1

RAYLI SİSTEMLERİN TEMELLERİ (C.F. Bonnett, Practical Railway Engineering, 2nd Ed., London: Imperial College Press, 2005 adlı kitaptan çevrilmiştir—H. H. ERKAYA)

9. Elektrifikasyon

9.1 Hareket Gücü Olarak Elektrik Raylı sistemlerde çeken ve çekilen araçlar için hareket gücünün geçirdiği evreler Bölüm 3’te anlatılmıştı—detaylar için tekrar bakılabilir. Geçtiğimiz yüzyıl içinde dünya çapında raylı sistemler için en iyi hareket kaynağının ne olacağı hakkında ateşli, müzmin ve bir sonuca götürmeyen tartışmalar oldu. Son 20 veya 30 yıldır raylı sistemlerde elektrikli hareket gücü kullanmaya doğru bir eğilim oluşmuştur. Mevcut eğilim de bu yöndedir.

Bu bölümde bu konu tekrar ele alınmayacak ama elektrifikasyon olan demiryollarında karşılaşılan tesis, işletme ve yönetimle ilgili bazı hususlar dile getirilecektir.

Elektrifikasyon genellikle yüksek sabit tesis masraflarının haklı çıkarılabileceği yoğunlukta trafiğin olduğu yerlerde yapılır. Basitçe söylemek gerekirse, yeterince tren trafiği varsa, elektrifikasyon, enerji santrallerini lokomotiflerden çıkarıp, daha büyük ama daha az sayıda sabit enerji santrali yapmak ve sistemi bunlarla beslemek demektir.

Elektrik enerjisinin AC veya DC olması gerektiği konusunda da bir çelişki mevcuttur. Yüksek gerilimli alternatif akım (AC) sistemlerinde sabit donanım maliyetleri daha düşüktür ama lokomotifler daha pahalıdır. Orta gerilim doğru akım (DC) sistemlerinde de sabit donanım maliyeti yüksek, lokomotifler daha ucuzdur.

Elektriklendirme sistemleri farklı raylı sistemlerde farklı geliştirildiği için, bazı tip lokomotifler ve çoklu birimler (EMU) hem AC hem de DC sistemlerde çalışabilecek şekilde üretilmektedir. Bunun dikkat çeken bir örneği, Paris ve Londra arasındaki Kanal Tünelinde çalışan trendir.

9.2 Elektriğin Üretilmesi

İlk defa raylı sistemler elektrik enerjisi ile donatıldığında elektrik üretme sistemleri de daha bebeklik devirlerini yaşıyorlardı. Pek çok demiryolu ve tramvay şirketi kendi ihtiyaçlarının karşılamak üzere kendi elektrik santralini kurmuştu. Bu santraller buharla çalışıyordu ve yakıt olarak kullanılan çok miktardaki kömürün kolay taşınması için çoğunlukla nehir kenarlarına kurulmuşlardı. Örneğin, Londra’da ilk metro sistemi için Neasden ve Chelsa Creek üzerinde, LCC tramvayları için de Greenwich’te Thames üzerinde santraller kurulmuştu. Yoğun saatlerde enerji talebi fazla olduğu için, bu santraller günün çoğu saatinde kapasite üstü çalışmaya zorlanıyor ve verimleri düşüyordu. İki savaş arasında evlerde elektrik kullanımı çok yaygın hale gelince bazı raylı sistemler kendi üretimleri yanı sıra ulusal şebekeden de enerji almaya başladılar. Çoğunlukla yeraltında tren çalıştıran işletmeler için elektrik kesilmesi çekiş ve aydınlatma açısından tehlikeli durumlar oluşturabileceğinden, bu işletmeler kendi elektriklerini üretmeye devam ettiler.

Günümüzde dünyadaki ülkelerin çoğunda yüzeydeki raylı sistemler için ulusal elektrik şebekesi kullanılır. Yeraltındaki metro sistemleri ise genellikle ulusal şebekede bir sorun çıktığında enerji alabilecekleri başka kaynaklara, bazen kendi santrallerine, sahiptirler.

