Under tisdagsmorgonen den 18 november stannade alla tåg mellan Stockholm och Gävle. Var det en olycka som bara väntade på att inträffa, eller var det ett rent apparatfel?
Man skulle kunna tro att alla förseningar beror på att Banverkets strömförsörjning är underdimensionerad, arbetar på gränsen till sin förmåga och kan bli överbelastad vid högtrafik om allt för många tåg accelererar samtidigt. Men så är det inte. Vi har gått på djupet och skaffat svart på vitt om den verkliga orsaken till tågstoppet.
Tisdagen 18 november
Under natten till den 18 november gick en komponent i styrningen av de statiska omriktarna sönder i omformarstationen i Älvsjö vilket gjorde att två av de fem statiska omformarna bara kunde leverera begränsad effekt till järnvägen (se mera tekniska fakta om detta längre ner). Effektbortfallet var cirka 25 MVA, ungefär 20% av kapaciteten i östra Svealand. Bortfallet spelade ingen roll, för under natten är effektuttaget ändå lågt (se diagram nedan). I morgonrusningen steg effektuttaget och matarledningen (132 kV) från Ockelbo ned mot Häggvik överlastades till följd av detta och löste för överlast. Häggviks omformarstation löste i sin tur för överlast som följd av detta, eftersom den fick dra halva stockholmstrafiken utan hjälp från matarledningen. Kvar blev bara Älvsjö som redan var försvagad. När den stationen också löste ut var katastrofen ett faktum.
Det är lätt att vara efterklok och fundera på serviceintervaller på utrustningen, men för att inte händelsen ska upprepas har Banverket infört nya driftinstruktioner som innebär att alla omformare och omriktare i stockholmsområdet startas upp i rusningstrafik oberoende om belastningen kräver detta eller inte. På längre sikt bygger man ut kapaciteten genom att modernisera och bygga till kraftmatningsanläggningarna i Älvsjö och Häggvik. Utbyggnaden är planerad sedan tidigare. För att minska sårbarheten vid ett fel på matarledningen mellan Ockelbo och Stockholm och för att förbättra spänningshållningen i kontaktledningssystemet runt Uppsala har även ett behov av att utreda möjligheterna att bygga en ny omformarstation i Uppsala tagits upp.
Det är inte så enkelt att man bara kan transformera om Vattenfalls högspänning till Banverkets 15 kilovolt, utan frekvensen måste också omformas från 50 hertz till 16 2/3 hertz som passar loken. Detta kräver resurser i omformarstationer.
Felaktig information i media
Men att som Radio Stockholm påstå att de nya X60-tågen drar mera ström för samma tjänst än de äldre X1 och X10 och därmed antyda att verkningsgraden är lägre, är fel. Ny IGBT-styrning och återmatning av effekt till elsystemet gör de nya tågen effektivare, men den blotta mängden är nog för att sänka systemet. Även SvD skjuter bredvid målet när de skriver att ”De nya tågen som drar mycket mer el än de gamla”. Strömförbrukningen kan ses som ett brus av strömtoppar på elnätet. När allt för många av dessa toppar inträffar samtidigt och en del av kapaciteten är utslagen av rena apparatfel räcker kapaciteten inte till.
Samtidigt måste man fråga sig hur mycket redundant omformarkapacitet Banverket har råd med. Vi rör oss i räjongerna hundratals megavoltampere. Det är inte gratis att ha och stå och bara vänta, i en pressad ekonomi.
16 hertz åt folket
Det kan passa sig med en liten beskrivning av Banverkets elnät. Den svenska järnvägen drivs med 15 kilovolt växelspänning med en frekvens på 16 2/3 hertz, precis en tredjedel av den vanliga hushållsströmmens 50 hertz (vi skriver i fortsättningen bara ”16 Hz”). Att det blev så har historiska skäl, men resultatet är att man inte bara kan transformera ned Vattenfalls högspänning och mata järnvägen med. Järnvägen är dessutom enfas, medan kraftnätet är trefas. Detta får vissa konsekvenser.
Järnvägen strömförsörjs huvudsakligen genom att man transformerar ned kraftnätets olika spänningar (20 - 220 kV trefas) till 20 eller 6,3 kV trefas och riktar om nätfrekvensen till 16 Hz i omformare varefter den kan läggas ut på luftledningen.
En riktig bamse, den roterande omformaren på 10 MVA. Den står på spår, naturligtvis, för den ska vara lätt att flytta om den till exempel ska på reparation.
