afwijking kompas onder hoogspanningskabel

[Merlion]

Op zeker moment draaide de kompasnaald zelfs om tijdens stilstand in het station.

Ik vraag me af of er meer factoren zijn die de kompasnaald kunnen laten draaien.

De hoeveelheid aan factoren die een invloed hebben op jouw experiment is aanzienlijk.

- De meeste bovenleidingen in Nederland en België zijn DC, sommige echter AC.

- Treinen leveren op bepaalde momenten energie terug aan het net. Stroomrichting keert dan om voor DC. Voor AC is het nog complexer.

- Treinbewegingen op naastliggende sporen.

- Enz, enz...

Dit ten gronde onderzoeken is op zijn zachtst gezegd een hele klus.

Groetjes

[jkien]

Ik denk dat een draaiing van de kompasnaald op een onbekend punt van de treinreis voorlopig een ongeschikt detail is om te willen verklaren.

Eenvoudiger is het optrekken van de trein, want het tijdstip waarop een trein bij het station begint op te trekken is duidelijk en het magneetveld is misschien het sterkst tijdens het optrekken. Hoe goed is dat in de praktijk waarneembaar met een kompas? Een gewoon kompas meet de richting van het magneetveld, niet de amplitude, maar bij het magneetveld van de stroomlus van bovenleiding en rails, B_lusvarieert juist de amplitude terwijl de richting onveranderlijk dwars op de trein is. Wat betere informatie kan opleveren is een kompas op een horizontale, ronde wijzerplaat. De rode kompasnaald geeft de richting van de B-vector weer.

Op de wijzerplaat zitten drie draaibare wijzers met een magneet. Het doel is om de kompasuitslag te standaardiseren, d.w.z. om de waarneming onafhankelijk te maken van bochten in het traject, en van remanent magnetisme dat van trein tot trein verschilt

1. Wijzer 1 met daarop magneet 1 moet B₁, het aardmagnetische veld, compenseren, omdat dat veld onderweg in de bochten zal draaien ten opzichte van de trein. De waarnemer draait de wijzer naar het geografische noorden, op grond van kennis van de route en uit het raam kijken (de richting is niet kritisch, een fout van 45° is acceptabel). De plaats van M₁ op de wijzer is eenmalig ingesteld buiten de trein; ik neem aan dat de trein het aardmagnetische veld niet verzwakt.
2. Wijzer 2 met daarop magneet 2 moet B₂, het remanente magneetveld van het stalen casco van de trein, compenseren. Het casco werd tijdens de huidige of een vorige reis gemagnetiseerd door B_lus + B₁. In een stilstaande trein zie je B₂ duidelijk als je met een kompas door de trein loopt. In de wagens achter de pantograaf wijst de rode kompasnaald naar stuurboord, en in de wagens voor de pantograaf omgekeerd. De richting is in principe dwars op de trein. Sommige lichtgewicht treinen zijn van aluminium, zoals de 'nieuwe' sprinter (SLT) in Nederland; dan is uiteraard B₂ = 0.
3. Wijzer 3 is parallel aan de trein. De plaats van magneet 3 op wijzer 3 is zodanig dat de kompasuitslag van 60° t.o.v. de spoorlijn correspondeert met een redelijke B_lus-bovengrens. Bij mijn kompasplaat heb ik magneet 3 zo geplaatst dat 60° overeenkomt met 100 µT (geijkt m.b.v. een elektrische spoel). Die 100 µT lijkt ongeveer de maximale B_lus tijdens het optrekken van een lange dubbeldekker, gemeten op het perron. Ter vergelijking: de horizontale component van het aardmagnetische veld is 20 µT, in Nederland.