2

9.3 Demiryolu Elektrifikasyon Sistemleri Ana hat demiryollarında en yaygın olan elektriklendirme sistemi 25 kV AC tek fazlı şebeke frekanslı (50 Hz) veya 750 V DC sistemdir. Metro ve hafif raylı sistemlerde de bu sistemler kullanılır ama çoğu zaman, özellikle kara araçları ile yollar paylaşıldığında, daha düşük gerilimlerle çalışılır. Bu iki sistem dışında pek yaygın olmayan başka sistemler de vardır: Orta Avrupa’da 15 kV AC 16,6 Hz frekanslı tek fazlı sistem, Afrika’da 50 kV ve bazı DC sistemler 3000 V.

İlk bakışta 25 kV AC ve 750 V DC sistemler tamamen farklı gibi görünebilir ama bunların pek çok ortak yönü vardır. Bunun nedeni yakın zamanlara kadar elektrikli trenlerin genelde 750 V DC motorlarla çalışmasıdır. Tren setine temin edilen elektriğin uygun şekilde dönüştürülüp motora uygulanması, motorun hız ve gücünün kontrol edilebilmesi ve böylece trenin hız ve performansının kontrol edilebilmesi gereklidir.

DC sistemlerde, elektrik enerjisi 33 kV veya 11 kV olarak ulusal şebekeden veya yerel santralden alınarak yol boyunca yerleştirilmiş indirici trafo merkezlerinde daha küçük bir gerilime düşürülür. Bu indirici merkezleri genellikle 3 – 7 km aralıklarla yol boyunca kurulur. İndirici merkezinde uygun bir değere düşürülen gerilim doğrultularak iletken raylara (veya katener hattına) verilir.

AC sistemlerde ise elektrik enerjisi ulusal şebekeden 132 kV veya daha yüksek bir hattan alınarak indirici trafo/besleme merkezlerine iletilir. Bu merkezlerden de 25 kV anma değeri ile enerji hatta verilir. Besleme merkezlerinin arası 50 km civarında olabilir. Besleme noktasının iki tarafına havai katener hatlarıyla dağıtılan enerji, tren üzerinde bulunan kayar bir iletken (pantograf) aracılığı ile alınarak kullanılır. Bu enerji tren içinde bulunan trafolarla uygun bir gerilime indirilip doğrultularak DC çekiş (cer) motorlarına uygulanır.

AC ve DC elektriklendirme arasındaki temel fark, DC sistemde şebekeden alınan elektrik yol boyunca konumlandırılmış indirici merkezlerince indirilip doğrultularak hatta verilirken, AC sistemde indirici ve doğrultucular tren üzerinde bulunur. Yüksek kapasiteli, yüksek yoğunluklu alçak hızlı sistemlerde trenler sadece dakika aralıklarla çalışıyorlarsa, DC sistem AC sistemden daha ekonomik olur. Buna karşılık, yüksek hızlı, yüksek güçlü şehirlerarası çalışan ve sıklıkları daha az olan trenler için AC sistem daha ekonomiktir.

9.4 AC Enerji Sağlanması AC elektrik enerjisi ile beslenen raylı sistemlerde 40–60 km aralıklarla besleme noktaları bulunur. Bu mesafeler normal ve acil çalışma şartlarında hat boyunca gerilim düşümünün kabul edilebilir bir düzeyde olmasını sağlar.

Her ne kadar asıl olarak elektrik enerjisini besleme noktalarına 33kV ve 400 kV arasında bir gerilimle sağlamak mümkün ise de, sistemde oluşacak geçici olayların katener hattına yansımasını önlemek amacıyla enerji sağlama noktalarına gelen enerjinin 132 kV veya daha yüksek bir gerilimle gelmesi gerekir. Maliyetler ve temin kolaylığı açısından 132 kV uygun bir gerilimdir. Katener hattına verilen gerilim tek fazlıdır ve indirici trafo girişi yüksek gerilimli 3 fazlı hattın iki fazı arasına bağlanmıştır. Böyle bir bağlantı dengesiz yüklemeyi azaltacaktır. Mümkün olduğunda hat boyunca besleme noktalarında indiriciye bağlanan hatlar dönüşümlü bağlanmalıdır. Bunu yaparak, bir trafonun servis dışı olması durumunda o hat kesiminin iki tarafındaki hatların aynı faz çiftine bağlanmış olması önlenir.

