Bir metro hattında araç kapasitesinin artırılmasının orta gerilim ve cer sistemleri üzerine etkileri
The effects of increasing vehicle capacity on medium voltage and traction systems in a metro line
Yazar: ZENNURE YENER
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Raylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Raylı Sistemler Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde, İstanbul gibi, büyük şehirlerde yaşayan bireylerin en büyük sorunlarından biri, trafik ve yolda geçen zaman kaybıdır. Bu durum iş ve sosyal hayatın kalitesini olumsuz etkilemektedir.  Trafik sorununu çözmenin en etkili yöntemlerinden biri yüksek yolcu kapasiteli raylı sistemleridir. Raylı sistemlerin sunmuş olduğu düzenli seferleri, erişimi kolay istasyonları insanların günlük hayatlarını daha iyi planlamalarına yardımcı olmaktadır. Trafik problemlerini çözmeye yönelik yeni raylı sistem hatlarının yapılması kadar mevcut hatların kapasitelerinin artırılmasını da gündeme getirmektedir. Bir diğer önemli konu ise enerji verimliliğidir. Raylı sistemlerde enerji tasarrufu yapmaya yönelik hat eğimlerinin azaltılması, hat üzerinde paralelleme çalışmaları, efektif sürüş teknikleri gibi birçok çalışma yapılmaktadır. Yeni araç alımlarında idarelerin, araçların enerji tüketimlerinin simülasyon çalışmaları yapılarak karşılaştırılması, enerji tasarrufu için çok önemlidir. Bu tez kapsamında entregre olan bir metro hattının, hat kapasitesinin artırılması analizi, raylı sistemlerde en büyük tüketici olan trenlerin enerji tüketimlerini görmek amacıyla farklı üç tip aracın karşılaştırılmasıyla yapılmıştır. 
Yatırım maliyetlerinin yüksek olması sebebi, fizibilite çalışmalarının yeterince yapılamaması, özellikle büyük şehirlerin nüfus yoğunluğunun sürekli artması yeni hatların yapılmasının yansıra daha önce yapılmış mevcut hatların da kapasitelerinin artırılmasını gerektirmektedir. Mevcut hatların kapasiteleri, tren sefer sıklıklarının artırılması, daha konforlu ve daha fazla yolcu kapasiteli araçlar kullanılması ile mümkün olmaktadır.  Hem sefer sıklığı hem de yolcu kapasitesinin artırılması talebinin doğru bir şekilde analiz edilerek cer sisteminin doğru projelendirilmesi gerekmektedir. 
Metro hatlarında cer trafo merkezleri istasyon teknik binaları içinde konumlandırılmaktadır ve bu nedenle ilk projelendirme ve olası kapasite artışlarının kolay planlanabilmesi için, istasyonlar arası mesafeye çok dikkat edilmesi gerekmektedir. İstasyon arası mesafelerin fazla olduğu mevcut hatların yolcu taşıma kapasitesinin artırılması, güzergâh boyunca yeni trafo merkezlerinin ilave edilmesini gerektirebilmektedir. Bu durum ilave kamulaştırma problemi getireceğinden yatırım maliyetlerinin artmasına, kamulaştırmadan dolayı proje süreçlerinin uzamasına sebep olmaktadır. Bu nedenle metrolar planlanırken gelecekteki ihtiyaçları da düşünülerek olası entegre olacak hatların da rezervasyonları bırakılarak planlanması önemlidir. 
Tez içerisinde raylı sistemlerin tarihsel gelişiminden kısaca bahsedildikten sonra, raylı sistem ekipmanları detaylı olarak tanıtılmış, sinyalizasyon ve SCADA sisteminden bahsedilmiştir.  Raylı ulaşım araç tipleri, raylı sistemlerde formülasyonları, kullanılan standartlar, enerji depolama sistemleri, simülasyon verileri, simülasyon sonuçları paylaşılmıştır.  Hatta ait istasyon kilometre bilgileri, trafo merkezlerine ait kilometre bilgileri, düşey eğim bilgileri, yatay kurp değerleri, hız limitleri, Metro İstanbul tarafından sağlanarak simülasyon çalışmalarında kullanılmasına izin verilmiştir. Simülasyon çalışmalarında kullanılan tüm bilgiler simülasyon verileri bölümünde detaylı olarak belirtilmiştir. Katener sistemi ile ilgili detaylar ve kabul edilen direnç değerleri simülasyon verileri bölümünde belirtilmiştir. 
