Kontaktledningsanlegg

15.1 Innledning

Kontaktledningsanlegget er det overliggende ledningsanlegget som forsyner toget med elektrisk energi. Energien overføres fra den faste infrastrukturen gjennom kontakttråden og strømavtakeren til banemotorene og det øvrige trekkraftutstyret på jernbanekjøretøyet. Anlegget har derfor to samtidige oppgaver: Det skal føre tilstrekkelig strøm til togdriften og opprettholde en pålitelig, glidende mekanisk kontakt mellom strømavtakeren og kontakttråden ved aktuell hastighet.

Figur 15.1 Elektrifisert jernbanekurve i Trondheim, med kontaktledningsanlegget sett i sammenheng med spor, master og signalanlegg.

Elektrifiserte jernbaner i Europa bruker flere systemer for vekselstrøm (AC) og likestrøm (DC). Fordelingen i figur 15.2 forklarer hvorfor internasjonalt rullende materiell ofte må være kompatibelt med mer enn én spenning og frekvens. Eurostats strekningslengder for EU i 2024, vist i tabell 15.1, viser at ingen systemtype alene dominerer. De to AC-systemene dekker til sammen mer enn halvparten av den elektrifiserte strekningslengden, men DC-nettene er fortsatt omfattende.

Figur 15.2 De viktigste elektrifiseringssystemene for jernbane i Europa [119].

System	Strekningslengde [km]	%
DC 1,5 kV	8 750	7,5
DC 3,0 kV	36 432	31,3
AC 15 kV 16,7 Hz	32 765	28,2
AC 25 kV 50 Hz	37 098	31,9
Annet AC/DC	1 228	1,1
Sum	116 275

Tabell 15.1 Elektrifiseringssystemer på jernbaner i EU, 2024 [97].

Norge bruker 15 kV, 16,7 Hz AC i det nasjonale banestrømforsyningssystemet [75, 39]. I eldre jernbanelitteratur skrives frekvensen ofte som \(16\tfrac{2}{3}\,\mathrm{Hz}\), fordi systemet er synkronisert med det offentlige 50 Hz-nettet. Systemet har historisk vært felles med Sverige, Tyskland, Sveits og Østerrike. Den første elektrifiserte strekningen på det norske statsbanenettet var Oslo V–Asker 18. juni 1922, og den første fullstendig elektrifiserte banen var malmbanen Narvik–Riksgrensen 10. juli 1923.

For jernbaneingeniøren er det viktig å forstå at en kontaktledning er både en elektrisk mateledning og en lang, oppspent mekanisk konstruksjon som må ivareta minste tverrsnitt, strømavtakerens arbeidsområde, vindutbøyning, stivhet i støttepunktene, trådslitasje, frittrom i tunneler og ved bruer samt den dynamiske responsen fra passerende tog.

15.2 Historisk utvikling

Kontaktledningen har utviklet seg sammen med den elektriske trekkraften:

1879: Det første elektriske lokomotivet (Siemens & Halske, Berlin): strømtilførsel via en skinne under bakken, en upålitelig og farlig løsning.
1882: Det første overliggende ledningsanlegget: sideplassert leder for sporveien Berlin-Westend (Siemens).
1889: Walter Reichel (Siemens) oppfinner strømavtakeren.
1901: Det første forsøket med vekselstrømsdrift: 3-faset 10 kV 50 Hz på strekningen Marienfelde–Zossen; hastigheter på 210 km/h ble oppnådd i 1903.
1903: Den første kontakttråden opphengt i bæreline (AEG): AC 6 kV 25 Hz på strekningen Niederschoeneweide–Spindlersfeld; V-formede hengetråder gir tilnærmet konstant kontakttrådhøyde.
1911–1913: Den første enfasede driften med \(15\,\mathrm{kV}\), \(16\tfrac{2}{3}\,\mathrm{Hz}\)\ på strekningen Dessau–Bitterfeld (1911). Ved årsskiftet 1912/1913 vedtok de tyske statsbanene denne spenningen og frekvensen som felles standard; senere ble den også skandinavisk standard.
1926: Omfattende standardisering av kontakttrådhøyde, systemhøyde, avstand mellom hengetråder, spennlengde, sikksakkføring og utforming av overlappfelt.

De tidlige systemene prøvde ut ledere under bakken, sideledere, likestrømforsyning og flerfaset vekselstrøm. Det avgjørende steget for hovedjernbanene var kombinasjonen av høyspent vekselstrøm, overliggende kontakttråder og strømavtaker. Da kontakttrådhøyde, systemhøyde, avstand mellom hengetråder, spennlengde og sikksakkføring ble standardisert, gikk kontaktledningsanlegget fra å være en lokal forsøksinstallasjon til å bli et repeterbart infrastruktursystem for jernbanen.

15.3 Strømforsyning

Tog kan drives elektrisk med likestrøm eller vekselstrøm. DC-systemer bruker lavere spenning og krever derfor større strømmer og ledertverrsnitt for samme togeffekt. AC-systemer tillater høyere spenning og lavere strøm, noe som er gunstig over lange avstander og ved stort effektbehov. Norges 15 kV 16,7 Hz-system er beholdt av hensyn til kompatibiliteten med det eksisterende nettet, mens mange nyere europeiske høyhastighetsbaner bruker 25 kV 50 Hz.

Banestrømforsyningen omfatter omformere eller transformatorer, mateledninger, koblingsanlegg, vern, fjernstyring og returkrets. Matestasjonenes plassering og kapasitet avhenger av togenes effektbehov, trafikktetthet, stigninger, strekningshastighet, regenerativ bremsing og tillatt spenningsfall. Kontaktledningen er derfor den synlige delen av et større banestrømsystem. Tabell 15.2 oppsummerer de viktigste argumentene for og mot elektrifisering på systemnivå. De fleste ulempene er kostnader på infrastruktursiden, mens de fleste fordelene oppstår på kjøretøy- og driftssiden.

Fordeler	Ulemper
Lavere drifts- og vedlikeholdskostnader for kjøretøyene. Høyt effekt–vekt-forhold og god akselerasjon. Høy praktisk ytelse og hastighet. Lave lokale utslipp og mindre støy. Regenerativ bremsing. Egnet for drift i tunnel.	Høye infrastrukturkostnader. Større krav til frittrom i tunneler og ved bruer. Behov for tilpasninger av signalanlegg og jording. Visuell påvirkning. Større avhengighet av fast utstyr. Utfordringer med samtrafikkevne mellom nasjonale systemer.

Tabell 15.2 De viktigste virkningene av elektrifisering av jernbanen.