3

9.5 AC Sistem Besleme Noktaları Normal şartlar altında her bir besleme noktası, iki besleme noktasın ortasına yerleştirilecek orta nokta kabinlerine kadar hattın iki tarafını da besler. (Şekil 9.1)

Orta nokta kabinlerinde bara kısım devre kesicileri bulunur. Bu kabinler aynı zamanda hatları ayırma ve paralelleme işlevi de görür. Havai katener hattının başka kesimlere ayrılması veya parallellenmesi ara kabinlerde gerçekleşir.

Tüm British Rail 25 kV kesici sistemi elektrik kontrol operatörü denetimindedir. Uzaktan algılama, denetim ve kontrol sistemiyle bu operatör tüm kesicilere kumanda edebilir. 24 saat görevlilerin bulunduğu bir kontrol odasında şebekenin tüm durumu bir taklit çizim üzerinden izlenebilir.

Şekil 9.1 Tipik bir 25 kV besleme düzenlemesi şeması.

9.6 AC Havai Katener Hattı Bileşenleri Elektrik gücü 25 kV anma gerilimi olan bir havi katener hattı ile hareketli olan trene aktarılır. Bu sistemde yatay olarak tutulan, çekme sert bakırdan yapılmış bir seyir teli bulunur. Bu tel daha ince tel sarkıtlarla (pandül) üstünde bulunan katener hattına tutturulur. Katener hattı da aralarındaki mesafenin en fazla 73 m olduğu direklerde çubuklar üzerine veya çerçevelere tutturulur. Trenin tele temas eden pantograf adlı parçasının üzerinde tek noktada aşınma olmaması için katener hattı seyir teli bulunduğu düzlemde hafifçe zikzak yapacak şekilde konumlandırılır (dezeksman). Düz yolda zikzak için yolun merkezinden sapma 230 mm yapılır.

Kontak telinin ray seviyesinden yüksekliği 4.14 m ile 5.94 m arasında yapılarak köprü altlarındaki en az yükseklik ve hemzemin geçişlerindeki en az yükseklik şartları sağlanır.

4

Resim 9.2 Modern 25 kV havai katener hattı bileşenleri

9.7 AC Sistemlerin Topraklanması Katener hattından alınan akımın dönüş yolunda trenin gittiği raylar vardır. Raylar birbirine bağlı, ara ara da elektrik direklerine bağlantılıdır. Böylece yol boyunca dağıtılmış bir toprak bağlantısı sağlanır. Dağıtılmış topraklama sayesinde ray üzerindeki gerilim toprak gerilimine yakın tutulur. Böylece raylar üzerinde çalışan personelin elektrik çarpma riski sınırlandırılmış olur.

Aynı nedenle insanların dokundukları ve yüksek gerilim hattına temas etme ihtimali olan metal aksam da raylara bağlanarak topraklanır. Çıplak metal aksam bir izolatörün iletken hale geçmesiyle veya kopmuş bir enerji hattına kazara değmesiyle yüksek gerilim ihtiva edebilir. Topraklama sistemi belirli bir akım düzeyinde kaçak olduğunda ilgili kesiciye komuta ederek arızalı kısımda enerjinin kesilmesini sağlar.

9.8 Elektrik Etkileşimi /Girişim Tek fazlı AC raylı sistemlerde hareket için tren setine verilen akım ve raylardan dönen akım büyükçe bir akım halkası oluşturarak etrafta bulunan elektrikli aygıtlarda elektromanyetik etkileşim oluşturabilir. Bu konuda en büyük sorun haberleşme devrelerinde, özellikle tren yoluna paralel olan devrelerde yaşanır. Elektronik aygıtlar ve haberleşme sistemleri yaygınlaştıkça elektrikli tren hatlarının oluşturduğu bu sorunun önemi artmaktadır. Demiryolları bu şekildeki etkileşimi azaltmak amacıyla 1:1 akım oranlı trafolar kullanmaktadırlar. Bu trafolar 3,2 km aralıklarla yerleştirilirler. Bu trafoların primer sargıları katener sistemiyle seri bağlı, sekonder sargıları ise dönüş iletkeniyle seri bağlıdır. Trafo etkisi dönüş iletkenindeki akımın katener akımıyla aynı fakat ters yönde olmasını sağlar. Dönüş iletkeni bu akım trafolarının konumlarının ortasında raylara bağlanır. Bunun sonucu akım

5

raylardan emilerek dönüş iletkenine verilir. Dönüş iletkeni katener iletkenine yakın bir konuma yükseltilerek, birinin oluşturduğu manyetik alan diğeri tarafından oluşturulan manyetik alan tarafından etkisiz hale getirilir. Böylece raylı sistemler tarafından oluşturulan harici manyetik alan azaltılır.