Den äldre typen av omformare är ganska rakt på sak: en trefasmotor kopplad till en enfasgenerator som matar ut 15 kV direkt. Moderna omformare, sk statiska omformare eller frekvensomriktare, är utförda med krafthalvledare, tyristorer, som hackar om den högre nätfrekvensen till en lägre, 16 Hz enfas.
Den statiska omformaren består av ett antal parallellkopplade tyristoromriktare uppbyggda i rackar.
Omformarstationerna är uppbyggda med flera parallella omformare/omriktare med viss redundans (reserv). Skulle en av dem gå sönder spelar det inte så stor roll, men om flera av dem löser ut kan den totala kapaciteten bli för liten och alla stängs av.
132 kV. Banverkets typiska enfas-tvåledare bredvid Vattenfalls trefas 220 kV.
För redundans har Banverket sitt eget högspänningsnät (matarledning) på 132 kV 16 Hz som direkt kan transformeras ned till 16 kV. Strömmen kommer från omformarstationerna vars utspänning transformeras upp och följer Norra Stambanan ned längs kusten och strömförsörjer denna och Mellansverige på lämpliga ställen. Det rör sig alltså om omformad ström från svenska kraftnätet som inte förbrukas lokalt och därför kan skickas vidare till andra delar av landet.
När du ser underliga kraftledningar med två eller fyra ledare istället för de gängse tre eller sex, är det Banverkets matarledning du har hittat.
Banverkets karta över strömförsörjningen av järnvägen (röd) i Mellansverige. Banverkets matarledning (prickad grön) kommer ned från Norrland, förgrenar sig i Ockelbo och sprids över Mälardalen. En mycket stor transformatorstation finns i Ockelbo, tillsammans med en statisk omformare (blå fyrkant) på 50 MVA. Denna matar banan från Ockelbo och ned till Häggvik. I Häggvik finns fem roterande omformare (blå ring) på tillsammans 50 MVA som strömförsörjer halva stockholmsområdet. Andra änden av Stockholm försörjs av omformarstationen i Älvsjö, med fyra aggregat på totalt 60 MVA.
Tågtrafiken i Stockholmsområdet kraftförsörjs i huvudsak från tre inmatningar, Älvsjö omformarstation, Häggvik omformarstation samt 132 kV matarledningen från Ockelbo ner till Häggvik. I Älvsjö omformarstation finns ca 60 MVA installerad effekt (4 statiska omriktare om 15 MVA vardera) och en utbyggnad med ytterligare 30 MVA (2 omriktare om 15 MVA vardera) pågår. Utbyggnaden i Älvsjö beräknas vara klar i början av 2009. Under hösten har provdrift av de två nya omriktarna i Älvsjö genomförts och redan idag är det möjligt att under perioder köra fem eller sex omriktare i Älvsjö.
I Häggvik finns fem roterande omformare installerade om totalt 50 MVA (5*10 MVA märkeffekt). De roterande omformarna är överlastbara kortvarigt (6 min) till ca 14 MVA vardera. För kortvariga effekttoppar är det alltså möjligt att ta ut totalt ca 70 MVA (5*14 MVA).
132 kV Matarledningen från Ockelbo söder ut till Häggvik klarar att överföra ca 50 MVA med nuvarande reläskyddsinställningar. Större delen av effekten förbrukas emellertid på sträckan från Ockelbo ner till Häggvik. Endast 30 % av tiden under ett dygn tar Häggvik emot effekt från 132 kV matarledningen.
Sammanfattningsvis är den totala effektkapaciteten i Stockholmsområdet för kortvariga effekttoppar (<6 min) ca 130 MVA (60+70 MVA) om de två nya omriktarna i Älvsjö exkluderas och 160 MVA (90+70 MVA) om de två nya omriktarna i Älvsjö inkluderas. I detta fall inkluderas inte den effekt som matas in på matarledningen i Ockelbo och som förbrukas på sträckan ner till Häggvik. Mätningar har visat att ca 30-35 MVA utav denna effekt förbrukas från Uppsala och ner till Häggvik.
Utöver Häggvik och Älvsjö så bidrar även omformarstationen i Järna, närmast söder om Älvsjö, liksom omformarstationen i Västerås, närmast väster ut till en mindre del.