Regenerativ bremsing er en viktig fordel ved elektrisk trekkraft. I fall kan et tog føre energi tilbake til banestrømsystemet. Energien kan deretter brukes av et annet tog dersom nettet og driftssituasjonen tillater det. Fordelen er særlig tydelig på bratte godsstrekninger som malmbaner, der lastede tog kjører nedover i den ene retningen og tomme tog oppover i den andre.

15.4 Virkemåte

Formålet med banestrømforsyningen er uavbrutt, pålitelig og sikker drift av elektriske tog. Banestrømforsyningskjeden kan deles i fem funksjoner:

Produksjon av banestrøm: Energi tas fra det offentlige kraftnettet eller fra særskilte banestrømomformere for det norske nettet, og spenningen transformeres opp i transformatorstasjoner langs banen.
Mating av banestrøm: Høyspent vekselstrøm fordeles til kontakttråden gjennom matekabler og AT-kabler (autotransformator).
Overføring av banestrøm: Kontakttråden fører strømmen langs sporet innenfor hver ledningspart.
Returstrømkrets: Banestrømmen returnerer gjennom kjøreskinnene og egne returkabler til matestasjonen [76].
Strømopptak: Togets strømavtaker glir langs kontakttråden og danner den eneste forbindelsen mellom den faste infrastrukturen og kjøretøyet i bevegelse.

Figur 15.3 viser den samme femtrinnskjeden og skiller tilførselsveien for banestrøm fra returstrømveien gjennom skinner og returledere.

Figur 15.3 Tilførsels- og returstrømkjede for banestrøm.

Den bevegelige delen av kjeden er toget og strømavtakeren; mateutstyret er fast forbundet med infrastrukturen. Pålitelig drift oppnås bare når kontaktpunktet mellom strømavtaker og kontakttråd har riktig plassering og riktig kontaktkraft. Kontakttap, harde slag eller kontakt med armatur i stedet for kontakttråden kan føre til lysbuedannelse, slitasje, skade og til slutt systemsvikt.

Norske kontaktledningsanlegg skiller seg hovedsakelig fra hverandre ved tillatt hastighet, om de har Y-line, og dimensjonerende strekkraft i kontakttråd og bæreline. Tabell 15.3 viser representative systemer i Norge som brukes i dette kapitlet ved omtale av kompatibilitet mellom strømavtaker og kontaktledning. Kontakttråden (CW) er den nederste lederen som strømavtakeren berører, mens bærelinen (MW) er den øvre bærende linen som holder kontakttråden gjennom hengetrådene. Betegnelsen Tabell 54 er beholdt fordi eldre norsk prosjektmateriale bruker tabellnummeret i Bane NOR-spesifikasjonen som kortform for dette eldre kontaktledningssystemet; det skal ikke leses som et eget systemnummer. Eldre betegnelser som System 20 B, System 20 C og System 35 skal kontrolleres mot gjeldende prosjektspesifikk systemdokumentasjon før bruk.

System	Y-line	Største hastighet [km/h]	Strekkraft i CW [kN]	Strekkraft i MW [kN]
Tabell 54	Nei	130	4,9	6,13
System 20 A	Ja	200	10	10
System 25	Ja	250	15	15

Tabell 15.3 Representative kontaktledningssystemer i Norge [39].

15.5 Systemkomponenter

Figur 15.4 viser terminologien som brukes i komponentbeskrivelsene nedenfor. Kontaktledningen forstås best som ett samvirkende system: Kontakttråden fører strøm og berører strømavtakeren, bærelinen og hengetrådene styrer høyden, utliggeren styrer sideplasseringen, og masten eller åket overfører lastene til fundamentet.

Figur 15.4 Terminologi for kontaktledningsanlegg.

15.5.1 Kontakttråd

Kontakttråden (CW) er det viktigste elektriske grensesnittet mot toget. Den er en tråd av kobber eller kobberlegering med et profilert tverrsnitt, slik at den kan festes med klemmer uten å bryte den glatte kontaktflaten som strømavtakeren glir mot. Vanlige kontakttrådtverrsnitt er omtrent \(100\text{--}120\,\mathrm{mm^2}\), og typisk strekkraft på norske hovedbaner er 10–15 kN, avhengig av kontaktledningssystemet.

Kontakttråden plasseres ikke nøyaktig over spormidtlinjen ved hvert støttepunkt. I stedet monteres den med en kontrollert sideforskyvning, kalt sikksakkføring. Ved å veksle retningen på sikksakken flyttes kontaktpunktet på tvers av strømavtakerens slepekull, slik at slitasjen fordeles. Dette gir det sikksakkformede trådforløpet i Figur 15.5. På rett spor er den viste nominelle sikksakken omtrent \(\pm 400\) mm for eldre anlegg og omtrent \(\pm 300\) mm for nyere System 20/25- og høyhastighetsanlegg. Den mindre sikksakken gir bedre dynamisk stabilitet og større margin mot vindforskyvning.

Figur 15.5 Prinsipp for sikksakkføring av kontakttråden.

15.5.2 Bæreline og hengetråder

Bærelinen (MW) holder kontakttråden oppe gjennom hengetrådene. Hengetrådene er vertikale eller nesten vertikale tråder som monteres med regelmessig avstand. Lengden velges slik at kontakttråden holder nødvendig høyde selv om bærelinen henger ned mellom støttepunktene. Denne oppbygningen skiller et moderne kontaktledningsanlegg fra en enkelt opphengt tråd.

Temperaturendringer forlenger og forkorter ledningene. Uten kontrollert lengdeendring ville strekkraft, nedheng og kontakttrådhøyde variere for mye mellom sommer og vinter. Avspenningsutstyr, ofte med lodd, trinser, fjærer eller faste forankringer, holder kontakttråden og bærelinen på nødvendig mekanisk strekkraft.

15.5.3 Utligger

Utliggere monteres på master langs sporet. De skal styre sideplasseringen til kontakttråd og bæreline, overføre kontaktledningslaster til masten og unngå for lange spenn uten støtte. Utliggeren kan være en trykk- eller strekkutligger, avhengig av plasseringen i forhold til spormidtlinjen og ønsket retning på sikksakken. I Figur 15.6 viser den heltrukne direksjonsstaget strekkutførelsen, mens det stiplede alternativet viser trykkutførelsen.

Figur 15.6 Registrering med trykk- og strekkutligger [101].

På fri linje bærer én mast normalt én utligger. I overlappfelt og ved sporveksler kan samme mast bære to utliggere som betjener hver sin kontakttrådgruppe. I tunneler kan utliggerne monteres på tunnelveggen eller på oppheng fra hvelvet.

