Kentallen 25 kv tractie-energiesysteem Betuweroute A15 tracé

Transcriptie

1 2010 Kentallen 25 kv tractie-energiesysteem Betuweroute A15 tracé Ing. G.A. Gerritsen Movares

2 INHOUD SAMENVATTING Inleiding Betuweroute kv/50 Hz tractie-energiesystemen Overzicht tractie-energiesystemen Varianten 25 kv/50 Hz tractie-energiesystemen kv/50 Hz AT-systeem Subsystemen Onderstation AT-Station Materiaal en methoden Resultaten Discussie en conclusies Dankwoord Referentielijst Bijlagen Appendix A:lijst met afkortingen

3 SAMENVATTING Kentallen en een database met kentallen zijn een onontbeerlijk en handig hulpmiddel voor het bepalen van investeringskosten in de planfase (concept- en initiatiefase) van een project. Het is met name in deze fase van een project dat er iets geroepen moet worden over investeringskosten terwijl er nauwelijks gegevens beschikbaar zijn voor het maken van een begroting. Het is juist in deze fase dat in een haalbaarheidstudie moet worden vastgesteld of een project technisch en economisch haalbaar is. Het gebruik van kentallen is in deze situatie een uitkomst. In deze paper ga ik in op de kentallen die ik heb afgeleid van de onder- en AT-stations van het 25 kv AT-systeem van de Betuweroute. De kentallen zijn afgeleid voor de volgende subsystemen van een onder- en AT-station: 150 kv installatie; Bekabeling; 25 kv installatie; Besturing en beveiliging; Integraal voedingssysteem; Gebouwgebonden installaties; Civiel; Bouwplaatskosten. 2

4 1 INLEIDING De Betuweroute, een dubbelsporige goederenspoorlijn tussen de Maasvlakte en de Duitse grens, werd op 16 juni 2007 officieel in gebruik genomen en is samen met de Hogesnelheidslijn (HSL) één van de grootste infrastructurele projecten van de Nederlandse Overheid. De totale kosten voor de Betuweroute bedroegen 4,7 miljard euro en hiermee is de Betuweroute het duurste project wat de Nederlandse Overheid ooit heeft ondernomen. Het project kende een enorme overschrijding van het in 1995 vastgestelde budget van 2,5 miljard euro. Dit leidde tot grote verdeeldheid in de politiek en onder de bevolking en resulteerde in verschillende onderzoeken naar de aard en omvang van de budgetoverschrijdingen. Uit onderzoek van de Algemene Rekenkamer in 2001 bleek dat het, vooral in de jaren vóór 1998 in de definitiefase van het project is misgegaan. Volgens de Rekenkamer ontbraken in deze periode de middelen (methoden) voor het maken van kostenramingen, was er te weinig aandacht voor kostenbeheersing en zijn risico s en onzekerheden verkeerd ingeschat. Zodoende ontbraken al bij het begin van de uitvoering de noodzakelijke instrumenten voor kostenbeheersing. Om bij toekomstige 25 kv infrastructurele projecten een betrouwbare begroting te kunnen weerleggen, heb ik kentallen uit de bouwkostenbegrotingen van de Betuweroute (A15 tracé) afgeleid. Aangezien de Betuweroute de eerste spoorlijn in Nederland is die is geëlektrificeerd met 25 kv wisselspanning, kan voor deze kentallen niet worden geput uit een database. Deze kentallen zullen dus moeten worden afgeleid. Ik begin deze paper met een beschrijving van het project Betuweroute en de tractie-energiesystemen die op de Betuweroute zijn toegepast. Hierbij beperk ik mij tot 25 kv AT-systeem. Vervolgens beschrijf ik de subsystemen van de onder- en AT-stations. Als laatste komen de kentallen van deze subsystemen aan de orde. 3