Tre dagars effektuttag från stationerna Älvsjö och Häggvik i slutet av november 2008. Topparna på kurvan inträffar när ett eller flera tåg accelererar. Y-axeln är graderad i MVA och slår man ihop de högsta topparna hamnar man på 55 + 65 = 120 MVA. Medeleffekten totalt verkar ligga kring 60 MVA sådär mellan tummen och pekfingret, alltså långt under den teoretiska maxgränsen. Under kväll och natt händer inte mycket. Det är bara fjärrtågen som drar 30 MVA medeleffekt, men i morgonrusningen, vid halvsex-snåret brakar kurvan iväg uppåt. Kurvorna är mycket typiska. Någon tydlig ökning av effektförbrukningen har man inte kunnat konstatera sedan införande av de nya Upptågen 2006. Upptågen går mellan Upplands Väsby och Gävle och försörjs också av Ockelbo och Häggvik.
Utbyggnad pågår
Under den senaste 10 åren har effektkapaciteten (märkeffekt) varit 60 MVA i Älvsjö och 50 MVA i Häggvik. Inkluderas överbelastbarheten i Häggvik har den totala effektkapaciteten i Häggvik varit 70 MVA enligt beskrivningen ovan.
Effektprognos. Denna kurva visar teoretiska beräknade effektbehov med de nya fordonen X60 där återmatad bromseffekt och högre effektfaktor skulle kunna innebära ett lägre totalt effektuttag. I verkligheten visar mätningar att belastningen under införandet av X60 har varit i princip oförändrad.
När det gäller framtiden, förstärks som tidigare nämnts Älvsjö med ytterligare 30 MVA i början av nästa år (2009), dvs totalt 90 MVA. Dessutom pågår sedan ett par års tid en planerad utbyggnad av Häggviks omformarstation som beräknas vara klar under 2011. I Häggvik ersätts två roterande omformare med fyra nya statiska omriktare. Den totala märkeffekten höjs från 50 till 90 MVA i Häggvik och effektkapaciteten för kortvariga effekttoppar höjs från 70 till 102 MVA.
I en kraftförsörjningsutredning (Kraftförsörjningsutredning för norra Stockholm, fortsättning av etapp 2) som slutfördes av Banverket under 2006 konstateras att stockholmsområdet inom en tioårsperiod behöver en ny tredje omformarstation för att klara den trafikökning som prognostiseras i och med Citybanans tillkomst. Enligt utredningen så klaras effektbehovet i stockholmsområdet fram mot 2030 med tre omformarstationer om vardera 90 MVA. En tredje omformarstation föreslås ligga väster om Stockholm längs Mälarbanan för att möta kapacitetsökningen som följer med fyrspårsutbyggnaden mellan Stockholm och Kallhäll. För att förbättra redundansen i händelse av störningar förslås även en utbyggnad av 132 kV systemet västerut.
Nya tåg ger högre verkningsgrad
X60-tågen kommer att ta över all pendeltrafik i stockholmsområdet. De är effektivare än de gamla X10 och levererar mera persontransport med lägre effektförbrukning.
För pendeltågtrafiken i Stockholm pågår sedan några år ett utbytesprogram där äldre X1- och X10-tåg (de gamla ”fyrkantiga” pendeltågen) ersätts med nya X60. Vid trafikering ersätts normalt två X1/X10 med ett X60-tåg, vilket ger ungefär lika många sittplatser. Ett tågsätt består vanligen av fyra X1/X10 eller två X60.
Jämförs effektförbrukningen för dessa tågtyper, är det maximala elektriska effektuttaget (skenbar effekt) för ett X60-tåg 5,46 MVA vilket ska jämföras med 6,56 MVA för två X10-tåg. Detta är den maximala elektriska effekten och vid normal trafikering så drar alltså ett tågsätt med fyra X10 mer ström än ett tågsätt med två X60. Eftersom X60 har en effektfaktor som är 1,0 att jämföra med 0,8 för X10 så kan man ändå ta ut en högre mekanisk effekt (kraft på hjulen) med X60 i förhållande till X10 vid samma elektriska förbrukning.
För att få en fullt rättvis jämförelse måste man även titta på dragkraftkurvan. Där framgår att X60 kan ta ut maximal effekt redan vid 45 km/t, att jämföra med X10 vid 70 km/t. Det är således möjligt att ta ut maximal effekt under en längre tid med X60 i jämförelse med X10 vilket skulle kunna påverka det totala effektuttaget i omformarstationerna. X60 har till skillnad från X1 och X10 dessutom möjlighet att återmata ström i samband med bromsning. Rent teoretiskt så skulle detta innebära att den totala belastningen på matande omformarstationer skulle minska vid trafikering med X60, vilket även kurvan i prognosen (ovan) förutsätter.