15.5.4 Strømavtaker

Strømavtakeren er montert på togtaket og overfører strøm fra kontakttråden til kjøretøyet. Den består av et strømavtakerhode med slepekull, øvre og nedre armer, en løftemekanisme og isolatorer. Løftemekanismen holder strømavtakerhodet mot kontakttråden og lar samtidig strømavtakeren følge høydeendringer og dynamiske bevegelser. Figur 15.7 angir disse hoveddelene på en takmontert strømavtaker.

Figur 15.7 Hovedkomponenter i en strømavtaker [144].

Slepekullet er vanligvis fremstilt av et karbonbasert materiale. Karbon gir god elektrisk kontakt og gunstige glideegenskaper, men slites likevel, særlig når kontaktkraften er for høy eller kontakttap fører til lysbuedannelse.

15.5.5 Master

Master bærer kontaktledningsanlegget og kan ha ulike funksjoner:

Opphengsmaster: bærer én utligger og de ordinære kontaktledningslastene.
Avspenningsmaster: bærer utliggere og krefter fra avspenningsutstyret, ofte med barduner.
Mellommaster: bærer to utliggere i overlappfelt.
Fixmaster: bærer lastene fra fixpunktet.
Fastpunktforankringsmaster: avslutter fastpunktforankringen og tar opp langsgående krefter.

I norsk praksis, slik den er beskrevet i Bane NORs gjeldende regelverk for kontaktledning, brukes tremaster, B-master, H-master, bjelkemaster, betongmaster, tunneloppheng og åk, avhengig av sted, lastnivå og fundamenteringsforhold [40].

15.5.6 Åk

Åk brukes der kontaktledningsutstyr skal bæres over mer enn ett eller to spor. De kan bestå av fagverksbjelker eller massive bjelkekonstruksjoner på søyler. Åk er vanlige i stasjonsområder, skifteområder og andre flersporsområder der egne master ved hvert spor ville være upraktisk. Bane NOR bruker betegnelsen åk om disse konstruksjonene. Regelverket beskriver et åk som et fagverk med støtte i begge ender, brukt til å dekke flere spor enn én mast kan betjene. Vanlige åktyper hos Bane NOR spenner omtrent 10–16 m, 11–33 m eller 28–43 m, avhengig av åktype og antall kontaktledninger som bæres [40]. Figur 15.8 viser samme grunnprinsipp: sidestøtter, en tverrgående bjelke og opphengt kontaktledningsutstyr.

Figur 15.8 Åkbjelke, isolatorer og flerspors kontaktledningsanlegg i København.

15.6 Prosjektering av kontaktledningsanlegg

15.6.1 Regelverk

Det relevante rammeverket kombinerer krav til kontaktledning, elektrisk sikkerhet, grensesnittet mot rullende materiell og konstruksjonssikkerhet. Jernbaneprosjekter skal følge gjeldende krav fra Bane NOR, systembeskrivelsene for prosjektet, standardtegninger og godkjent komponentdokumentasjon. De viktigste kildene for dette innføringskapitlet er:

Bane NORs tekniske regelverk gir nasjonale krav til strømforsyning, kontaktledningens geometri, vedlikehold, jording, dokumentasjon og grensesnitt [39].
TSI Energy angir krav til samtrafikkevne for delsystemet energi, blant annet spenning og frekvens, strømopptak og energimåling.
EN 50119 regulerer prinsippene for prosjektering av kontaktledning, blant annet kontakttrådgeometri og mekaniske krav [77].
EN 50122 regulerer elektrisk sikkerhet, jording og returstrømkretsen [76].
EN 50367 angir kriterier for samvirket mellom strømavtaker og kontaktledning, blant annet kvaliteten på kontaktkraften og akseptparametere [78].
Lastkombinasjoner for master, åk og fundamenter skal omfatte egenlast, vind, snø, is, temperatur, krefter fra avspenning og aktuelle tilfeller under vedlikehold eller ved ulykker.

15.6.2 Ledningsparter og avspenningsfelt

Et kontaktledningsanlegg deles i ledningsparter i stedet for å monteres som én sammenhengende ledning langs hele banen. En ledningspart kan være opptil omtrent 1500 m lang, avhengig av avspenningsløsning, temperaturområde, seksjonering, sporets kurvatur, vindeksponering og avspenningsutstyrets arbeidsområde. Figur 15.9 viser en typisk ledningspart med avspenningsutstyr i begge ender, fixpunkt og avspenningsfelt mot nabopartene. Et avspenningsfelt er overgangsområdet der én ledningspart slutter og den neste begynner; det er ikke betegnelsen på hele ledningsparten.

Figur 15.9 Typisk ledningspart for kontaktledning, med avspenningsfelt mot nabopartene.

I hver ledningspart:

Kontakttråden og bærelinen spennes opp med avspenningsutstyr i begge ender.
Fixpunktet hindrer at ledningene kryper mot den ene enden.
Nabopartene overlapper: I avspenningsfeltet løper to parallelle kontakttråder i samme høyde, slik at strømavtakeren går jevnt fra det den ene ledningsparten til den neste.

Det er god praksis å bruke et oddetall spenn i avspenningsfeltet, slik at midten av overlappen ligger mellom to master. Dermed unngås kryssing av de to kontakttrådene ved et svært stivt støttepunkt. En ledningspart deles videre i spenn, vanligvis 50–70 m på ordinær fri linje. Største anvendelige spennlengde begrenses av strømavtakerens arbeidsområde, strekkraften i ledningen, vindhastighet, sporradius, sikksakk og tillatt sideforskyvning av kontakttråden.

15.6.3 Kabler og ledninger

Kabler og ledninger i kontaktledningsanlegg fremstilles vanligvis av kobber eller kobberlegeringer, men andre materialer kan brukes i enkelte komponenter. Kontakttråden har et profilert tverrsnitt, slik at den kan holdes av klemmer mens strømavtakeren glir på en jevn underside. Bæreliner og matekabler er vanligvis flertrådede ledere. Dette gir fleksibilitet samtidig som nødvendig elektrisk og mekanisk kapasitet opprettholdes. Figur 15.10 viser de to utførelsene ved siden av hverandre.

Figur 15.10 Kontakttrådprofil og flertrådede ledere for kontaktledningsanlegg [141].

Materiale og tverrsnitt velges ut fra elektrisk ledningsevne, strekkfasthet, slitasje, motstand mot korrosjon og strømnivå. DC-systemer trenger større ledertverrsnitt enn AC-systemer fordi samme effekt overføres ved lavere spenning og dermed høyere strøm.