9.9 DC Alçak Gerilim Sistemleri Birleşik Krallık’ta eski Southern Region of British Rail (BR) (şimdiki adı Network Rail) ve Londra Metrosu’nun tamamında alçak gerilim DC elektrifikasyon kullanılır. Londra’da Docklands (DLR) hafif raylı sisteminde de çekiş için DC besleme kullanılır.

Hem BR hem de DLR yol seviyesinde, normal rayların dışına konumlandırılmış tek pozitif iletken ray kullanır. Normal raylar da negatif dönüş iletkenidirler. Londra metrosu ise yolun bir kenarına konumlandırılmış bir pozitif ray, iki normal ray arasına konumlandırılmış bir negatif iletken ray kullanır.

Bu sistemler için kullanılan iletken raylar, izolatörler ve bağlantı sistemleri Bölüm 5’te Yol konusunda açıklanmıştır.

9.10 DC sistemler için AC Enerji Dağıtımı DC elektriklendirme sistemi iki tür enerji dağıtımı gerektirir. Üç-fazlı bir AC dağıtım sistemiyle ulusal şebekeden veya raylı sistemin kendi enerji santralinden alınan enerji yol boyunca konumlandırılan indirici trafolu ve doğrultuculu besleme noktalarına dağıtılır. Besleme noktalarından alınan DC gerilim de yol boyunca akım raylarına verilir (Şekil 9.3).

Şekil 9.3 DC elektriklendirme sisteminde AC ve DC enerji dağıtımı.

6

AC dağıtım sistemi yüksek gerilimli enerjiyi hat kenarından giden bir enerji hattıyla indirici trafolara dağıtır. Bu trafo merkezlerine giren ve çıkan yüksek gerilim hatları ile doğrultuculara giden hatlar üzerinde devre kesiciler vardır.

Normal şartlar altında, AC dağıtım hattında ulusal şebekeye yapılan bağlantı noktalarının arasında normalde açık konumlu bir devre kesici vardır. Her bir indirici merkezi ulusal şebeke bağlantısına en yakın olan hattan enerji alır. Bir arıza durumunda indirici trafolar diğer besleme noktasına bağlanabilirler.

Yola kesintisiz enerji verebilmek için, AC dağıtım sisteminin indirici ve doğrultucu merkezin tüm ihtiyacını karşılayabilecek şekilde iki yandaki besleme noktalarına bağlanmasına imkan verecek şekilde tasarlanması gerekir. Enerji dağıtımında kullanılacak gerilim, besleme noktalarının aralarındaki uzaklığa ve iletilecek toplam güce göre belirlenir.

Daha yüksek gerilim değerlerinin kullanılması sistemden çekilecek akımın daha az olmasını sağlayacağından dağıtım sistemindeki kayıpların azaltacak ve besleme noktaları arasında daha uzun mesafeler olmasına imkân verecektir. Buna karşılık, daha küçük yüksek gerilimler kullanılacak donanım maliyetini azaltacaktır ama ortaya çıkan gerilim düşümünü telafi etmek için başka donanım gerektirecek veya daha sık besleme noktaları gerektirecektir.

9.11 DC Enerji Dağıtımı Şekil 9.3 DC çekiş için elektriklendirme sağlayan bir raylı sistemde AC ve DC enerji dağıtım sistemlerini göstermektedir.

İndirici ve doğrultu merkezlerle iletken raylar arasındaki DC enerji dağıtım sistemi şu özellikleri sağlamalıdır:

• Herhangi bir konumda kalış ve hızlanma için gerekli yüksek akımı verebilmelidir. • Tren çalışma saatlerinde gecikmeye neden olmayacak şekilde her bir trene yeterince

ortalama gerilim sağlamalıdır. • Ekipman bakımı için elektrik enerjisini kesebilmeli ama trenlerin tarifelerinin

aksatmadan çalışmalarına izin vermeli • Enerji dağıtım ekipmanında arıza olsa bile tren servislerinin devamına imkan

vermelidir.

Gerekli güvenliği ve tren gerilimlerini sağlamak amacıyla, tüm DC yol kesimleri genelde en yakın indirici merkezlerinden iki taraflı beslenirler. Tüm DC devre kesicileri normalde kapalı durumda tutulur. İletken rayın elektrik direncinden dolayı, indirici ve doğrultucu trafo merkezleri arasındaki mesafe trendeki gerilimi belirleyecektir.