5 2 BETUWEROUTE De Betuweroute is een 160 kilometer lange dubbelsporige goederenspoorlijn tussen de Maasvlakte (bij Rotterdam) en de Duitse grens (enkele kilometers voorbij Zevenaar). Vanaf de Maasvlakte loopt het tracé van de Betuweroute via de dubbelsporige geëlektrificeerde Havenspoorlijn naar het rangeerterrein Kijfhoek. Vlak voor het rangeerterrein ligt het nieuwe overkapte station Barendrecht dat de HSL-Zuid, de goederenspoorlijn Kijfhoek IJsselmonde en de spoorlijn Rotterdam Dordrecht huisvest. Vanaf het rangeerterrein Kijfhoek gaat het tracé van de Betuweroute in oostelijke richting verder en hierbij passeert het tracé de rivieren de Noord (Sophia Tunnel) en Giessen (Giessen Tunnel). Vanaf Giessen ligt het tracé ongeveer driekwart van de totale lengte gebundeld met de gereconstrueerde rijksweg A15. Bij Angeren passeert het tracé het Pannerdensch Kanaal (Pannerdensch Tunnel) om vlak achter Zevenaar, via de bestaande spoorlijn Arnhem Emmerich, aan te sluiten op het Duitse spoorwegennet. Kentallen van de Betuweroute: Dubbelsporige goederenspoorlijn van Rotterdam naar Duitse grens; Budget: 2,53 miljard euro (1995); Kosten: 4,7 miljard euro; Lengte: 160 kilometer; Bundeling met de autosnelweg A15: 95 kilometer; Lengte van geluidschermen: 160 kilometer (aan één zijde); Beveiligingssysteem: ERTMS/ETCS (afwijkend van huidige Nederlandse standaard); Lengte verdiepte ligging: 7,5 kilometer; Aantal viaducten en bruggen: 130; Lengte van viaducten en bruggen: 12 kilometer; Aantal wissels: 155; Aantal faunapassages: 190; Aantal tunnels: 5. 4

6 3 25 KV/50 HZ TRACTIE-ENERGIESYSTEMEN In deze paper onderzoek ik kentallen van het 25 kv/50 Hz tractie-energiesysteem van de Betuweroute. Om deze kentallen goed te kunnen interpreteren en op de juiste wijze te kunnen toepassen, is het noodzakelijk om enige kennis van het 25 kv/50 Hz tractie-energiesysteem te hebben. Daarom begin ik dit hoofdstuk met een overzicht van de verschillende tractie-energiesystemen die op de Betuweroute zijn toegepast. Daarna zoom ik in op enkele varianten van het 25 kv/50 Hz tractie-energiesysteem en met name op het 25 kv/50 Hz AT-systeem dat op de hoofdbaanbakken van de Betuweroute (A15 tracé) is toegepast. 3.1 Overzicht tractie-energiesystemen In afbeelding 3.1 is een overzicht gegeven van de tractie-energiesystemen die op de Betuweroute zijn toegepast. Hieruit blijkt dat het tracé van de Betuweroute is geëlektrificeerd met 1500 V gelijkspanning en V/50 Hz wisselspanning. Afbeelding 3.1 De 25 kv/50 Hz wisselspanning is toegepast op het tracé tussen de Maasvlakte en spanningssluis Vaanplein (Havenspoorlijn) en het tracé tussen spanningssluis Sophia Tunnel en spanningssluis Zevenaar. Behalve deze 25 kv/50 Hz wisselspanning is op de Betuweroute 1500 V gelijkspanning toegepast voor het tracé tussen spanningssluis Vaanplein en spanningssluis Sophia Tunnel. Ook het tracé ten oosten van Zevenaar (bestaande spoorlijn Arnhem Emmerich) is geëlektrificeerd met 1500 V gelijkspanning. De tractie-energiesystemen zijn van elkaar gescheiden door spanningssluizen bij Vaanplein, Sophia Tunnel en Zevenaar. 3.2 Varianten 25 kv/50 Hz tractie-energiesystemen Op de Betuweroute worden de volgende 25 kv/50 Hz tractie-energiesystemen toegepast: het ST-systeem; het RT-systeem; het AT-systeem. Het ST-systeem is de meest eenvoudige variant waarbij de bovenleidinggeleider (bovenleidingsysteem) uit een rijdraad en draagkabel bestaat en de retourstromen via twee spoorstaven en een lineaire aardkabel terug naar het onderstation gaan. Deze lineaire aardkabel ligt in de grond, parallel aan de spoorbaan en is op gelijke afstanden met de spoorstaven verbonden. Bij het RT-systeem (afbeelding 3.2) heeft het bovenleidingsysteem een extra bovenleidinggeleider oftewel equipotentiaalgeleider [3] die in het bovenleidingportaal wordt meegevoerd en hiermee galvanisch verbonden is. Voordeel van dit systeem is dat de equipotentiaalgeleider als 5