İşletilmekte olan İstanbul'un en eski hatlarından 1989 yılında yapılan M1A Yeni kapı Atatürk Havalimanı ve M1B Yenikapı Kirazlı hattının bir bölümünde, mevcutta 4'lü dizi 180 s sefer sıklığı aracın yapılan normal işletme durumu 90 s sefer sıklığı 4'lü ve 5'li dizilerdeki araçlar ile hat kapasitesi artırılarak analiz edilmiştir. Aynı zamanda cer trafo merkezlerinin arıza durumları ayrı ayrı simüle edilerek indirgenmiş senaryoları 120 s sefer sıklığına göre yapılmıştır. Bu analizler için Hi-SimuX ve SimuX yazılımları kullanılmıştır. Hi-SimuX hem tren hareketlerinin hem de demiryolu güç kaynağı şebekesinin aynı anda hesaplanmasına olanak sağlayan SimuX modülünü kullanmaktadır. Hi-SimuX ve SimuX yazılımları İTÜ Teknokent'te yerleşik HI-SIM Teknoloji Mühendislik firması tarafından geliştirilmiş EN 50641 standardı kapsamında sertifikalandırılmış yerli bir yazılımdır. 
Simülasyon sonuçlarının değerlendirilmesinde EN 50329 standardına göre trafo yüklenmeleri, EN 50122-1 standardına göre ray toprak arası gerilim ve EN 50163 standardına göre minimum tren gerilimleri değerleri kontrol edilmiştir. EN 50329 standardına göre çalışma sınıfı VI olan trafoların % 150 yüke 2 saat, % 300 yüke 1 dakika sınıfı V olan trafoların ise % 150 yüke 2 saat, % 200 yüke 1 dakika sınır kapasiteleri belirtilmiştir. EN 50122-1 standardına göre ray geriliminin alabileceği değer 300 saniyenin üzerindeki değerler için 120 V, 1 saniye için ise 160 V olmaktadır. EN 50388'e göre tren akışı, araçların katener hattı gerilimine göre sınırlandırılmıştır. 750 V DC olan bu hat için bu değer 600 V DC ile sınır değeri alır ve minimum değer 500 V DC olmaktadır. EN 50163 standardına göre 750 V DC nominal gerilimde çalışmaktadır. Hattın en düşük kalıcı gerilimi Unmin1: 500 V DC en yüksek kalıcı gerilimi Unmax1: 900 V DC, en yüksek geçici gerilim (maksimum 5 dakika) Umax2: 1000 V DC aşırı gerilim (20 ms'den uzun) Umax3: 1270 V DC. Simülasyon sonuçlarında bulunan tüm veriler standartta belirtilen sınır değerlere göre kontrol edildi. Araçların EN 50388'e göre katener hat gerilimize karşı tren akımının sınırlandırıldığı kabul edilmiştir. Bu standartlara ait detaylı bilgiler simülasyon verileri bölümünde bulunmaktadır. 
M1A-M1B hattında; 19 trafo merkezi ve 6 indirme merkezi bulunmaktadır. Entegre hat üzerinde 9 adet trafo merkezi ve 2 adet indirme merkezi bulunmaktadır. Mevcut hat orta gerilim çalışma senaryoları incelendiğinde belirli bölümlere ayrıldığı, gelen merkezlerden gelen enerjinin kesilmesi durumunda hattın diğer indirgeme merkezi üzerinden kesintisiz olarak istasyonları beslediği görülmektedir. Kirazlı Halkalı Metro hattında hattın başında (Kirazlı) ve sonunda (Halkalı) iki ayrı gelen merkez bulunmaktadır. Normal işletmede istasyonun bir kısmı Halkalı indirici merkezinden, diğer kısmı ise Kirazlı indirici merkezinden beslenmektedir. Gelen merkezlerden birinde arıza olması durumunda tüm istasyonlar tek kaynaktan beslenebilmektedir. Aynı zamanda mevcut hat ve Kirazlı istasyonundan da besleme yapılmaktadır. Ancak orta gerilim işletme senaryolarında mevcut hat ile bir işletme senaryosu planlanmamaktadır. 