Att förklara en bana överbelastad
Varje dygn passerar 600 tåg den smala så kallade getingmidjan söder om Stockholms central. Där har tågen bara två spår att samsas på, precis som på 1870-talet, fast då passerade endast tio tåg om dagen. Det innebär att minsta störning ger följdeffekter som i sin tur leder till stora problem för fjärrtåg, regionaltåg och lokaltåg. En försening på tio minuter för ett regionaltåg i Arboga kan sluta med en timmes försening i Stockholms lokaltrafik.
Tågresenärer, trafikutövare och kommuner längs järnvägen i Mälardalen har framfört önskemål om fler tåg till och från Stockholm under rusningstid. Idag är detta omöjligt eftersom kapaciteten på spåren utnyttjas maximalt den tiden. Spårbristen är därmed ett hinder för en fortsatt utveckling av tågtrafiken. Vi fortsätter att citera Banverkets webbsida: ”Banverket kan förklara en viss bana överbelastad. Det kan vi göra när det finns risk för att det blir för många tåg på spåret. En annan orsak är när flera järnvägsföretag har ansökt om samma tågläge. Banan förklarades överbelastad för Stockholm våren 2007. Det var första gången som Banverket gjorde en överbelastningsförklaring. Här bedömde vi att det helt enkelt inte fanns plats för fler tåg. Banan var redan maximalt belastad genom centrala Stockholm.”
Detta togs givetvis inte alls som ett varningstecken av ansvariga kommunikationspolitiker.
50 hertz inget alternativ – ännu
Vore det inte bättre om Sveriges järnvägar på något sätt kunde övergå till 50 Hz, så man slapp omformarna? Då skulle den här typen av situationer inte kunna uppstå, eller åtminstone inte lika lätt? Hur svårt skulle det vara att byta frekvens idag och "komma ikapp" kontinenten där 25 kV 50 Hz har börjat bli gängse?
Det finns både fördelar och nackdelar med 50 Hz nät för tågtrafiken, men i Sverige har vi väldigt få fordon som kan köra på både 16 och 50 Hz. Det är ca 60 st tvåkraftsystemslok, huvudsakligen Öresundstågen som ska kunna köra över till Danmark på Öresundsbron, och ca 1000 fordon som bara kan köra på 16 Hz system.
Det kan alltså bli betydande kostnader i rullande materiel att försöka byta till modernare elsystem. Där fick vi för att vi var bland de första i världen med elektrifierade järnvägar.
Banverket inga bakåtsträvare
Att bara peka ut Banverket som en motvalls käring i samfärdseln i Stockholmsområdet är orättvist. När de vill bygga en tunnel med Citybana under Stockholm för pendeltrafiken är det ingen hejd på kritiska röster som inte vill att just deras stadsdel eller torg ska få en station på den nya banan.
Att bilköerna i och kring Stockholm är enorma varje morgon har varit känt decennievis men när man vill bygga en förbifart kring Stockholm uppstår en storm av kritiska röster. Underlaget är bara precis klart, så kan något nytt parti hitta på argument för att återremittera det och så får politikerna babbla lite till. Bara man slipper åstadkomma något.
Tunnelbanetågen är redan fulla upp över kanten varenda morgon och när SL vill göra något åt saken genom att införa flera ståplatser kontrar pressen med skräckhistorier. Det enda raka är naturligtvis förarlösa tåg, tätare turer och automatiska glasväggar på perrongerna (det skulle ha kommit tidigare, med tanke på hur många människor som ändå är ute olovandes och springer i tunnlarna.) Finns det signalsystem för det? Jo, på röda linjen är det tydligen förberett. Men problemet har varit känt länge och förmodligen prognostiserat sedan lång tid tillbaka utan att något gjorts.
Icke-teknikerna håller emot all utveckling, och ändå måste vi till jobbet allihop, varje morgon. Fast vi kanske skulle kunna flytta till skogen och äta bär och rötter allihop?
Gynna Banverket!
Snabbfakta om effekten i Stockholm
Toppeffekt i matarledning från Ockelbo: 50 MVA
Toppeffekt Häggvik: 50 MVA (90 MVA 2011)
Toppeffekt Älvsjö: 60 MVA (90 MVA 2009)
Kapacitet kortvarigt: 130 MVA (160 MVA 2009)
Tillfällig toppförbrukning i morgonrusningen: 120 MVA
Två X10-tåg drar maximalt: 6,56 MVA
Ett X60 tåg (ersätter två X10) drar maximalt: 5,46 MVA