7 extra geleider functioneert om de retourstromen terug te laten keren naar het onderstation. Door het magnetische veld van de equipotentiaalgeleider wordt het magnetische veld van de bovenleidinggeleiders (rijdraad en draagkabel) gedeeltelijk gecompenseerd. Beide systemen worden alleen toegepast op periferie en emplacementen Afbeelding 3.2: RT-systeem Afbeelding 3.3: AT-systeem 1 = Draagkabel 2 = Rijdraad 3 = Equipotentiaalgeleider 4 = Negatieve feeder Het AT-systeem (zie afbeelding 3.3) heeft een tweede extra bovenleidinggeleider [4]. Deze negatieve feeder wordt eveneens in het bovenleidingportaal meegevoerd. Door het gebruik van speciale autotransformatoren kan de bovenleidingspanning worden verhoogd waardoor dit systeem uitermate geschikt is voor grotere voedingsafstanden (25 t/m 50 km) en grotere af te nemen vermogens (tot 25 MW). Om deze redenen en de goede ervaringen met dit systeem in Frankrijk en Zweden, zijn alle hoofdbaanvakken van de Betuweroute met het 25 kv/50 Hz AT-systeem uitgerust kv/50 Hz AT-systeem Het principe van het 25 kv/50hz AT-systeem is weergegeven in afbeelding 3.4. In de afbeelding zijn te herkennen het onderstation, drie AT-stations, de negatieve feeder [4], de rijdraad en draagkabel [1+2] en spoorstaven [3]. Onderstation AT-station 1 AT-station 2 AT-station 3 4 [4] [1+2] [3] 3 Afbeelding 3.4: Principe 25 kv/50 Hz AT-systeem 6

8 De voeding voor het 25 kv/50 Hz AT-systeem is afkomstig uit het onderstation. Het onderstation wordt gevoed uit het openbare net (150 kv spanningsniveau) en zorgt ervoor dat elektrisch vermogen beschikbaar wordt gesteld voor de elektrische tractie. Het onderstation transformeert dit vermogen (op 150 kv spanningsniveau) naar een spanningsniveau van 2x25 kv/50 Hz. Deze 25 kv/50 Hz spanningen zijn 180 graden in fase verschoven (tegenfase) waardoor over de autotransformatoren (tussen de bovenleidinggeleiders [1+2] en de negatieve feeder [4]) 50 kv/50 Hz komt te staan. Om te zorgen dat zo min mogelijk retourstromen via de spoorstaven terugkeren naar het onderstation, wordt de middenaftakking van de autotransformator verbonden met het retour- en aardingssysteem. Indien een trein zich tussen twee AT-stations bevindt, zullen de retourstromen via de AT-stations en negatieve feeder [4] terug naar het onderstation lopen. Het grote voordeel van dit systeem is dat de magnetische beïnvloeding naar andere systemen slechts zeer gering is. 7