En ekonomik DC enerji dağıtım sistemi, indirici ve doğrultucu trafolar arasında en uzun mesafe olduğu halde tren için gerekli gerilim sağlayabilen sistemdir. Tipik olarak indirici/doğrultucu merkezler arası mesafe, yoğun trafikte en fazla yüklemeye bağlı olarak, 4 km’den az olmaz, 7 km’den de çok olmaz.

9.12 Elektriklendirmenin Etkileri Dünya üzerindeki pek çok raylı sistem, son 20–30 yılda mevcut hatlarını elektrikli hale getirmeye başlamıştır. Önümüzdeki yıllarda da bu eğilimin devam etmesi beklenmektedir.

Elektriklendirmenin diğer mühendislik alanlarına ve raylı sistem işletmesine etkisi konusundaki deneyimler, bazı hususların çok önemli olduğunu ve böyle bir temel değişiklik öncesinde göz ardı edilmemesi gerektiğini vurgulamaktadır.

7

Dönüşümle ilgili ciddi etkiler AC havai hat elektriklendirmeyle ilgilidir ve bu sistem, mevcut başka bir alternatif kurulu değilse, tercih edilmektedir.

Mevcut bir hattı elektriklendirmeyi düşünen raylı sistem yönetimi aşağıdaki hususları dikkate almalıdır:

• Demiryolu üstündeki köprü ve geçitlerde havai katener hattına yeterince yükseklik sağlanabilmesi için yapısal değişiklik gerekebilir.

• Ayaklı yaya üst geçitlerinde başka koruyu duvarların yüksekliklerinde artış gerekebilir.

• Özellikle iletken raylar kullanılıyorsa, yol kenarına yapılacak çitlerin ve yaya geçişine engel olacak yapıların standartları yükselecektir.

• Yol kenarında çalışması gerekecek vinç veya başka hareketli ekipmanın oluşturacağı tehlikeler için alınacak önlemler artacaktır.

• Yolda veya raylar üzerinde çalışan personel için koruma ve güvenlik tedbirleri artacaktır.

• Yol devreleri, sinyalizasyon, telefon, bilgisayar, kapalı devre televizyon gibi diğer donanım üzerine elektrik girişim oluşabilecektir.

9.13 Denetim ve Bakım Raylı sistemin sağladığı servisin aksamadan devam edebilmesi için, tüm altyapı ve üst yapı gibi, raylı sistemlerin elektriklendirilmesi ile ilgili tüm donanım düzenli olarak denetlenmeli ve bakımları yapılmalıdır.

Her bir raylı sistem kuruluşu, ister kapalı ortamda ister açık havada olsun, yolun üstünde, yanında veya havada olsun, tüm elektriklendirme aksamını denetleyip bakımı yapmak için bir organizasyon kurmak zorundadır. Standart elektrik aksamı ilgili yasa veya yönetmeliklere göre bu alanda yetkin ve deneyimli personel tarafından denetlenmelidir. Elektrik mühendisliği alanı dışında olan donanım ve aksam da ilgili uzmanlarca denetlenmeli ve bakımları yapılmalıdır.

Bu sınıfa giren bileşenler arasında aşağıdakiler de vardır:

• Havai yapılar ve katener tutucuları. • Direk ve portal yapılarının temelleri. • Kablo kanalları ve destek yapıları. • Kablo kılıfları, geçiş yerleri ve alt geçitler. • İletken ray ve yük taşıyan raylara yapılan bağlantılar.

Elektriklendirmenin raylı sistemde tüm işletme personeline ve görevleri gereği raylara yakın olmak durumunda olanlara yeni bir boyut getirdiğinin farkında olmalıyız. Tüm çalışanlar görevleri sırasında, bir kaza sırasında veya başka bir olay sırasında karşılaşmaları muhtemel güvenlikle ilgili tüm önlemler hakkında eğitilmeli ve bilgilendirilmelidir. Sinyal lambalarının camlarını silmek, ağaçları budamak veya istasyon gölgeliğini boyamak gibi basit işler yüksek gerilim taşıyan elektriklendirme aksamının varlığıyla yeni riskler ortaya koyabilmektedir.