Samengevat: na instellen van de drie magneten is B op de plaats van het kompas: B_K = B_lus + B₃. Zonder de drie magneten was het: B_K = B_lus + B₁ + B₂ .

kompasplaat 659 keer bekeken

kompasdiagram 664 keer bekeken

Een paar zaken die je met de kompasplaat kunt zien:

1. Is de bovenleiding positief of negatief? Een makkelijke aanwijzing is de richting van B₂ in een stilstaande trein. Achterin de stilstaande trein wijst de rode kompasnaald naar stuurboord, dat is de richting van B₂. B₂ is tegengesteld gericht t.o.v. de oorzaak van de magnetisatie, B_lus. Dus B_lus was gericht naar bakboord. Dat past bij een positieve spanning op de bovenleiding. Dat klopt met de realiteit (+1500 V).
2. Hoe groot is de stroom tijdens optrekken? Zoals gezegd was B_lus ongeveer 100 µT, bij een lange dubbeldekker tijdens het optrekken, gemeten op het perron, 2 m naast het hart van het spoor, op 2 m hoogte. Het veld van de stroomlus is de optelsom van het veld van twee parallelle 'draden', B = µ I cos φ / πr , dus I = π r B / (µ cos φ) = 1000 A. Dat is een realistische waarde.
3. Gebruikt een korte trein minder stroom dan een lange trein? Ja. Buiten de spits zijn veel treinen half zo lang, en de kompasuitslag is dan aanzienlijk kleiner.
4. Ziet een reiziger in de trein een even grote B_lus als een waarnemer op het perron? De treinreiziger zit op het hart van het spoor, terwijl de waarnemer er 2 m naast zit. Daardoor moet B_lus bijna dubbel zo groot zijn voor de treinreiziger (B = µ I cos φ / πr)
5. Hoe lang na het vertrek van de trein kan een waarnemer op het perron met zijn kompas de stroom in de bovenleiding blijven detecteren? Minstens 2 minuten.

- De meeste bovenleidingen in Nederland en België zijn DC, sommige echter AC.

In Nederland zal iemand niet per ongeluk terechtkomen in een trein die op wisselstroom rijdt: dat zijn de Thalys en de Fyra, je moet er een speciaal kaartje voor kopen. Het effect van wisselstroom op het kompas is bovendien glashelder: het kompas reageert er gewoon niet op.

[Benm]

Dat klinkt als een hele procedure, maar of het nodig is?

In plaats van een ouderwets kompas kun je natuurlijk ook je smartphone gebruiken, waarin een electronisch kompas zit dat zowel informatie geeft over de richting als de veldsterkte, mits je de juiste app gebruikt (bijvoorbeeld gps status).

Mits je toestel over de juiste sensor beschikt kun je dan zien dat het veld veroorzaakt door die bovenleiding veel groter is dan het natuurlijke aardmagnetisch veld, en zelfs min of meer inschatten hoeveel stroom er (relatief) door de bovenleiding gaat.

Niet dat er iets mis is met dat houten bord, maar met sommige sensoren in smartphones kun de richting van het veld ook nog in 3 dimensies bepalen, en daarmee wellicht zien of een veld afkomstig is van de trein waar je in zit, of van een trein op een spoor ernaast.

[jkien]

Ik heb geen smartphone, en de procedure met het bord valt wel mee. Magneet 3, wijzer 3 en wijzer 2 laat je met rust, die hebben een vaste positie. Wijzer 1 moet je ongeveer op het noorden richten, als je weet waar je bent kost dat een paar seconden. In de trein moet je, als de trein nog stil staat, magneet 2 verschuiven langs de wijzer totdat de kompasnaald parallel aan de trein is. Dat kost ook een paar seconden (de magneet zit met een schuifje op de wijzer). Tijdens de reis hoeft de waarnemer alleen wijzer 1 bij te draaien in bochten van meer dan 45°, dat gebeurt niet zo vaak.

[Benm]

Deze app is er handig voor, mocht iemand het met een smartphone of tablet willen testen:

https://play.google.com/store/apps/deta ... gpsstatus2

Deze ziet er trouwens helemaal goed uit voor dit soort experimenten, al heb ik hem zelf nog niet getest:

https://play.google.com/store/apps/deta ... eter&hl=en

[jkien]

- Treinen leveren op bepaalde momenten energie terug aan het net.