Orta gerilim sistemi ve cer sistemi SCADA sistemi üzerinden izlenmekte ve kumanda edilmektedir. Mevcut SCADA sistemi incelediğinde yeni entegre hat için ilave lisans gereklilikleri görülmüştür. Cer trafo merkezlerinin fiziki durumları yerinde kontrol edilmiş, cer ekipmanlarının değiştirilmesinin yansıra kapı, yükseltilmiş döşeme, havalandırma gibi birçok inşaat çalışmasının da yapılması gerektiği, ilave gelecek trafo merkezlerinin yerlerinin kamulaştırılması gereklilikleri ortaya çıkmıştır.
Tren hareketi dört aşamadan oluşur: hızlanma, seyir, yavaşlama ve frenleme. Hızlanma, trenin hareket etmeye başladığı andan itibaren en fazla çekişe ihtiyaç duyduğu aşamadır. Seyir aşamasında tren belli bir hıza ulaşır ve çektiği cer kuvveti sabit hale gelir. Seyir halinde hızlanma ve yavaşlamanın olmadığı aşamadır. Tren düz bir hat üzerinde seyrederken veya durmadan önce tam hızla hareket ederken, yavaşlama moduna geçer. Frenleme trenin yavaşlayıp durduğu aşamadır. Frenleme aşamasında tren jeneratör görevi görüyor ve hatta enerji veriyor. 
Her bir araca ait senaryolar birinci grup senaryolar, ikinci grup senaryolar, üçüncü grup senaryolar olarak gruplandırılmıştır. Birinci grup senaryolarda beş adet trafo merkezinin hepsinin devrede olduğu, 90 s sefer sıklığına göre simülasyon çalışmaları yapılmış B treni ile C treninin minimum tren gerilimlerinin sınır değer olan 500 V değerine çok yaklaştığı görülmüştür. 
İkinci grup senaryolarda, indirgenmiş işletme için cer trafo merkezlerinin sırayla devre dışı olduğu durum 120 s sefer sıklığı ile simüle edilmiş trafo yüklenmelerinin çok yüksek olduğu ve bazı senaryolarda tanımlı sınır değerlerin aşıldığı görülmektedir. 
Ray gerilimi değerlerinin istenen aralıkta olmasına rağmen, minimum tren gerilimi değerlerinin her üç araçta da 500 V gerilim seviyesinin altına düştüğü ve mevcut trafo merkezlerinin yeterli olmadığı görülmüştür. Bu nedenle cer trafo merkezleri sekiz adede çıkarılarak simülasyon çalışmaları tekrarlanarak üçüncü grup senaryolarda verilmiştir. Araçlara ait km başına tüketim değerleri karşılaştırıldığında %50'ye varan oranlarda enerji tasarrufu yapılabileceği simülasyon çalışmaları ile gösterilmiştir.

Abstract:
In today's world, one of the major problems faced by individuals living in large cities like Istanbul is traffic congestion and the resulting time loss on the roads. This situation negatively affects the quality of work and social life.  One of the most effective methods of solving the traffic problem is rail systems with high passenger capacity. The regular services offered by rail systems and easy-to-access stations help people plan their daily lives better. It brings up the increase in the capacities of existing lines as well as the construction of new rail system lines to solve traffic problems. Another important issue in rail systems is energy efficiency. Many studies are carried out in rail systems such as reducing line slopes, paralleling studies on the line, effective driving techniques to save energy.  
Trains are the largest consumers in rail systems. For this reason, the energy consumption of trains should also be analyzed well. In the procurement of new vehicles, it will be very beneficial for the administrations to compare the energy consumption of the vehicles by making simulation studies. Within the scope of this thesis, while investigating the effects of line capacity on medium voltage and traction power, the energy consumption of three different types of trains was also compared.