15.6.4 Grensetilstander

Prosjektering etter grensetilstander gir kriterier for å kontrollere at kontaktledningsanlegget både fungerer i drift og er konstruksjonssikkert under dimensjonerende laster. Bruksgrensetilstanden (SLS) gjelder om toget kan ta opp strøm pålitelig under normal drift: Trådhøyde, sikksakk, vindutbøyning, oppløft og variasjon i kontaktkraft må ligge innenfor akseptable grenser. Bruddgrensetilstanden (ULS) gjelder konstruksjonssikkerhet: Master, fundamenter, utliggere, avspenningsutstyr og forankringer skal motstå de dimensjonerende kombinasjonene av strekkraft i ledningene, miljølaster og utstyrslaster uten sammenbrudd. Prosjekteringen skal oppfylle begge kriteriene. Et konstruktivt sterkt kontaktledningsanlegg kan likevel fungere dårlig dersom den dynamiske elastisiteten eller sidegeometrien er ujevn.

15.6.5 Bølgeforplantningshastighet og største toghastighet

En strømavtaker som beveger seg langs kontakttråden, virker som en bevegelig last som eksiterer tverrbølger i tråden. Bølgeforplantningshastigheten er:

\[ c_p = \sqrt{\frac{H_0}{m'_{CW}}} \]

der \(H_0\) er den mekaniske strekkraften i kontakttråden [N], og \(m'_{CW}\) er kontakttrådens masse per lengdeenhet [kg/m]. For en AC-100 Cu-kontakttråd med 10 kN strekkraft er \(c_p \approx 380\) km/h.

Når toghastigheten nærmer seg \(c_p\), forsterker bølgen som reflekteres fra det foregående støttepunktet eksitasjonen fra strømavtakeren. Dette gir svingninger med stor amplitude og gjentatte kontakttap, og definerer den absolutte hastighetsgrensen for et gitt kontaktledningssystem. Erfaring tilsier at største toghastighet begrenses til omtrent 70% av \(c_p\) for å opprettholde akseptabel kontaktkvalitet.

Høyere strekkraft i ledningen, som i System 25, øker \(c_p\). Dette er en av årsakene til at kontaktledningsanlegg for høy hastighet krever større strekkraft i kontakttråd og bæreline.

15.6.6 Profiler og frittrom

Kontakttrådens plassering kan ikke prosjekteres uten å ta hensyn til profilene for kjøretøy og infrastruktur. Grunnhierarkiet er:

Kjøretøyprofil: profilet for kjøretøy og last.
Referanseprofil eller dynamisk profil: profilet som omfatter kjøretøyets bevegelser.
Minste tverrsnitt: rommet rundt sporet som infrastrukturen skal holde fritt, inkludert nødvendige sikkerhetsmarginer.
Fritt profil for strømavtaker: det ekstra øvre profilet som kreves for strømavtakeren og spenningssatt kontaktledningsutstyr.

Figur 15.11 gjentar profilhierarkiet fra Kapittel 14 i kontaktledningssammenheng. I figuren angir A kjøretøyprofilet, B referanseprofilet eller det dynamiske profilet, C minste tverrsnitt og D fritt profil for strømavtaker. Ved prosjektering av kontaktledning styrer dette hierarkiet den tilgjengelige plassen for strømavtaker, kontakttråd, bæreline, isolatorer og opphengsutstyr. Bane NORs profilregler krever at elektrifiserte baner oppfyller både det ordinære minste tverrsnittet for togpassasje og det separate frie profilet for strømavtaker, Tverrsnitt E [51, 41].

Figur 15.11 Profilhierarki og fritt profil for strømavtaker [51, 41].

15.6.7 Vertikalgeometri

Når frittromsprofilet er kjent, kan kontakttrådens vertikale plassering kontrolleres mellom to grenser:

Nedre grense: elektrisk isolasjonsavstand til kjøretøytak og strømavtaker i laveste stilling.
Øvre grense: største høyde strømavtakeren kan nå og samtidig opprettholde akseptabel kontakt.

Vertikalgeometrien påvirkes av egenlast, vind, snø, is, temperatur, forspenning, hengetrådplassering og oppløft fra strømavtakeren. Lave bruer, tunneler og andre hindringer kan kreve særskilte løsninger, men kontakttrådhøyden skal likevel endres gradvis nok til å unngå slag og unødig slitasje.

Gjeldende kontrollverdier hos Bane NOR er systemspesifikke og avhenger av når anlegget ble bygget. For kontaktledningsanlegg bygget etter 1. januar 2016 kontrolleres System 25 innenfor et relativt lavt høydeintervall for høy hastighet, omtrent 5070–5130 mm, mens System 20 kontrolleres innenfor et bredere, tradisjonelt intervall, omtrent 5020–5630 mm [39]. Eldre anlegg har andre verdier, og tunneler, bruer og snøoverbygg med begrenset frittrom kan ha dokumenterte dispensasjoner. Slike unntak skal likevel ikke behandles som normale prosjekteringsverdier. Ved planoverganger skal kontakttrådhøyden ikke være lavere enn 5500 mm.

På lange baner endres kontakttrådhøyden ofte mellom feltene. Største tillatte gradient i kontakttrådhøyden reguleres av EN 50119 [77]. Bane NOR uttrykker kontrollen av høydeendringen som:

\[ \begin{aligned} \Delta H_\text{midtspenn} &= \frac{1}{5v} \\ \Delta H_\text{overgangsspenn} &= \frac{1}{10v} \end{aligned} \]

der \(v\) er tallverdien til største hastighet uttrykt i km/h, og \(\Delta H\) er det dimensjonsløse gradientforholdet. Ved for eksempel \(v=200\) km/h er \(1/(5v)=1/1000=1\) ‰ for et midtspenn og \(1/(10v)=1/2000=0{,}5\) ‰ for et overgangsspenn.

15.6.8 Sidegeometri

Sidegeometrien skal holde kontakttråden innenfor arbeidsbredden til strømavtakerens slepekull. Sikksakkmønsteret avhenger av strømavtakerbredde, sporets kurvatur, vindsone, spennlengde og tillatt sideforskyvning. I krappe kurver kan sikksakken måtte legges konsekvent på én side i stedet for å veksle symmetrisk.

Sidevind forskyver tråden sideveis midt i spennet. Høyere vindsoner krever kortere spennlengder eller redusert sikksakk, slik at kontakttråden forblir innenfor strømavtakerens arbeidsområde under dimensjonerende vindforhold.

I Bane NORs gjeldende vedlikeholdskontroll hentes prosjektert sikksakk fra gyldig anleggsdokumentasjon. For System 25 og System 20 A/B/C er tillatt avvik ved en mast \(\pm 30\) mm; for andre systemer er det \(\pm 50\) mm [39]. Dette illustrerer et generelt prosjekteringsprinsipp: Målet på tegningen er ikke tilstrekkelig alene, fordi vindforskyvning, kurvatur, bevegelse i støttepunktene og byggetoleranse reduserer den samme arbeidsmarginen for strømavtakeren.

