Zwerfstromen: Al een eeuw een uitdaging. Erwin Smulders

Transcriptie

1 Zwerfstromen: Al een eeuw een uitdaging Erwin Smulders

2 Movares: Vormgeven aan bereikbaarheid Movares is een advies- en ingenieursbureau op het gebied van mobiliteit en infrastructuur. Movares genereert oplossingen voor vraagstukken betreffende capaciteit, veiligheid en inpassing. Omzet 2005 ca. 140 miljoen euro, ca fte werkzaam In Nederland hoofdkantoor in Utrecht regiokantoren in Eindhoven, Weesp, Zoetermeer en Zwolle In Europa vestigingen in Duitsland, Polen en Portugal projecten o.a. in Frankrijk, Slowakije, Slovenië en Spanje

3 Dienstregeling Introductie Homologatie Spoorwegsystemen algemeen Gelijkstroom Wisselstroom Zwerfstroom Modelontwikkeling Natuurkunde Wiskunde Numerieke implementatie Voorbeelden Conclusies

4 Homologatie Spoorwegsystemen Waarom Elektrische Tractie? Vergelijking verschillende soorten tractie Stoom Diesel Elektrisch Kosten Afgelegde kilometers

5 Homologatie Spoorwegsystemen Historie 31 mei 1879: W. von Siemens, eerste elektrische trein, Wereldtentoonstelling Berlijn

6 Homologatie Spoorwegsystemen Historie Rotterdam-Hofplein, Den Haag-HS, Scheveningen, ZHESM, 10 kv, 25 Hz

7 Homologatie Spoorwegsystemen Historie 1918 Besluit: Elektrische tractie 1500 V d.c De Oude Lijn in dienst Amsterdam - Haarlem - Rotterdam

8 Homologatie Spoorwegsystemen

9 Homologatie Spoorwegsystemen 1500 V d.c. 10 kv 10 kv 1500 V 1500 V

10 Homologatie Spoorwegsystemen 1500 V d.c. Kentallen V nom V max V min I max P max V max Freq V 1800 V 1200 V 4000 A 6 MW 140 km/h 0 Hz Eigenschappen Klassieke Systeem Afstand voedingspunten 5-10 km Vermogen OS 6-8 MW Retour geïsoleerd van aarde Zwerfstromen belangrijk Ook geschikt voor andere lage spanningsniveaus Geschikt voor Light-rail

11 Homologatie Spoorwegsystemen 25 kv a.c. 150 kv 150 kv Fase scheiding 25 kv 25 kv

12 Homologatie Spoorwegsystemen 25 kv a.c. Kentallen V nom 25 kv V max 27,5 kv V min 21 kv I max 1000 A P max 25 MW V max 300 km/h Freq. 50 Hz Eigenschappen Nieuwe Systeem BetuweRoute HSL-Zuid Afstand voedingspunten ca. 30 km Vermogen OS 66 MW Retour verbonden met aarde Zwerfstromen zeer geringe rol Niet geschikt voor andere lage spanningsniveaus Ongeschikt voor Light-rail

13 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen Electro chemische corrosie 1 A per jaar verlies van 9 kg staal Reeds lang bekend fenomeen 2 Fe 2 Fe e - O 2 + H 2 O + 4 e 4 OH - (1) 4 H 2 O + 4 e 4 OH - +2 H 2 (2) 2 Fe OH - 2 Fe(OH) 2 (= roest)

14 Wet op de Zwerfstormen Reeds is 1924!

15 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen bovenleiding Retourstroom V spoorstaaf-bodem

16 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen Stroom door niet bedoeld pad = ZWERFSTROOM OS bovenleiding zwerfstroom pijpleiding Probleem!

17 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen OS bovenleiding spoorstaven moeder aarde Afleid weerstand Isolatie pijpleiding

18 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen Waarom is inzicht nodig? Bundeling van infrastructuur Urbanisatie Introductie light-rail Economische belangen EU wetgeving

19 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen Mogelijke slachtoffers Gasleidingen Waterleidingen Kabels Wapening in funderingen trekpalen damwanden Spoorstaven Etc.

20 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen Gevolgen zwerfstroomcorrosie Zwerfstroomcorrosie van waterleiding Putcorrosie van geïsoleerde gasbuis

21 Homologatie Spoorwegsystemen Zwerfstromen Situatie zonder Collectorleiding V tractiestroom bovenleiding Div constr. onderstation (gelijkstroombron) spoorstaven retourstroom zwerfstroom Uittrede: zwerfstroomcorrosie = zwerfstroomuittrede van het ene constructiedeel naar het andere Gevolgen zwerfstroomcorrosie = geconcentreerde zwerfstroomuittrede van tunnel naar aarde

