S yerleri ve hız limitleri gibi (Bakınız Şekil 1). Bütün istasyonlarda standart 20 sn bekleme yapılacağı kabul edilmiştir.

Resim
Tablo 1 Metro hattının eğim verileri

Katener sistemi ve trafo merkezleri tanımlanmıştır. 750 VDC için 6 trafo merkezi olacağı düşünülürken, 1500 VDC için 4 SS yeterli olacaktır. (Bakınız Tablo 2) Bu sayılar şunlar düşünülerek seçilmiştir: Ray potansiyeli eşik değeri geçmemelidir ve SS lerden birinde bir transformatör hatası olduğu zaman sistemin işleyişi bundan etkilenmemelidir (yani bu durumda tren tarifesinde herhangi bir değişiklik olmamalıdır).
Bir set ile donatılmış birinci ve sonuncu trafo merkezleri hariç bütün trafo merkezlerinin 2 tane doğrultucu-transformatör sete sahip olduğu kabul edilmiştir. Rigid katener direnci 1.5E – 5 Ohm/m, iki paralel ray direnci 2.06E – 5 Ohm/m kabul edilmiştir. Her hat ayrı beslenecektir, bunun anlamı katener sistemde herhangi bir paralelleme olmayacaktır. Raylar dönüş akımlarını taşımak için kullanılır ve kaçak akımları minimize etmek için floating earth stratejisi benimsenmiştir [6]. Bütün test çalışmalarında örnekleme zamanı 25 ms olarak alınmıştır.

Resim
Tablo 2 :Besleme sistemleri için trafo merkezlerinin yerleri

750 VDC ve 1500 VDC cer gücü sistemleri için birçok simülasyon testi yapılmıştır. Bu testler işletmenin iki saatlik doruk saatlerini kapsamaktadır. Trenler başlangıçta tam yüklü daha sonra yarı yüklü düşünülmüştür. Bütün durumlar için, headway zamanı olarak 150 ve 300 s kullanılmıştır.

4 Sonuçlar
Bütün sistem bilgileri simulatore girilmiş ve yukarıda belirtilen testler gerçekleştirilmiştir. Üsküdar - Ümraniye metro hattının SimuX gösterimi Şekil 2’ de görülmektedir.

Resim
Şekil 2. Metro hattının grafik gösterimi

4.1 750 VDC sistemin simülasyon testi
Simülasyon esnasında ana değişkenlerin sayısal değerleri, ör. besleme fider akımları, min. tren gerilimi ve max. ray gerilimi tabloda gösterilmektedir. Bkz. Şekil 3.

Resim
Şekil 3. 750 VDC sistem için simülasyon sonuçları

Şekil 3’ den görüldüğü gibi min. tren gerilimi 662 V’ dur. Bir aracın km başına enerji tüketimi 3.18 kWh’ dır. SimuX, trenlerin her biri için 22 farklı data (2 saat içinde 96 tren), trafo merkezlerinden her biri için 16 farklı data ve toplam enerji tüketimi gibi 8 genel değişkeni kayıt altına almıştır. Şekil 4 de bazı örnek grafikler görülmektedir.

Resim
Şekil 4. Bir trenin zamana göre hız limitleri/hız ve hat akımları

Bu grafiklerden metro hattı için ticari hız 38 km/h olarak hesaplanmaktadır. Bir trenin akımı üzerindeki eğim etkileri Şekil 4’ de sağdaki grafikte açıkça görülmektedir. Hattın başındaki istasyonlar arasında bir trenin çektiği akımın 3100 A civarında olduğu, hattın geri kalanında ise daha düşük akım çektiği görülmektedir.

“Toplam enerji tüketimi” ve “Enerji kayıpları” gibi genel veri değişkenleri SimuX’ un Scope aracı yardımı ile grafik halinde görülebilir. Bkz. Şekil 5.
Toplam enerji tüketimi tüm sistemin çektiği enerji miktarıdır. Bu grafiklerden görüldüğü gibi sistemin iki saat çalışması sırasında 16086 kWh enerji tüketilmektedir, bunun 1744 kWh’ı sistemin kayıplarıdır. Enerji kayıpları % olarak formül (1) den hesaplanabilir :
EKayıp (%) = EKayıp / ETüketilen x 100 (1)

Resim
Şekil 5. İki saatlik simülasyon boyunca toplam enerji tüketimi ve kaybı

Bu durumda enerji kaybı %10.84 olarak hesaplanır. Bu değere göre, cer gücü enerji tüketiminin 100 kWh’ ının yaklaşık 10 kWh’ ı kayıptır. Eğer bu sonuç İstanbul – Aksaray Havalimanı LRT hattı için baz alınırsa, bu hatta yıllık yaklaşık 2 GWh enerji tüketilir, bunun 200.000 kWh’ ı kayıplara gider. Enerji fiyatı Türkiye’ de biraz fazladır; 8.3 cent/kWh. Bu göz önüne alınırsa, yılda yaklaşık 200.000 $/yıl hat kayıplarına harcanmaktadır.

4.2 1500 VDC sistem simülasyon testi
Benzer bir test 1500 VDC sistem için yapılmıştır. Enerji kaybı %4.82 olarak hesaplanmıştır. Bu teste ait enerji tüketimi ve hat kayıpları eğrileri Şekil 6’da görülebilir.