15.6.9 Elastisitet

Kontaktledningens elastisitet, det vil si evnen til å bøye seg under kraften fra strømavtakeren, skal være mest mulig jevn langs spennet. En elastisk del midt i spennet og et stivt støttepunkt ved masten vil gi store variasjoner i kontaktkraft. Viktige parametere er:

Spennlengde (vanligvis 50–70 m på fri linje): Kortere spenn øker stivheten og reduserer nedhenget midt i spennet.
Systemhøyde: den vertikale avstanden mellom bæreline og kontakttråd ved støttepunktet. Større systemhøyde gir jevnere kontakttrådhøyde.
Antall hengetråder og avstand: Flere hengetråder reduserer kontakttrådens nedheng mellom støttepunktene.
Y-line: brukes i høyhastighetssystemer for å redusere stivhetsforskjellen mellom hengetrådens festepunkt og midten av spennet.
Strekkraft i ledningen: Høyere strekkraft reduserer nedhenget og øker bølgeforplantningshastigheten.

Spennlengdene bør ikke være like gjennom en lang ledningspart, fordi dette kan gi periodisk resonans. De bør heller ikke variere for mye, siden store forskjeller mellom nabospenn gir brå endringer i dynamisk stivhet. Elastisitetskurvene i Figur 15.12 viser den viktigste dynamiske oppførselen: Alle systemer veksler mellom stivere områder ved støttepunktene og mer ettergivende områder midt i spennet. Strømavtakeren opplever denne variasjonen som en gjentatt dynamisk eksitasjon.

Figur 15.12 Variasjon i kontakttrådens elastisitet for ulike systemer.

15.6.10 Sporveksler

Kontaktledning over sporveksler gir høyere kontaktkrefter mellom strømavtaker og kontakttråd, særlig ved høy hastighet. Årsakene er konsentrerte masser ved trådkryss, at strømavtakeren er i kontakt med flere tråder, radialkrefter og lokale områder med lav elastisitet. Prosjektering av kontaktledning ved sporveksler og sporkryss er derfor en av de mest komplekse oppgavene innen kontaktledningsteknikk. Nøyaktige mål skal hentes fra gjeldende systemtegninger og prosjektkrav. Rekkefølgen nedenfor oppsummerer kontrollgangen i et forenklet prosjekteringseksempel. Figur 15.13 viser grunnlagstegningen før kontakttråder og støttepunkter plasseres. De grønne linjene er sporaksene, de magentafargede områdene viser det klemfrie rommet for strømavtakeren, og målestokken er den samme i planleggingsmalen og den ferdige utformingen. De ti trinnene nedenfor viser hvordan den tomme planleggingsmalen utvikles til den endelige kontakttrådføringen i Figur 15.14.

Figur 15.13 Planleggingsgrunnlag for kontaktledning over en sporveksel før kontakttråder og støttepunkter plasseres.

15.6.10.1 Regneeksempel: løfteavstand ved sporveksel

Oppgave. En AC-100-kontakttråd av kobber har en strekkraft på \(H_\mathrm{CW}=10{,}0\) kN og har vekt per lengdeenhet \(G'_\mathrm{CW}=8{,}46\) N/m. Etter at kontakttrådene krysser over en sporveksel, skal de horisontale avstandene som kreves for å løfte avvikesporets kontakttråd med 110, 160 og 460 mm bestemmes. Disse løftehøydene svarer til kontrollpunktene \(x_1\), \(x_2\) og \(x_3\) i sporvekselutformingen.

I den forenklede modellen med en parabolsk tråd er sammenhengen mellom løftet \(\Delta z\) og den horisontale avstanden \(x\):

\[ x=\sqrt{\frac{2\Delta z\,H_\mathrm{CW}}{G'_\mathrm{CW}}}, \]

der \(\Delta z\) settes inn i meter, \(H_\mathrm{CW}\) i newton og \(G'_\mathrm{CW}\) i newton per meter.

Trinn 1: Konverter løftehøydene.

\[ \begin{aligned} \Delta z_1 &= 0{,}110\ \mathrm{m},\\ \Delta z_2 &= 0{,}160\ \mathrm{m},\\ \Delta z_3 &= 0{,}460\ \mathrm{m}. \end{aligned} \]

Trinn 2: Beregn de tre avstandene.

\[ \begin{aligned} x_1&=\sqrt{\frac{2(0{,}110\,\mathrm{m})(10\,000\,\mathrm{N})} {8{,}46\,\mathrm{N/m}}}\\ &=16{,}13\ \mathrm{m},\\ x_2&=\sqrt{\frac{2(0{,}160\,\mathrm{m})(10\,000\,\mathrm{N})} {8{,}46\,\mathrm{N/m}}}\\ &=19{,}45\ \mathrm{m},\\ x_3&=\sqrt{\frac{2(0{,}460\,\mathrm{m})(10\,000\,\mathrm{N})} {8{,}46\,\mathrm{N/m}}}\\ &=32{,}98\ \mathrm{m}. \end{aligned} \]

Tolkning. Trådene får ikke sikker innbyrdes avstand umiddelbart etter kryssingen. De beregnede posisjonene \(x_1\) og \(x_2\) begrenser sonene for støttepunkter og klemmer, mens \(x_3\) angir hvor den løftede tråden når det større frittromsnivået. Resultatet gjelder den aktuelle strekkraften og vekten per lengdeenhet; en annen kontakttrådtype krever samme beregning med sine egne parametere. En fullstendig sporvekselutforming for to spor utvider denne endimensjonale kontrollen ved å samordne begge kontakttrådene, kryssingene, støttesonene og frittrommet.

Den forenklede prosjekteringsprosedyren har ti trinn. De fire første definerer referansegeometrien; de seks siste bruker geometrien til å velge plassering av støttepunkter og klemmer.