22 Modelontwikkeling Overzicht modellen Natuurkunde Wiskunde Numerieke implementatie

23 Modelontwikkeling Overzicht Modellen A. Directe discretisatie naar circuit model B. Weerstand netwerk C. Cilindrische lagen D. Volledige 3-D simulatie E. Longitudinale sectionering, semi 2-D

24 Modelontwikkeling Overzicht Modellen ρ 1 ρ2 ρ 3 Circuit model van 1 tak A. Direct Circuit Modellen C. Cilindrische laag modellen OS Last OS Spoor verre aarde Sectie L slachtoffer B. Weerstand netwerk modellen E. Longitudinale sectionering, 2-D

25 Modelontwikkeling Overzicht Modellen A. Circuit model B. Weerstand netwerk C. Cilindrische lagen D. Volledig 3-D E. Longitudinaal sec., semi 2-D Voordelen Simpel Grote systemen Simpel Intuïtief Eenvoudig combinatie met 3-D Model Grote structuren mogelijk Commercieel verkrijgbaar Simp3l Grote structuren mogelijk Detailniveau mogelijk Nadelen relatie tussen circuit elementen en echte spoorwegomgeving omslachtig Zeer beperkte betrouwbaarheid Gelaagdheid bodem Meerdere sporen Verbinding met echte spooromgeving Inspanning noodzakelijk Discrepantie longitudinaal transversaal Bestond nog niet Nauwkeurigheid

26 Modelontwikkeling Op basis van bovenstaande argumenten: Besluit Movares: In samenwerking met RET R&D project Hulpmiddel STARTRACK ontwikkelen

27 Fysisch model Basis Aard elektroden Bol geometrie Koppeling coëfficiënten Sectie L Homogene bodem I r x V x dr α ii = ρ 2πr X α ij = ρ 2πd

28 Fysisch Model Transversaal [ V ] = [ A] [ I ] V 1,I 1,r 1 V 2,I 2,r 2 V 3,I 3,r 3 V N,I N,r N [ I] = [ B ] [ V ] γ12 γ23 γ3n [ Γ] γ 11 [ B] = [ A] 1 γ = γ γ = N1 γ γ γ N 2 γ γ γ 1N 2N NN N γ1n γ11 γ22 γ33 γnn ( β11 + β12 + β β1 ) = β1 γ 12 = γ 21 = β12 = β 21 N n= 1 i

29 Fysisch Model Longitudinaal Sectie N-1 Sectie N Sectie N+1 α il ρ r = r N i ril = N 2πriL n= 1 ri n= 1 2 i R Li = ρ π ( L 2 ril ) ( L r ) r il il

30 Fysisch Model Koppeling section N-1 section N section N+1 Z R L R L R L R L R il R il R A R A R A R jl R jl R Ai i 2 2* Gi Gi Gi RLi RLi = G R Li G i δ δ ij ii = γ ij = 1 R Ai i j δ δ δ δ N δ δ δ δ δ δ 1N.. NN = [ Δ]

31 Fysisch Model Meervoudig gelaagde bodem = a x X dr d R d d R R I V ρ ρ ρ π ρ ρ 1 ρ 2 dr d R α dα I

32 Fysisch Model Overzicht R ii R ii R ii R ii R Li R ii δ ij R ii δ ij δ ii R Li δ ii δ ij δ ij δ ij δ ij δ ii δ ii R Li δ ii δ ii

33 Numerieke Modellen meerpool techniek OS BVL BVL Trein BVL A = A A * A Cat Cat Train A Cat Z = Z11 Z12 L Z1 Z Z Z M O M Z 1 Z 2 L Z n n nn n n [ U ] [ I ] = A [ U ] [ ] I

34 Numerieke Modellen meerpool techniek Problemen: Instabiliteit L > 5 km Moeder Natuur niet instabiel Numeriek instabiliteit Ingenieursoplossing

35 Numerieke Modellen meerpool techniek Oplossingen: Fundamenteel, in algoritme: Te lastig en tijdrovend, niet generiek Brute Force Bepaal conditie getal matrix Bepaal op basis van conditie getal en vuistregel mantisse lengte Simuleer Dit werkt! mits voldoende zware computer!

36 Voorbeelden pijpleiding Stroom [A] Piijpleiding OS1 1kA OS2 Spoor 1 Verbinding Bodem Km 0,0 Km 5,0 Km 9,0 Km 13 Km 17 Km 20 Spoor Positie [km]

37 Voorbeelden Zettingvrije plaat Naar negatieve rail OS Spoorstaven Dilatatie voeg Wapening / zwerfstroomopvangmat zwerfstroom opvangkabel Beton plaat Isolatie laag Te beschermen wapening Bodem

38 20 15 Voorbeelden Zettingvrije plaat wapening 10 5 wapening bodem Stroom [A] bodem OS1 1kA OS2 Spoor 1-15 Verbinding Spoor Positie [km]