Resim
Şekil 6. 1500 VDC sistemin enerji grafikleri

Bu grafiklere göre 14612 kWh enerjinin 703.8 kWh’ ı kayıplardır. Şekil 7 simülasyondan sonra SimuX’ un ana ekranını göstermektedir.

Şekil 7’ de görüldüğü gibi, aynı miktardaki araç km’si için toplam enerji tüketimi 750 VDC’ de 16080 kWh iken 1500 VDC’ de bu değer 14612 kWh’a düşmüştür. Bu toplam tüketimde 1474 kWh azalma sağlar ki bu da enerji tüketiminde %9.16’ lık bir azalmaya eşittir.

Resim
Şekil 7. 1500 VDC sistemin ana ekranı

Bu sonuçlar gösteriyor ki, yeniden üretilen enerji kullanımı beklenildiği gibi 1500 VDC sistemde artmaktadır. Bu artış iki enerji kaybı değeri ile açıklanabilir: 750 VDC’ de 1744 kwh kayıp oluşurken, 1500 VDC sistemde 704 kwh kayıp oluşmaktadır. Bunun anlamı enerji kaybından 1040 kWh kazanç sağlanmış olması dır. Oysa, gerçek enerji tasarruf değeri yukarıdaki paragrafta belirtildiği gibi 1474 kWh’ dır. 1474 ve 1040 arasındaki fark 434 kWh’ dır ve regeneratif frenlemeden geri kazanılan enerji miktarıdır. Regeneratif frenleme enerji kullanım oranları konusu gelecekte detaylı incelenmek üzere bırakılmıştır.

4.3 Testler için karşılaştırma tablosu
Diğer testler bölüm 3.3 de belirtildiği gibi yapılmıştır. Tam yüklü trenler (FL = 271 ton) kullanıldıktan sonra trenlerin yarı yüklü (HL = 219 ton) olduğu kabul edilmiş ve bu 4 test headway zamanı 300s durumu için tekrarlanmıştır. Bu testlerdeki toplam tüketim ve enerji kayıpları Tablo 3 de özetlenmiştir.
Enerji kaybı yüzde olarak 1500 VDC için 4.02 ile 4.82 arasındadır. 750 VDC sistemde ise 8.53 ile 10.34 arasındadır.

Resim
Tablo 3 Simülasyon çalışmalarının özeti
Tablo 3’ ün son sütunu 750 VDC yerine 1500 VDC besleme sistemi seçilirse elde edilecek enerji tasarrufunu göstermektedir. Bu sonuçlara göre aynı şartlar altında 1500 VDC besleme sistemi kullanılırsa cer gücü enerji maliyetinde % 10 azalma sağlanacaktır.

5 Sonuç
Raylı toplu ulaşım sistemi için yapılan plan ve dizaynlar esnasında güç sistemine ilişkin çalışma yapılması elzemdir. 1500 VDC sistemin 750 VDC sisteme göre birçok avantajı vardır. Bu avantajlardan bir tanesi 1500 VDC sistemin enerji tasarruf karakteristiğidir.
Bu bildiride, 1500 VDC sistemin 750 VDC güç sistemine göre avantajları özet şekilde verilmiştir. Özellikle, öngörülen metro hattı için simülasyon testleri yapılmıştır ve bunun sonucunda 1500 VDC güç sisteminin cer gücü enerji maliyetinde yaklaşık % 10 kazanç sağladığı görülmüştür. Cer gücü enerji kayıpları yüzde olarak 1500 VDC sistemde yapılan testlere göre 750 VDC sistemde oluşana göre yarıya inmektedir. Bütün bu sonuçlar bizim Üsküdar – Ümraniye metro hattı için 750 VDC sistem yerine 1500 VDC sistemi tavsiye etmemizi desteklemektedir.

Teşekkür
İstanbul Ulaşım A.Ş ye Üsküdar – Ümraniye hattının simülasyonu için gerekli verileri temin etmemizde gösterdikleri yardım ve destek için teşekkür ederiz.
Kaynakça
[1] European standard EN 50163
[2] Melis, M. J., Low-cost extension programme completed in just 40 months, Railway Gazette, Volume 159 Supplement, pp. 9-12, 2003
[3] Japan Subway Association, Subways of the World (Japanese), Tokyo, 2000
[4] Pham, K., Eacker, R., Burnett, M. & Bardsley, M., A step forward or backward? Sound transit opts for 1500 VDC traction electrification, ASME/IEEE Joint Rail Conference, pp. 67-72, 2000
[5] Söylemez, M.T. & Açıkbaş, S., Multi-Train Simulation of DC Rail Traction Power Systems with Regenerative Braking, Submitted to COMPRAIL, 2004
[6] Yu, J.G., The effects of earthing strategies on rail potential and stray currents in D.C. transit railways, Int. Conf. on Developments in Mass Transit Systems, IEE, pp. 303-309, 1998.

“Makaleler” sayfasına dön

Kimler çevrimiçi

Bu forumu görüntüleyen kullanıcılar: Hiç bir kayıtlı kullanıcı yok ve 1 misafir