Tegn de to spormidtlinjene. Hovedsporet og avvikesporet kopieres først fra sporvekseltegningen. I Figur 15.13 og 15.14 er dette de grønne linjene. Alle sideforskyvninger måles deretter fra nærmeste spormidtlinje, ikke fra papirkanten.
Definer det klemfrie rommet. Dette er det magentafargede området i figurene. For et 1950 mm bredt slepekull plasseres ingen klemmer innenfor \(\pm 600\) mm fra hver spormidtlinje. Mellom 600 mm og 1050 mm tillates bare armatur som ikke kan hekte seg fast i hornet på en hevet strømavtaker. Sonen tegnes langs begge sporveiene, fordi begge kan trafikkeres med hevet strømavtaker.
Fastsett referansepunktet for kryssingen over sporvekselen. Følg sporvekselen til avstanden mellom de to spormidtlinjene er omtrent 300 mm, målt vinkelrett på sporene. Punktet brukes som arbeidsreferanse for kontakttrådkryssingen fordi det holder trådposisjonene innenfor tillatt sikksakkområde.
Beregn og marker \(x_1\) og \(x_2\). Etter at de to kontakttrådene har krysset, skal kontakttråden for avvikesporet løftes over kontakttråden for hovedsporet, slik at en hevet strømavtaker ikke kan hekte seg fast. Punktene \(x_1\) og \(x_2\) er avstandene fra kryssingens referansepunkt til stedene der avvikesporets kontakttråd er løftet henholdsvis 110 mm og 160 mm. For regneeksemplet med AC-100-kontakttråd av kobber ovenfor er verdiene \(x_1=16{,}13\) m og \(x_2=19{,}45\) m. I målestokken til den gjengitte Figur 15.14 tilsvarer dette omtrent 27 mm og 32 mm målt på tegningen.
Definer tillatt klemmesone ved støttepunkt 2. Klemmen for avvikesporets tråd skal ligge utenfor det klemfrie rommet og forbi begrensningene \(x_1\) og \(x_2\), men nær nok masten til at en praktisk utligger kan brukes.
Velg kontakttrådklemme for avvikesporet ved støttepunkt 2. Dette fastsetter sikksakken til avvikesporets kontakttråd ved høyre støttepunkt.
Velg kontakttrådklemme for hovedsporet ved støttepunkt 2. Dette fastsetter sikksakken til hovedsporets kontakttråd ved samme støttepunkt og kontrollerer at de to trådene får tydelig innbyrdes avstand etter kryssingen.
Bestem spennlengden og plasser støttepunkt 1. Avstanden mellom støttepunktene skal være forenlig med kontaktledningssystemet, strekkraften i ledningen, sporvekselgeometrien og tilgjengelige masteplasseringer. I eksemplet er spennet omtrent 68 m.
Velg klemme for avvikesporet ved støttepunkt 1. Dette fullfører den blå kontakttrådlinjen for avvikesporet i Figur 15.14.
Velg klemme for hovedsporet ved støttepunkt 1. Dette fullfører den røde kontakttrådlinjen for hovedsporet og gir den endelige utformingen som skal kontrolleres mot grensene for sikksakk, klemfritt rom og utliggerlengde.

Etter at trinnene er gjennomført, viser Figur 15.14 den resulterende utformingen. De røde og blå kontakttrådene nærmer seg med hver sin sikksakk, krysser nær sporvekselreferansepunktet og skilles deretter slik at hver tråd løftes klar av strømavtakerbanen for den andre sporveien. De svarte støttelinjene viser valgte masteplasseringer. Hver klemme skal ligge utenfor det klemfrie rommet, med mindre armaturen er uttrykkelig tillatt for passasje av strømavtakeren.

Figur 15.14 Ferdig kontakttrådføring over sporvekselen.

15.6.11 Kraftberegning

Prosjektering av fundamenter og bærende konstruksjoner skal omfatte både permanente systemkrefter og miljølaster. Tabell 15.4 oppsummerer de viktigste lastgruppene.

Gruppe	Eksempler og betydning for prosjekteringen
Permanente laster og systemlaster	Egenvekt av kontakttråd, bæreline, hengetråder, Y-liner, mate- eller AT-kabler, utliggere, master og åk. Disse bestemmer grunnleggende støttereaksjoner og dimensjonering av fundamenter.
Avspennings- og retningskrefter	Strekkraft i kontakttråd og bæreline, kurvetrekk, fixpunkter og overlappfelt. Disse gir langsgående krefter og sidekrefter i master og forankringer.
Miljølaster	Vind, snø, is og temperaturvariasjon. Disse kan bestemme spennlengde, sikksakkmargin, avspenningsutstyrets arbeidsområde og fundamentlaster.
Dynamiske virkninger	Kontaktkraft fra strømavtakeren, oppløft i støttepunkter, dynamisk forsterkning nær konsentrerte masser og lokale slagvirkninger ved overlappfelt eller sporveksler. Disse bestemmer kontaktkvalitet og aksept.

Tabell 15.4 Vanlige kraft- og lastgrupper ved prosjektering av kontaktledning.

Den praktiske planleggingsrekkefølgen er først å identifisere faste punkter: isolerte avspenningsfelt, kryssinger ved sporveksler, bruer, planoverganger, tunneler, kurver med liten radius og steder som krever særskilt behandling av kontakttrådhøyden. Ledningspartene kan deretter utformes mellom disse faste punktene.

15.7 Kontroll av kontaktledningsanlegg

Kontroll av et kontaktledningsanlegg omfatter både statisk geometri og dynamisk samvirke mellom strømavtaker og kontaktledning. Den statiske kontrollen undersøker om det bygde anlegget samsvarer med prosjekteringsdokumentene. Den dynamiske kontrollen undersøker om strømavtakeren kan ta opp strøm sikkert og pålitelig ved driftshastighet.

15.7.1 Statisk kontroll

Statisk kontroll utføres før ordinær drift for å finne monteringsfeil i fundamenter, masteplassering, mastenes vertikalitet, avspenningsutstyr, utliggere, hengetråder og opphengsutstyr. De viktigste målte parameterne er kontakttrådhøyde, systemhøyde og sikksakk. Kontrollene er nødvendige fordi små byggefeil kan skape lokale frittromsproblemer eller brå stivhetsendringer som senere viser seg som dynamiske feil.

15.7.2 Dynamisk kontroll

Dynamisk kontroll er nødvendig fordi en strømavtaker i bevegelse belaster kontaktledningen. Instrumenterte strømavtakere og målekjøretøy registrerer kontaktkraft, oppløft av strømavtakeren, kontakttrådhøyde, akselerasjon og lysbuedannelse. EN 50367 [78] angir grenser for middelkontaktkraft, standardavviket for kontaktkraften, oppløft av strømavtakeren og prosentvis lysbuedannelse.

Kraften mellom strømavtakeren og kontakttråden er den viktigste ytelsesindikatoren. Er kraften for høy, øker den mekaniske slitasjen. Er den for lav, kan kontakten gå tapt og lysbuer oppstå. Et velfungerende system gir et regelmessig kraftforløp langs banen. Lokale feil viser seg ofte som skarpe topper ved støttepunkter, overlappfelt, sporveksler, bruer, høydeoverganger eller andre steder med konsentrert masse.

I den norske vedlikeholdsvurderingen skiller Bane NOR mellom grenser for høy og lav kraft. Tabell 15.5 oppsummerer sentrale grenseverdier for disse kontrollene.

