DC tahrikli raylı ulaşım sistemlerinde ray üzerindeki gerilim ve sızıntı akımının hesaplanması

Abstract

Dünya'da ve Türkiye'de, elektrikli raylı ulaşım sistemleri, ulaşım sorununun çözümünde en etkili yöntem olarak görülmektedir ve bu sistemler ulaşımın modern, hızlı, konforlu, güvenli ve daha ucuz olmasını sağlamaktadır. Elektrikli raylı ulaşım sistemleri, güç besleme sistemlerine göre DC beslemeli ve AC beslemeli raylı ulaşım sistemleri olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. AC beslemeli raylı ulaşım sistemleri daha çok şehirler arası ulaşımda kullanılmakta iken DC beslemeli raylı ulaşım sistemleri ise şehir içi ulaşımda tercih edilmektedir. DC beslemeli raylı ulaşım sistemlerinde ray, aracın çekmiş olduğu akım için geri dönüş yolu olarak kullanılmaktadır. Ray toprak arasında sonlu bir direnç olduğundan akımın bir kısmı toprağa akacak ve yer altındaki metalik yapılar üzerinden kaynağa geri dönecektir. Ray toprak yolu üzerinden akan akıma sızıntı akımı denmektedir ve bu akım ray toprak arasında gerilim yükselmesine neden olmaktadır. Bu tezde, DC beslemeli raylı ulaşım sistemi için sızıntı akımı ve ray gerilimi farklı topraklama sistemleri için hesaplanmıştır. Sistem için analitik formüller gerekli sınır şartları dikkate alınarak bulunmuştur. İletim hattı modeli kullanılarak gerçekleştirilen nümerik çözümün, analitik çözüme yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Geliştirilen formüller İstanbul hafif metro hattındaki gerçek bir tahrik sistemine uygulanmıştır. Simülasyon sonuçlarından; topraklama direncinin, araç akımının, kaynak ile aracın bulunduğu yerin ray gerilimi ve sızıntı akımı üzerinde büyük etkisinin olduğu görülmüştür. Topraklanmamış sistemlerde sızıntı akımının, topraklanmış sisteme kıyasla küçük olduğu bulunmuştur. Diğer taraftan topraklanmamış sistemlerde ray gerilimi dikkate alınacak değerlerde olduğu bulunmuştur. Sonuç olarak, ray toprak kısadevresi, dönüş yolu üzerindeki gevşek bağlantılar gibi farklı arıza durumları gerçek sistem üzerinde denenmiş ve arıza durumlarında ray gerilimi ve sızıntı akımının arttığı görülmüştür.Electric railway systems are considered as the most effective method in solving transportation problems in the World and Turkey. These systems provide modern, rapid, comfortable, safe and cheaper transportation. Electric railway systems are divided; as DC and AC power supplied systems according to their feeding schemes. AC power supplied railway systems are used mostly in mainlines, whereas DC power supplied systems are, generally, used in urban transportation. In electrified railway systems, track rails are used as return conductors for the current. Because of the finite resistance between rail and earth, a fraction of the current is leaked to earth and returned back to the source through the buried metallic structure, The current that flows through earth is called as stray current and can cause a voltage rise between rail and remote earth. In this thesis, the stray current and related rail potential profiles in DC fed railway systems are calculated for different earthing schemes. Analytic formulae are derived by taking into account proper boundary conditions. The results are shown close agreement with the numeric calculation which is implemented using transmission line models. The developed methods are used to simulate a real traction system which is part of the Istanbul Light Railway System. The simulations concur with previous findings and show that the stray current and rail potential are highly dependent to the values of the rail to earth conductivity, train current, locations of the train and siting of the transformer substations. It is also found that in an unearthed system, the stray current is small when compared with the earthed one, On the other hand, the rail potential is significant in unearthed systems. Consequently, various fault conditions such as; rail to earth short circuits and loose connections in the return paths are simulated for the real system. It is seen that the faulty conditions increase the stray current and rail potential.