Raylı sistemlerde pantograf-katener sistemlerinin dinamik ark model simulasyonları

Abstract

Dünya'da ilk demiryolu taşımacılığı 1825 yılında gerçekleştirilir ve bir dönüm noktası olur. Demiryollarının gelişmesi, Sanayi Devrimi'nin bu gezegende yaşayan hemen herkesin yaşantısını etkilemesini sağlayan engin bir üretim endüstrisi yaratır. Bu küresel anlamdaki etki endüstrinin ve teknolojinin gelişme hızını katlar. İnsanlığın kaderini etkileyen tarihteki en önemli olaydan birisidir. Aradan geçen tam 200 yıllık süre zarfında önemini ve değerini hiç kaybetmeyerek günümüzde çok önemli bir sektör haline gelmiştir. Hızlı, güvenilir, konforlu ve çevre dostu raylı sistem taşımacılığı hiç kuşkusuz en önemli ulaşım araçlarındandır. Bu sebeple raylı sistem alanında yapılan çalışmalarda her geçen gün artmaktadır. Günümüzde kullanılan demiryolu araçlarının büyük bir çoğunluğunu elektrikli trenler oluşturmaktadır. Trenler ihtiyaç duydukları elektrik enerjisini dışarıdan sağladıkları için ve raylar üzerinde dinamik olarak hareket halinde oldukları için elektrik enerjisinin trene sorunsuz bir şekilde aktarılması gerekmektedir. Trenlerin ihtiyaç duyduğu bu elektrik enerjisi pantograf-katener sistemi aracılığıyla sağlanır. Demiryolu hattı boyunca kurulan katener sistemi, fiziksel olarak sabit ve elektrik enerjisini sürekli olarak trenlere iletmeye hazır bir sistemdir. Trenlerin üzerinde bulunan pantograf sistemi ise tren ile birlikte dinamik hareketli ve katenerden aldığı elektrik enerjisini trene iletilmesini sağlayan sistemdir. Enerjinin kalitesi ve sürekliliği açısından pantograf-katener sistemleri çok önemlidir. Pantograf-katener sistemlerinde arklanma olayı ise en sık karşılaşılan arıza çeşididir. Bu tez çalışmasında pantograf-katener sistemlerinde dinamik ark simulasyonları yapılmıştır. Pantograf-katener sistemleri arasında çeşitli sebeplerden dolayı elektriksel ark olayı meydana gelir. Pantograf-katener sistemlerinde elektrik arkının özelliklerini incelemek için arkın matematiksel modelinin oluşturulması gerekmektedir. Bu sebeple dinamik ark modellerinin matematiksel formülleri tartışılmıştır. Literatürde yer bulan on iki farklı dinamik ark modelinin detaylı incelemesi yapılmıştır. Her bir model ayrı ayrı araştırılmış ve elde edilen sonuçlar ortaya konulmuştur. Pantograf arkını anlamak için öncelikle elektriksel ark olayının tartışılması gerekir. Pantograf-katener elektriksel arkı fizik, kimya, mekanik ve malzeme gibi birçok konuyla ilişkilidir ancak elektriksel kısmı çalışmanın odak noktasıdır. Ark özellikleri, oluşum nedenleri, pantograf ve katener sistemlerinde arkın oluşmasının nedenleri ve arkın söndürülmesi üzerine araştırma yapılmıştır. Oluşan pantograf arkının gerilim ve akım sinyalleri üzerindeki etkilerini gerçek bir sistemde görebilmek için demo olarak seçilen demiryolu hattının bir bölgesinde elektriksel ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçüm sonuçları analiz edilmiş ve ark olayının gerçekleştiği durumlara ait grafikler bu çalışmada paylaşılmıştır. Burada amaç bilgisayar ortamında yapılan simulasyonlar ile gerçekte meydana gelen olayların karşılaştırılarak ortak olguların kanıtlanması ve çalışmanın doğruluğunun ispatlanmasıdır. Dinamik ark modellerinin transfer fonksiyonu içeren matematiksel formülleri verilmiştir. Bu çalışmanın ana konusu olan simulasyon için ise bu formüllerin bir bilgisayar programına aktarılması gerekir. Burada simulasyon çalışmaları MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Ark tespiti için en sık kullanılan yedi farklı ark modeline ait bloklar oluşturulmuştur. Bu blokların parametreleri ve nasıl oluşturulacağı anlatılmıştır. Çalışmanın uygulama kısmında ark modellerinin uygulanacağı devre modellenmiştir. Devre modeli tasarlanırken gerçeğe en yakın simulasyonu elde etmek amacıyla modelde cer transformatör eşdeğer devresi, katener hattı eşdeğer devresi ve tren eşdeğer devresi dikkate alınarak tasarlanmıştır. Ark modeli bloğunda farklı ark modelleri kullanılarak simulasyon tekrarlanmaktadır. Burada sırasıyla Cassie, Habedank, Kema, Mayr, modifiye Mayr, Schavemaker ve Schwarz ark modelleri üzerinde durulmuştur. Çalışmanın son kısmında ise tüm ark modellerinin tek bir devre üzerinde simulasyonu yapılmıştır. Sonuç olarak gerçek ölçüm verileri ile simulasyon sonuçlarını karşılaştırdığımızda benzer sonuçlar olduğu görülmüştür. Öte yandan farklı dinamik ark modelleri incelenerek sonuçları ortaya konmuştur. Raylı sistem alanında yapılan bu tez çalışması pantograf-katener sistemlerinde gerilim ve akım sinyalleri üzerinden ark kaynaklı arızaların tespitinde literatüre katkı sağlamaktadır.