9 4 SUBSYSTEMEN In hoofdstuk 4 beschrijf ik de subsystemen van een onder- en AT-station. Hiermee fungeert dit hoofdstuk als inleiding voor de komende hoofdstukken waar ik de kentallen van deze subsystemen ga bespreken. De subsystemen worden verduidelijkt aan de hand van hoofdstroomschema s. 4.1 Onderstation Het onderstation (zie bijlage I) zorgt ervoor dat elektrisch vermogen (uit openbaar net) beschikbaar komt voor de 25 kv elektrische tractie. Om dit te bewerkstelligen is het onderstation uitgerust met de volgende subsystemen: 150 kv installatie; 150 kv/2x27,50 kv tractietransformatoren; 25 kv installatie; 25/50 kv bekabeling; gebouwgebonden installaties; besturing en beveiliging; integraal voedingssysteem. Het onderstation wordt via één of twee 150 kv kabelverbindingen gevoed uit het 150 kv net. Deze 150 kv kabelverbinding is bij de netbeheerder aangesloten op een 150 kv installatie. Tot de 150 kv installatie behoren de 150 kv vermogensschakelaar, een 150 kv scheider/aardingsschakelaar, 150 kv stroom- en spanningstransformatoren en kabelbeveiligingen (maximaal stroom-tijd). De andere zijde van de 150 kv kabelverbinding (de zijde van beheerder Betuweroute) is eveneens aangesloten op een 150 kv installatie die dezelfde componenten bevat als de 150 kv installatie van de netbeheerder. De 150 kv kabelverbinding is aan deze zijde bovendien beveiligd met een kabeldifferentiaalbeveiliging. Vanaf de 150 kv vermogensschakelaar gaat de 150 kv kabelverbinding rechtstreeks naar de tractietransformator. De 66 MVA tractietransformator [TT02] transformeert de 150 kv/50 Hz wisselspanning in twee 25 kv/50hz wisselspanningen, die 180 graden met elkaar in fase zijn verschoven. Deze tractietransformator voedt via twee 25 kv kabelverbindingen de 25 kv installatie. Evenals de 150 kv kabelverbinding is de tractietransformator voorzien van transformatorbeveiligingen. Aan beide zijden van de tractietransformator bevinden zich overspanningsafleiders die de tractietransformator beschermen tegen te hoge spanningen. De 25 kv installatie is een hoogspanningsverdeelinrichting die de energie van de tractietransformator via de bovenleidingschakelaars [E, F, G, H] distribueert naar de bovenleiding (positieve feeder) en de negatieve feeder van de voedingsecties. Hiervoor is de 25 kv installatie voorzien van op afstand te bedienen objecten zoals de vermogensschakelaar [VS-E t/m H], de railkoppelschakelaar [VS-KS01] en aardingsschakelaars [KA-E t/m H]. Daarnaast omvat de 25 kv installatie twee railsystemen [rail 1/2], overspanningsafleiders en stroom- en spanningstransformatoren en diverse beveiligingen. Al deze objecten zijn ondergebracht in separate velden. De 25 kv installatie is uitgerust met diverse beveiligingen. Behalve hoogspanningsinstallaties, bevinden zich in het onderstation ook laagspanningsinstallaties. Tot deze installaties behoren de gebouwgebonden installaties en de installaties voor het op afstand sturen en melden van de subsystemen. Bij de onderstations van het A15-tracé worden deze installaties niet gevoed uit het onderstation zelf, maar uit een Integraal VoedingSysteem (IVS). Dit systeem bestaat uit 10/13 kv circuits, die tweezijdig (onafhankelijk van elkaar) vanuit het openbare net worden gevoed. Indien de voeding aan een zijde weg valt, wordt deze automatisch overgenomen door de andere voeding. Via een transformator wordt de 10/13 kv wisselspanning omgezet in een 400 V wisselspanning voor de laagspanningsinstallaties. 8

10 4.2 AT-Station In tegenstelling tot een onderstation heeft het AT-station (bijlage II) geen voedende functie maar zorgt het AT-station (met autotransformatoren) voor het parallel schakelen van de bovenleiding om zodoende het spanningsverlies op het baanvak te beperken. Bovendien zorgt het AT-stations voor het verhogen van de selectiviteit van het tractienet. Zoals uit het hoofdstroomschema blijkt, heeft het AT-station nagenoeg dezelfde subsystemen als een onderstation. Er ontbreekt echter een 150 kv installatie. 9

11 5 MATERIAAL EN METHODEN Voor het onderzoek heb ik gebruik gemaakt van de bouwkostenbegrotingen van de Betuweroute (A15-tracé). Deze bouwkostenbegrotingen zijn in 2003 door de aannemerscombinatie van de Betuweroute (NUON Balfour Beatty) opgesteld en in hetzelfde jaar door ProRail AKI (Aanbestedingszaken, Kostenmanagement en Inkoop) goedgekeurd. De bouwkostenbegrotingen hebben betrekking op drie onderstations (Graafstroom, Tiel Oost, Zevenaar West) en negen AT-stations (Giessen, Grote Haar, Lingewaal, Lage Veld, Bergakker, Westerveld, Andelst, Biesterveld, Kamervoort). Om de kentallen gemakkelijk te kunnen reproduceren, ben ik begonnen met het opzetten van een bouwkostenbegroting in Excel. In deze bouwkostenbegroting moesten zijn opgenomen de directe kosten (materiaal- en montagekosten) en indirecte kosten zoals engineering- en projectmanagementkosten. Daarna heb ik alle bouwkostenbegrotingen in Excel ingevoerd (inclusief alle eenheidsprijzen). Hierbij heb ik gekozen om alle bouwkosten onder te brengen in subsystemen die zowel voor een onder- als AT-station herkenbaar zijn. Tot slot heb ik de kentallen aan deze subsystemen toegekend. De kentallen zijn bepaald voor de volgende subsystemen: 150 kv apparatuur (alleen voor onderstation); Kabelverbindingen; 25 kv installatie; Besturing en beveiliging; Integraal voedingssysteem; Gebouwgebonden installaties; Civiel; Bouwplaatskosten. Zie bijlage III voor de bouwkostenbegrotingen van de onder- en AT-stations en de berekening van de kentallen. 10