Kontroll	Bruksområde	Grenseverdier	Grense for tiltak
Største kontaktkraft, \(F_\text{max}\)	System 20 og System 25, \(v>160\) km/h	Vedlikeholdsgrense: 150 N; kritisk grense: 200 N	Reduser hastigheten ved 230 N
Største kontaktkraft, \(F_\text{max}\)	Andre systemer	Vedlikeholdsgrense: 120 N; kritisk grense: 150 N	Reduser hastigheten ved 180 N
Minste kontaktkraft, \(F_\text{min}\)	Alle systemer	Vedlikeholdsgrense: minst 20 N; kritisk grense: minst 10 N	Reduser hastigheten dersom \(F_\text{min}\leq 0\)

Tabell 15.5 Norske vedlikeholdsgrenser for kontaktkraft i kontaktledningsanlegg [39].

Verdiene angir størrelsesordenen for kontrollene, men gjeldende regelverk og banens egen dokumentasjon skal alltid brukes før det treffes en driftsbeslutning.

Dersom middelverdien av kontaktkraften betegnes \(F_m\) og standardavviket \(\delta\), er intervallet \(F_m \pm 3\delta\) en nyttig tolkning ved akseptkontroll. Nedre grense skal være positiv for å unngå kontakttap og lysbuedannelse, mens øvre grense skal være lav nok til å unngå overdreven mekanisk slitasje. Standardavviket gjør det også mulig å sammenligne kontaktledningsutforminger eller vedlikeholdstilstander under tilsvarende hastighets- og strømavtakerforhold.

15.7.3 Slitasjemekanismer og overvåking

To motstående slitasjemekanismer virker samtidig:

Mekanisk slitasje (høy kraft): Høy kontaktkraft øker friksjonen mellom slepekullet (karbon) og kontakttråden (kobber), utvikler varme og fremskynder materialtapet. Slepekull av karbon har gunstige selvsmørende egenskaper, men elektrisk strøm og lokal oppvarming er slitasjemekanismer, ikke en fordelaktig smelteprosess under normal drift.
Elektrisk slitasje, lysbuedannelse (lav kraft): Ved kontakttap fortsetter strømmen å gå som en lysbue. Lysbuen gir svært høye lokale temperaturer som eroderer både kobberbakstykket i slepekullet og kobberoverflaten på kontakttråden. Lysbuedannelse gjør derfor langt større skade per tidsenhet enn mekanisk slitasje.

God prosjektering av kontaktledningen tar sikte på en moderat og stabil kontaktkraft med minst mulig variasjon, slik at både overdreven friksjon og lysbuedannelse unngås. Sikksakkføringen hindrer at all slitasje konsentreres på ett sted på slepekullet.

Det samme prinsippet ligger bak vedlikeholdskravet til kontakttrådslitasje: Kontakttrådens gjenværende tverrsnitt skal ikke være mindre enn 80 % av tverrsnittet til en ny tråd [39]. Grensen er både elektrisk og mekanisk, fordi en slitt tråd har mindre strømførende areal og lavere gjenværende strekkapasitet.

Figur 15.15 viser typen overflateskade som forbindes med ustabilt strømopptak og lysbuedannelse.

Figur 15.15 Lysbuerelatert slitasje på slepekull og kontakttråd [143].

Kontaktledningsinfrastrukturen vurderes med målemetodene som er vist i Figur 15.16: Egne målekjøretøy registrerer parametere ved driftshastighet, blant annet kontaktkraft, trådhøyde, sikksakk, trådtverrsnitt (med laser eller virvelstrøm) og prosentvis lysbuedannelse. Lokale nettverk av akselerometre på kontaktledningskonstruksjoner støtter kontinuerlig tilstandsovervåking og prediktivt vedlikehold.

Figur 15.16 Overvåking av kontaktledningsanlegg med målekjøretøy og lokale sensorer.

15.8 Oppsummering av kapitlet

Systemfunksjon. Kontaktledningsanlegget leverer banestrøm til toget i bevegelse og opprettholder samtidig pålitelig glidekontakt mellom strømavtaker og kontakttråd. Dette krever en komplett energikjede fra offentlig kraftnett eller frekvensomformer via mateledninger, kontakttråd, strømavtaker og tog til returstrømveien. Elektrisk kapasitet, isolasjon, returstrøm og mekanisk kontaktkvalitet skal derfor prosjekteres samlet.

Hovedkomponenter. Bæreline, kontakttråd, hengetråder, utliggere, master, avspenningsutstyr og fixpunkter danner ett samvirkende system. Hengetråder og støttepunkter fastsetter vertikalprofilet, utliggerne fastsetter sideplasseringen, og avspenningsutstyret kompenserer for temperaturvirkninger. Kontakttrådens sikksakkføring er særlig viktig fordi den fordeler slitasjen over slepekullet i stedet for å konsentrere den langs én linje.

Dynamisk ytelse. En strømavtaker skaper en løftebølge i kontakttråden. Stabilt strømopptak krever at toghastigheten holder tilstrekkelig margin under den aktuelle bølgeforplantningshastigheten. Strekkraft i ledningen, masse per lengdeenhet, spennlengde, elastisitet og stivhet i støttepunktene påvirker derfor både største hastighet og variasjonen i kontaktkraft. Dårlig dynamisk kompatibilitet fører til lysbuedannelse, kontakttap og raskere slitasje.

Akseptkontroller. Statisk akseptkontroll verifiserer anleggsgeometri, kontakttrådhøyde, sikksakk, masteplassering, avspenningsutstyr og mekanisk frittrom. Dynamisk akseptkontroll måler kontaktkraft, oppløft, lysbuedannelse og andre responsstørrelser under drift. Gjeldende grenseverdier er systemspesifikke, og banens dokumentasjon skal brukes sammen med regelverket. Kombinasjonen er nødvendig fordi et anlegg kan se geometrisk riktig ut, men likevel fungere dårlig når det eksiteres av en strømavtaker i høy hastighet.

Særskilte steder. Sporveksler, overlappfelt, bruer, tunneler, nøytralseksjoner og høydeoverganger gir endringer i stivhet og geometri som kan forstyrre kontaktkvaliteten. Disse stedene krever nøye samordning av kontakttrådplassering, oppheng og strømavtakerbane. Vedlikehold og overvåking er derfor integrerte deler av kontaktledningsteknikken fra idriftsettelse til fornyelse.

Oppgaver

Oppgave 1: Før prosjektering av kontaktledningsanlegg

Prosjekteringen av et kontaktledningsanlegg begynner ofte etter at store deler av banekorridoren allerede er planlagt. Kontaktledningsanlegget skal derfor tilpasses sporgeometri, konstruksjoner, signalanlegg, kabler, atkomstbegrensninger og framtidige driftskrav.

Utarbeid en sjekkliste for prosjekteringsgrunnlaget i forprosjektfasen. Ta minst med følgende informasjonsgrupper, og forklar hvorfor hver gruppe er nødvendig:

(a) Bekreftet sporplan, koordinater for spormidtlinjer og tverrprofiler ved mulige plasseringer av master eller åk.