The reason for the high investment costs, the inability to carry out feasibility studies sufficiently, and the continuous increase in the population density of big cities, especially the construction of new lines, as well as the increase in the capacities of the existing lines that have been built before, necessitate the construction. The capacities of the existing lines are made possible by increasing the frequency of train services and using vehicles that are more comfortable and have a higher passenger capacity.  Both the frequency of flights and the demand to increase the passenger capacity should be analyzed correctly and the traction system should be designed correctly. Traction substations on metro lines are located in the station technical buildings, and for this reason, it is necessary to pay close attention to the distance between stations in order to easily plan the initial project design and possible capacity increases. Increasing the passenger carrying capacity of existing lines with high distances between stations may require the addition of additional substations along the route. Since this situation will bring additional expropriation problems, it causes an increase in investment costs and prolongation of project processes due to expropriation. For this reason, while planning the subways, it is important to plan the lines that will be integrated by leaving reservations, considering their future needs. 
After briefly mentioning the historical development of rail systems in the thesis, transmission systems, medium voltage system, DC system equipment, signaling and SCADA system are mentioned in the second part. In the third part, rail transportation vehicle types are explained in detail. In the fourth chapter, train motion and Davis formulation are explained in detail. In the fifth chapter, information about leakage current control and grounding system in rail systems is briefly explained. In the sixth chapter, regenerative braking and storage systems are described. In the seventh section, the details of the software used, the station mileage information of the line, the mileage information of the substations, the vertical slope information, the horizontal curve values, the speed limits, the data of the real line, the standards used, the calculation of the frequency of the trip, the medium voltage operating scenarios, the physical conditions of the existing substation are shared. In the eighth chapter, the simulation results are shared in detail.  The speed limits on the route with an operating speed of 80 km / h are given in a table. The speed of entry into the station was considered to be 40 km / h. The dwell time at the station is accepted as 25 s. It has been accepted that the trains will stop in the middle of the platform in the calculations.
Train movement consists of four stages: acceleration, cruising, coasting, and braking. Acceleration is the stage where the train needs the most traction from the moment it starts moving. During the cruising phase, the train reaches a certain speed and the traction force it draws becomes constant. It is the stage where there is no acceleration or deceleration in coasting. When the train is traveling on a straight line or moving at full speed before a stop, it goes into coasting mode. Braking is the stage when the train slows down and stops. During the braking phase, the train works as a generator and even energizes. 
The tools used in the simulation are symbolically named. Train A is simulated as a series of 5, train B as a series of 5 and train C as a series of 4. One of the tools used in the simulation is operated on the existing line as a series of 4 with a frequency of 180 s. Each parameter and curve are given for a single tool. The auxiliary power system of the trains is considered in such a way that 50% is loaded at all times. According to the standards, the passenger carrying capacity of the vehicles is evaluated as AW0: vehicle without passengers, AW1: seated passenger and standing passenger 4 persons/m2, AW2: seated passenger and standing passenger 6 persons/m2, AW3: seated passenger and standing passenger 8 persons/m2.  For the simulation study, it was assumed that there were 1250 passengers weighing 70 kg in all trains. Voltage-dependent current (left) and traction power voltage limiting (right) graphs, traction power [kN]- speed [km/h] diagrams, braking power [kN]- speed [km/h] graphs of vehicles are given comparatively. 
Many factors such as traction force acting on the train, resistance forces, speed of the train, slope, train weight, frequency of travel, acceleration and braking come into play. Various simulation tools are needed to calculate such variable parameters. Within the scope of this thesis, Hi-SimuX and SimuX softwares were used for analysis. Hi-SimuX uses the SimuX module, which allows simultaneous calculation of both train movements and the railway power supply network. Hi-SimuX and SimuX software is a domestic software certified within the scope of EN 50641 standard developed by HI-SIM Technology Engineering company located in ITU Technopolis. With this simulation program, train performance analysis, trip frequency, single line operation tests, traction power and substation sizing, determination of maximum, minimum and average voltage values in train pantograph, regenerative energy use, rail voltage and leakage current analysis, short circuit current calculations, testing of different supply scenarios, determination of energy consumption and losses are used in many analyzes.