12 6 RESULTATEN In tabel 5.1 en 5,2 heb ik de kentallen (uit bijlage III) van de onderstations en AT-stations nogmaals weergegeven. OS A1 Materiaal & montage OS A2 Materiaal & montage Categorie Kentallen Opmerkingen Kentallen Opmerkingen 150 kv installatie Kabelverbindingen kv installatie Besturing en beveiliging Integraal Voedingssysteem Gebouwgebonden installaties Civiel Bouwplaatskosten TOTAAL Tabel 5.1: kentallen onderstations ATS C1 Materiaal & montage ATS C2 Materiaal & montage Categorie Kentallen Opmerkingen Kentallen Opmerkingen Kabelverbindingen kv installatie Besturing en beveiliging Integraal Voedingssysteem Gebouwgebonden installaties Civiel Bouwplaatskosten TOTAAL Tabel 5.2: kentallen AT-stations Verklaring tabellen OS A1:onderstation met een opgesteld vermogen van 66 MVA OS A2:onderstation met een opgesteld vermogen van 132 MVA. ATS C1:AT-station met één AT-transformator. ATS C2:AT-station met twee AT-transformatoren. 11

13 7 DISCUSSIE EN CONCLUSIES De kentallen zijn bepaald voor drie onderstations en negen AT-stations. De nauwkeurigheid van de kentallen voor onderstations zal verder toenemen indien er meer begrotingen van onderstations beschikbaar komen en aan de database met kentallen worden toegevoegd. De kentallen van de AT-stations zijn betrouwbaar omdat deze op negen begrotingen zijn gebaseerd en de AT-stations praktisch dezelfde configuraties hebben. Het is belangrijk om goed de uitgangspunten van de kentallen vast te leggen zodat eventuele verschillen in kentallen kunnen worden verklaard. Ook de hoofdstroomschema s helpen hierbij. Om de kentallen in de toekomst te kunnen gebruiken voor soortgelijke 25 kv infrastructurele projecten, is het zaak om een database met kentallen op te bouwen. De onderzochte locaties zijn een eerste aanzet tot deze database en het is zaak om jaarlijks deze kentallen te indexeren met de prijsontwikkeling. Aangezien de begrotingen in 2003 zijn opgesteld, dienen de kentallen nog naar het prijspeil 2010 te worden geïndexeerd. Een volgende stap is om de kentallen in een SSK-begroting op te nemen. 12

14 8 DANKWOORD Mijn dank gaat uit naar mijn collega Marco de Klerk voor het ter beschikking stellen van de hoofdstroomschema s en de bouwkostenbegrotingen. Marco was tijdens de bouw van de onder- en AT-stations namens Movares gedetacheerd bij de aannemerscombinatie NUON Balfour Beatty. Zonder hem zou het afleiden van de kentallen een stuk lastiger zijn geweest. 13

15 9 REFERENTIELIJST Ir. G.C. van de Hoeven, Ir. J.A. Minkman, 30 juli Introductiecursus Tractie-energie systemen. Movares, Utrecht. 76 p. Rory Burke, Project Management, Planning and Control Techniques. J. Wiley & Sons Ltd, Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex England. 373 p. 14

16 BIJLAGEN BIJLAGE I: hoofdstroomschema van een onderstation BIJLAGE II: hoofdstroomschema van een AT-station BIJLAGE III: berekeningen kentallen onder- en AT-stations 15

17 APPENDIX A:LIJST MET AFKORTINGEN Afkorting Omschrijving Pagina IVS station Integraal voedingssysteem 4 AC Alternating current, wisselstroom 5 kv Kilovolt, eenheid voor spanning 5 Hz Herz, eenheid voor frequentie 5 ST-systeem Standaard system 5 RT-systeem Retoursysteem 5 AT-systeem Autotransformatorsysteem 5 16