(b) Informasjon om bruer, tunneler, snøoverbygg, plattformer, planoverganger og frittrom.

(c) Signalplan, sporfelt, kabeltraseer samt begrensninger for jording og utjevningsforbindelser.

(d) Grunn- og fundamenteringsforhold ved master, åk og forankringer.

(e) Valgt system, høyde på kontakttråden, systemhøyde, strekkraft, isolasjonsnivå, kortslutningsnivå samt dimensjonerende vind, islast og temperaturområde.

(f) Koblingsskjemaer, mateordninger, nærliggende kraftledninger, styringsgrensesnitt og framtidige krav.

Oppgave 2: Samvirke mellom strømavtaker og kontaktledning samt slitasje

Kvaliteten på samvirket mellom strømavtaker og kontaktledning er avgjørende for pålitelig drift av elektriske jernbaner. Utformingen av kontaktledningen bestemmer kontaktkvaliteten, og de samme prosjekteringsvalgene påvirker slitasjen på både kontakttråden og strømavtakerens slepekull.

(a) Beskriv hvilke egenskaper ved kontaktledningsanlegget og hvilke driftsparametere som påvirker kontaktkvaliteten mellom strømavtaker og kontakttråd. Ta med strekkraft i ledningen, spennlengde, rekkefølge av spennlengder, kontakttrådhøyde, nedheng, elastisitet, demping, hengetrådplassering, statisk oppløftskraft, aerodynamisk kraft, toghastighet og miljøpåvirkninger.

(b) Beskriv hvilke parametere som påvirker slitasjen på kontakttråden og strømavtakerens slepekull. Ta med høy kontaktkraft, kontakttap, lysbuedannelse, strømnivå, materialvalg, sikksakk, spennlengde og toghastighet.

(c) Bruk Figur 15.15 og Tabell 15.5 til å forklare hvorfor vedlikeholdsvurderingen trenger grenseverdier for både høy og lav kraft.

Oppgave 3: Bølgeforplantningshastighet

En kontakttråd i System 25 (AC-120 Cu, masse per lengdeenhet \(m'_{CW}=1{,}07\) kg/m) er strammet med \(H_0=15\) kN.

(a) Beregn bølgeforplantningshastigheten \(c_p\).

(b) Største tillatte toghastighet er 70 % av \(c_p\). Tillater System 25 drift med 250 km/h?

(c) Hva blir største toghastighet dersom strekkraften reduseres til 10 kN, som er representativt for System 20? Kommenter konsekvensene ved oppgradering fra System 20 til System 25.

Oppgave 4: Kontaktledningsutforming over sporveksler og sporkryss

Prosjekter kontaktledningen over en sporveksel ved hjelp av den forenklede metoden i Avsnitt 15.6.10. Bruk planleggingsgrunnlaget i Figur 15.13. Sporvekselen er EW 60-1200-1:18.4, ledningen er AC-100 kobber, og strekkraften i kontakttråden er 10,5 kN.

(a) List opp de ti prosjekteringstrinnene som brukes til å plassere de to kontakttrådene og opphengspunktene deres.

(b) Tegn de nødvendige kontakttrådene og utliggerne som linjer, og marker plasseringen av hver mast.

(c) Angi på tegningen sikksakk ved hvert opphengspunkt for hver ledning, punktet \(x_1\) der kontakttråden over avvikssporet er løftet 110 mm, punktet \(x_2\) der den er løftet 160 mm, spennlengden og avstanden fra hver mast til spormidtlinjen.

(d) Kontroller om de valgte klemmeplasseringene er forenlige med det klemfrie rommet og praktiske utliggerlengder.

(e) Sammenlign den endelige utformingen med Figur 15.14, og forklar eventuelle forskjeller.

Oppgave 5: Endring av kontakttrådhøyde

Kontakttrådhøyden må noen ganger endres nær lave bruer, tunneler, plattformer, stasjoner eller overganger mellom ulike kontaktledningssystemer. Endringen skal fordeles over tilstrekkelig mange spenn til at kravene til høydegradient i Ligningene 15.2–15.3 blir oppfylt. Bruk malen i Figur 15.17 til å vise spenntyper, spennlengder, gradienter og trådhøyder.

Figur 15.17 Mal for prosjektering av endring i kontakttrådhøyde [140].

(a) System 20 A har en nominell kontakttrådhøyde på 5,60 m. En lav bru krever at høyden reduseres til 5,05 m. Spennlengden er fastsatt til 50 m i det berørte området. Bruk en maksimal toghastighet på 200 km/h. Prosjekter senkingen fra standardhøyden til høyden under brua. Angi antall spenn, gradienten i hvert spenn og kontakttrådhøyden ved hver mast.

(b) En oppgradert bane forbinder en strekning med System 25 og en strekning med System 20 A. Bruk i denne oppgaven en kontakttrådhøyde på 5,10 m for System 25 og 5,60 m for System 20 A, med mindre prosjektdokumentasjonen angir andre verdier. Prosjekter høydeovergangen for en toghastighet på 200 km/h og en spennlengde på 60 m, og angi de samme resultatstørrelsene som i del (a).

(c) Forklar hvor de strengeste gradientene opptrer, og hvorfor brå høydeendringer er farlige for samvirket mellom strømavtaker og kontaktledning.

Oppgave 6: 15 kV 16,7 Hz sammenlignet med 25 kV 50 Hz

Sammenlign det norske vekselstrømsystemet på 15 kV 16,7 Hz, historisk skrevet som \(16\tfrac{2}{3}\,\mathrm{Hz}\), med vekselstrømsystemet på 25 kV 50 Hz som brukes på mange nye høyhastighetsbaner. Angi for hvert punkt hvilket system som har den gunstigste verdien, og forklar kort den tekniske konsekvensen:

(a) Overføringseffektivitet og resistive tap per kilometer kontaktledning.

(b) Nødvendig ledertverrsnitt for et gitt effektnivå.

(c) Elektromagnetiske forstyrrelser i signal- og teleanlegg.

(d) Kompatibilitet med det eksisterende norske jernbanenettet.

(e) Installasjonskostnad og kompleksitet for en ny høyhastighetsbane i Norge.

(f) Beregn tilnærmet linjestrøm for et tog på 6 MW ved 15 kV og 25 kV. Anta effektfaktor lik 1. Sammenlign de resistive tapene per kilometer ved en ekvivalent matermotstand på \(0{,}08\,\Omega/\mathrm{km}\), ved å bruke \(P_\mathrm{tap}=I^2R\), og forklar hvorfor spenningsnivået har betydning på lange høyhastighetsstrekninger.