Dat is wel een interessante kwestie. De NS stelt dat een trein gemiddeld 6% energie teruglevert door recuperatief remmen.[1] Maar zit er in de trein een meetkastje, en heeft de machinist er belang bij? Misschien niet, misschien is die 6% gebakken lucht. Als passagier zou je met een kompas kunnen meekijken. Zou je een indruk kunnen krijgen van hoeveel % energie de trein teruglevert door recuperatief remmen?

[Benm]

Je kunt in ieder geval vaststellen of het gebeurd. Hoeveel het is zul je moeten vinden door de veldsterkte te integreren over de tijd. De verhouding is dan in ieder geval duidelijk, mits je kunt compenseren voor het wisselen van de stroomlussen.

Dat ze er belang bij hebben lijkt me duidelijk: Stroom is tenslotte niet gratis, en regeneratief remmen is waarschijnlijk alleen een kwestie van de aansturing aanpasen, de motoren zijn er wel geschikt voor. Nadeel is dat je op die manier slechts zo hard kunt remmen als je kunt optrekken, en dan is denk ik niet afdoende in alle situaties zodat je toch nog wrijvingsremmen nodig hebt (net als op een electrische auto).

[jkien]

Ik heb in een dubbeldekker van Amsterdam naar Schagen de kompasuitwijking op de wijzerplaat een paar keer per minuut genoteerd, in de eenheid kA (volgens de eerder genoemde ijking dat 60° overeenkomt met 1 kA). Achteraf heb ik dat als functie van de tijd geintegreerd. Het resultaat kort samengevat: het "elektriciteitsgebruik" was gemiddeld 9 kA·s per km. De kompasuitwijking als functie van de tijd was tamelijk pulsvormig, vaak met een pulsamplitude tussen 0,5 en 1 kA, en gemiddeld 1 puls per 5 km. Tijdens het remmen voor de stations was er vaak een relatief kleine negatieve puls, blijkbaar teruggeleverde elektriciteit. In totaal was de teruggeleverde elektriciteit in de orde van 5% van het totale elektriciteitgebruik.

En hetzelfde recept in een 'nieuwe' sprinter van Abcoude naar Woerden: het elektriciteitsgebruik was gemiddeld 4 kA·s per km. De kompasuitwijking als functie van de tijd was tamelijk pulsvormig, vaak met een pulsamplitude tussen 0,5 en 1 kA, en gemiddeld 1 puls per 5 km. In totaal was de teruggeleverde elektriciteit weer in de orde van 5% van het totale elektriciteitsgebruik.

Beide reizen vonden plaats tijdens de spits, in treinen die 2x zo lang en zwaar waren als buiten de spits, zodat het elektriciteitsgebruik zo groot mogelijk was.

Het elektriciteitsgebruik in kA·s vermenigvuldigd met 1,5 kV is het energieverbruik in MJ. (Het energieverbruik van de hele trein is groter, omdat de stroom door de bovenleiding van twee kanten naar de trein toe komt.)

[Benm]

Het voordeel van regeneratief remmen zal heel erg verschillen per traject. Bij iets met stations op zeer korte afstand, waarbij eigenlijk altijd ofwel versneld, ofwel vertraagd wordt (bijv metro binnenstad) zal het aanzienlijk meer zijn dan op een lange afstandstrein die eigenlijk maar 1 keer hoeft te remmen.

Voor zover ik weet werkt dat terugleveren ook alleen als er een andere trein op hetzelfde stuk bovenleiding zit - de stations die stroom op de bovenleiding zetten leveren geen vermogen terug aan het net.

[jkien]

De negatieve pulsen die ik waarnam kunnen ook ruis zijn, het nulpunt van het kompas was niet helemaal stabiel.

