Modeling and simulations of a 2X25kV 50 Hz autotransformer system with long MV cable line for steady state and transient analyses

The present study wants to evaluate the installation of a single-phase MV cable in the 2x25 kV - 50 Hz traction system of a railway line. The case presented represents one of the possible solutions envisaged for the electrification of the High Speed - High Capacity Milan - Brescia - Verona line. In particular, a 2x25 kV traction system was also proposed for the Brescia - Verona section, as for the existing Treviglio - Brescia section which is currently in operation. The two sections mentioned above would be interconnected by means of Electric Border Point to the traditional 3 kV DC line passing through Brescia, thus remaining electrically separate from each other. To overcome this operating condition, which is not safe from the point of view of power supply continuity, a single-phase MV cable could be installed in the 2x25 kV - 50 Hz system that connects the two sections, crossing Brescia alongside the 3 kV line in direct current. This cable would guarantee the continuity of the supply of the High-Speed system in the event of outage of the existing Chiari substation, Treviglio side, or of the possible Calcinato substation, which would be built on the Verona side, allowing mutual support between the two plants. The energization of the MV cable on the traction system would occur at two Double Parallel Points, to be placed on the Brescia side with respect to the two Chiari and Calcinato substations. In the same Double Parallel Points, autotransformers should be installed in order to make the cable voltage level as constant as possible. The operation of the cable would be carried out while maintaining the same voltage from one of the two extremes, but normally unloaded. In the event of failure of one of the substations, continuous load energizations would be created on the cable, generating high and repeated overvoltage. Furthermore, due to its position in the railway system and in the city, the cable could be affected by electromagnetic disturbances and generate them in turn. To model and simulate the system, we use the Matlab - Simulink software, a simulation tool capable of implementing the electrical system under study using a graphic representation composed of blocks. Through Simulink, cases of operation under normal conditions and in the event of failure are considered, examining the possible stresses inflicted on the cable, compared with its limits.

Il presente studio vuole valutare l’installazione di un cavo monofase MT nel sistema di trazione 2x25 kV – 50 Hz di una linea ferroviaria. Il caso esposto rappresenta una delle possibili soluzioni prospettate per l’elettrificazione della linea Alta - Velocità / Alta - Capacità Milano - Brescia – Verona. In particolare, è stato proposto un sistema trazione 2x25 kV anche per la tratta Brescia Verona, come per l’esistente tratta Treviglio – Brescia che si trova attualmente in esercizio. Le due tratte di cui sopra verrebbero interconnesse per mezzo di un Posto di Origine Catenaria alla linea tradizionale 3 kV in corrente continua passante per Brescia, restando pertanto tra loro elettricamente separate. Per ovviare a questa condizione di esercizio, non sicura dal punto di vista della continuità di alimentazione, si potrebbe installare un cavo monofase MT nel sistema 2x25 kV – 50 Hz che connetta le due tratte, attraversando Brescia in affiancamento alla linea 3 kV in corrente continua. Tale cavo permetterebbe di garantire la continuità dell’alimentazione del sistema Alta-Velocità in caso di fuori servizio dell’esistente sottostazione di Chiari, lato Treviglio, o dell’eventuale sottostazione di Calcinato, che verrebbe costruita lato Verona, permettendo il mutuo soccorso tra i due impianti. L’inserzione del suddetto cavo MT sul sistema di trazione si avrebbe in corrispondenza di due Posti di Parallelo Doppio, da collocare lato Brescia rispetto alle due sottostazioni di Chiari e Calcinato. Negli stessi Posti di Parallelo Doppio andrebbero installati degli autotrasformatori, al fine di rendere il livello di tensione del cavo il più possibile costante. L’esercizio del cavo verrebbe effettuato mantenendo lo stesso sempre in tensione da uno dei due estremi, ma normalmente scarico. In caso di fuori servizio di una delle sottostazioni, sul cavo si verrebbero a creare delle continue inserzioni di carico, generando sovratensioni elevate e ripetute. Inoltre, a causa della sua posizione nel sistema ferroviario e in città, il cavo stesso potrebbe essere interessato da disturbi di natura elettromagnetica e generarne a sua volta. Per modellizzare e simulare il sistema ci si avvale del software Matlab – Simulink, uno strumento di simulazione capace d’implementare, mediante una rappresentazione grafica composta da blocchi, il sistema elettrico in esame. Tramite Simulink, si considerano i casi di operazione in condizioni normali e in caso di guasto, esaminando i possibili stress inflitti al cavo, confrontati con i suoi limiti.