On the M1A-M1B line; There are 19 substations and 6 lowering centers. On the integrated line, there are 9 transformer centers and 2 lowering centers. When the existing line medium voltage operating scenarios are examined, it is seen that it is divided into certain sections, and in case the energy coming from the incoming centers is cut off, the line feeds the stations through the other reducing center without interruption. On the Kirazlı Halkali Metro line, there are two separate incoming centers at the beginning (Kirazli) and at the end (Halkali) of the line. In normal operation, one part of the station is fed from the Halkali incoming center, while the other part is fed through the Kirazli lowering center. In the event of a malfunction in one of the incoming centers, all stations can be fed through a single source. At the same time, there is also a supply via the existing line and Kirazli station. However, in medium voltage operating scenarios, an operating scenario is not planned with the existing line. It is seen that medium voltage operating scenarios are made as two different lines of both lines. The medium voltage system and traction system are monitored and controlled via the SCADA system. When the existing SCADA system was examined, additional license requirements were found for the new integrated line. The physical conditions of the traction substations were checked on site, and in addition to replacing the traction equipment, many constructions work such as doors, raised floors, ventilation should be carried out, and the requirements for the expropriation of the locations of additional future substations were revealed.
Within the scope of this thesis, in a part of the M1A Yenikapi Atatürk Airport and M1B Yenikapi Kirazli line, which was built in 1989, one of the oldest lines in Istanbul, the current 4-series 180 s trip frequency, the normal operating status of the vehicle, the 90 s trip frequency, the line capacity of the vehicles in the 4 and 5 series were analyzed by increasing the line capacity. At the same time, the fault conditions of the traction substations were simulated separately, and the traction power needs of the traction substation failures were made according to the frequency of 120 s.  
In the evaluation of the simulation results, transformer loads according to EN 50329 standard, rail-ground voltage according to EN 50122-1 standard, minimum train voltages according to EN 50163 standard and train currents according to EN 50388 were checked. It has been observed that overload service class (duty) V and VI transformers are used in the project. According to the EN 50329 standard, the limit capacities of transformers with operating class VI are specified for 2 hours for 150% load, 1 minute for 300% load, 2 hours for 150% load, and 1 minute for 200% load for transformers with class V. According to the EN 50122-1 standard, the value that the rail voltage can take is 120 V for values greater than 300 seconds and 160 V for 1 second.  According to EN 50388, the train flow is limited against the catenary line voltage of the vehicles. For this line, which is 750 V DC, this value takes the limit value with 600 V DC and the minimum value is 500 V DC. Operate at a nominal voltage of 750 V DC according to EN 50163 standard Lowest permanent voltage of the line Unmin1: Highest permanent voltage of 500 V DC Unmax1: 900 V DC, highest transient voltage (maximum 5 minutes) Umax2: 1000 V DC overvoltage (longer than 20 ms) Umax3: 1270 V DC. All data found in the simulation results were checked according to the limit values specified in the standard.
There are both conventional catenary and rigid catenary systems on the existing line. The normal catenary system is 44.4 milliohms, and the S49 single line rail resistance is 20.5 milliohms per km. In addition, it was accepted that there was a parallel between the rails at 250 m, while there was no paralleling in the catenary line. The rectifier powers on the existing line are taken as 2x2100 kVA and the rectifier groups at the beginning and end of the line are accepted as a single line in order to make a real line model. 
The scenarios of each vehicle are grouped into first group scenarios, second group scenarios, and third group scenarios. In the first group of scenarios, it was observed that all five transformer substations were active, and the minimum train voltages of the B train and the C train, which were simulated according to the frequency of 90 s, were very close to the limit value of 500 V. 
In the second group of scenarios, it is seen that the simulated transformer loads are very high with a frequency of 120 s and the defined limit values are exceeded in some scenarios when the traction substations are sequentially disabled for the reduced operation.  Although the rail voltage values were within the desired range, it was observed that the minimum train voltage values fell below the 500 V voltage level in all three vehicles and the existing substations were not sufficient. For this reason, traction substations were increased to eight and simulation studies were repeated and given in the third group of scenarios. When the consumption values per km of the vehicles are compared, it has been shown by simulation studies that energy savings of up to 50% can be achieved. Although the B train has more traction, the energy requirement per km is lower than the C train because its regenerative braking is better. It shows that both traction and regenerative braking curves of vehicles should be evaluated together in traction design.