Als je de actuele treinenloop vergelijkt met de kaart van de elektrische onderstations dan krijg je de indruk dat het een zeldzaamheid is dat er meerdere treinen samen op een bovenleidingssectie rijden (N.B. een tegenligger zit op een andere bovenleidingssectie). Dus dan zou er bijna nooit elektriciteit teruggeleverd kunnen worden.

[klazon]

Treinen rijden weliswaar meestal op verschillende secties, maar in de normale toestand is het 1500V bovenleidingnet één geheel, met vele voedingspunten. Dus als een trein in een sectie energie teruglevert, dan kan die energie heel goed worden opgenomen door een trein die enkele secties verderop rijdt, of door een trein op het parallelspoor.

[jkien]

Mooi is dat. Een kortsluiting in Roodeschool legt dan het treinverkeer in heel Nederland plat, en niemand weet in welke sectie de kortsluiting zit.

[Merlion]

In Nederland zal iemand niet per ongeluk terechtkomen in een trein die op wisselstroom rijdt: dat zijn de Thalys en de Fyra, je moet er een speciaal kaartje voor kopen.

De Betuwelijn werkt met 25kV AC. Je kan natuurlijk altijd in echte Hollywoodstijl op een goederenwagon springen .

Het effect van wisselstroom op het kompas is bovendien glashelder: het kompas reageert er gewoon niet op.

Alhoewel je de netspanning nog altijd als een sinus mag beschouwen (<10% harmonische vervorming) ligt de tijd dat wisselstroom nog gelijkenissen vertoonde met een sinus al een hele tijd in het verleden. De oorzaken moet je zoeken bij transformatorkern-verzadigingen en vooral niet-lineare belastingen, zoals bv elektronische aandrijvingen (inverters) in treinen. Alhoewel dit op zich geen probleem is, kunnen deze vervormde stromen kleine asymmetrieën vertonen. Gezien de nadelige gevolgen wordt dit echter meestal binnen grenzen gehouden. Niettegenstaande kan 10% assymetrie bij AC stroomsterktes van 1000A een DC component van 100A betekenen. Het is niet ondenkbaar dat je kompas dit waarneemt.

Maar zit er in de trein een meetkastje, en heeft de machinist er belang bij

Dit gebeurt volledig automatisch. In sommige treinstellen staan verklikkers, meestal in de ruimte waar de toegangsdeur zich bevindt. De verklikkers wisselen als de motoren tussen aandrijving (motor), leegloop, of remmen (generator) schakelen.

Dus dan zou er bijna nooit elektriciteit teruggeleverd kunnen worden.

Alhoewel regeneratief remmen bij gelijkspanningsnetten niet zo eenvoudig is als bij wisselspanning, is een tweede trein, of beter locomotief op het net niet echt noodzakelijk. Zoals in de vorige post kan men DC netten aan elkaar knopen over relatief lange afstanden omdat faseverschuivingen geen problemen vormen. Een tweede mogelijkheid zijn inverters die DC naar AC omvormen en de energie terug naar het net leveren.

[klazon]

Mooi is dat. Een kortsluiting in Roodeschool legt dan het treinverkeer in heel Nederland plat, en niemand weet in welke sectie de kortsluiting zit.

Nee, zo erg is het niet.Als er in een sectie kortsluiting optreedt, dan wordt die sectie selectief afgeschakeld. En dat is zichtbaar op een schakelcentrum. Verder is de weerstand van het net zo groot dat je bij een kortsluiting in Roodeschool daar helemaal niets van merkt in Utrecht.

Nog even afgezien van het feit dat er in Roodeschool helemaal geen bovenleiding hangt.

[Merlion]

Mooi is dat. Een kortsluiting in Roodeschool legt dan het treinverkeer in heel Nederland plat, en niemand weet in welke sectie de kortsluiting zit.

Tussen deze netten zitten beveiligingen. Zekeringen werken trouwens net zo goed op gelijkstroom en er bestaan eveneens zekering-automaten voor gelijkstroom.