39 Voorbeelden Metro emplacement: Lay-out 10 em. sporen 3 sporen werkplaats pijpleiding RET Rotterdam ,5 110,7 107, km

40 Voorbeelden Metro emplacement: Belastingen Positie Locatie Emplacement Werkplaats Belasting 1600 A 1600 A RET Rotterdam A A Hoofdlijn A A Isolatie las spoor aan één zijde werkplaats kortgesloten

41 Voorbeelden Metro emplacement: Resultaten Spanningen Stromen Pijpleiding Bodem Spoor Bodem Pijpleiding Bodem V 61.1 V 3.7 A 60.0 A RET Rotterdam Bovenstaande tabel: maximum waarden aanwezig Simulatie resultaten komen overeen met bekende meetgegevens

42 Voorbeelden Metro emplacement: Resultaten Stroom [A] 20 0 Pijpleiding -20 RET Rotterdam Bodem Positie [km]

43 Voorbeelden Metro emplacement: Resultaten Spoor 5 50 RET Rotterdam Spanning [V] Spoor 1 Spoor 4 Spoor Positie [km] Pijpleiding-bodem Spoor 2

44 Conclusies Beperkte inspanning noodzakelijk Voldoende nauwkeurigheid Invoergegevens bodem moeilijk te verkrijgen Compromis: Fysisch/Mathematische correctheid technisch nut Waardevolle ontwerphulp Zwerfstroom niveau ontwerpoplossingen kosten effectief

45 Dankbetuiging Richel van der Schulp, RET Rotterdam Leo Vliegenthart, RET Rotterdam Diederik Verheul, Movares Gerrit Disberg, Movares

46 Net toen ik het antwoord wist, veranderen ze de vraag,..

47 Toegift Eenvoudige handberekening Schiphol tunnel* Tweesporige treintunnel Lengte 4000 m Eigen voedingspunt aan begin tunnel Gescheiden van buitenwereld Gemiddelde tractie stroom 2000 A Levensduur 100 jaar Gevraagd: Benodigde spoorisolatie Benodigde extra wapening * Aangepast aan de hand van de oorspronkelijke berekening uit de zeventiger jaren door het NS bureau IS 6.1.3

48 Toegift Overzicht situatie 7,5 m 8,5 m 7,5 m 8,5 m

49 Toegift Overzicht situatie Gegevens: Soortelijke massa beton: 2000 kg/m 3 Soortelijke massa staal: 7800 kg/m 3 Hoeveelheid wapening: Soortelijke weerstand beton: Soortelijke weerstand staal: Weerstand retourcircuit: 150 kg/m 3 beton 100 Ωm 200 x 10-9 Ωm 22 mω/km

50 Toegift Berekening weerstand a I r dr ( ) = = x a a x l I dr lr I x V ln π ρ π ρ ( ) a -c x a c x l I x V + + = voor ln 1 π ρ ( ) a c x a x c l I x V = voor ln 2 π ρ ( ) a c x x c c x l I x V tot + = c - a voor ln π ρ ( ) ( ) = = Δ a a c l I c a V a c V V 2 ln 2 π ρ = a a d l R ln 2 π ρ Hypothetische stroominjectie oorsprong, retour op oneindig stroominjectie op twee punten

51 Toegift Berekening bovenleiding Retourstroom L V spoorstaaf-bodem x V spoorstaaf ( x) = I R x tractie retour I zwerftotaal L / 2 R L = I zwerf 8 0 I zwerf ( x) V = R spoorstaaf beton + R ( x) tractie retour retour ( x) dx = I R + R tractie beton iso iso I R 2

52 Toegift Berekening weerstand Volume beton 64 x 10 3 m 3 Massa staal 9,6 x 106 kg Volume staal 1,23 x 10 3 m 3 r verv. halve cilinder staal 0,44 m Breedte zool spoorstaaf 0,14 m r verv. halve cilinder staal 0,18 m r verv. halve cilinders berek. 0,33 m Gemiddelde afstand spoor-wapening 2 m Rspoor-beton-wapening 27 mω Rspoor-beton-wapening voor 1 m 110 Ωm

53 Toegift Resultaten berekeningen Totale zwerfstroom 816 A (=41% I tractie ) Verlies aan staal 744 x 10 3 kg (100 jaar) Procentueel verlies 8 % Maar let op: ervaringsfeit: lokaal kan een factor 3-5 meer verlies optreden! Conclusie dit is niet toelaatbaar!

54 Toegift Ontwerp modificaties Toevoegen van extra isolatie onder spoorstaaf Circa 2500 Ω per bevestiging (nieuw) Circa 6 bevestigingen per meter Extra weerstand circa 400 Ωm Meer wapening, 300 kg/m 3 Resultaat: Totale zwerfstroom 174 A Procentueel verlies 0,8 % Dit is toelaatbaar!

55 Net toen ik het antwoord wist, veranderen ze de vraag,..