Železničná napájacia sústava

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Sústavy používané v Európe:

██ 750 V jednosmerná

██ 15 kV 16,7 Hz

██ 3 kV jednosmerná

██ 1,5 kV jednosmerná

██ 25 kV 50 Hz

██ neelektrifikované

Železničná napájacia sústava je súhrnný pojem pre spôsob napájania vlaku poháňaného stabilným zdrojom elektrickej energie. Definuje ju:

Historické súvislosti[upraviť | upraviť zdroj]

Úroveň techniky sa od doby počiatkov elektrifikácie železničných tratí výrazne zvýšila. Medzi najdôležitejšie zmeny, ktoré ovplyvňovali elektrický pohon vlakov, patrí rozvoj elektrickej distribučnej siete, pokrok v konštrukcii elektrických motorov, polovodičovej techniky a riadiacej elektroniky.

História napájacích sústav je sprevádzaná snahou využiť výhod jednosmerného i striedavého prúdu. Zatiaľ čo v minulosti toto kombinovanie často viedlo k usmerňovaniu striedavného prúdu na jednosmerný, rozvoj silnoprúdovej polovodičovej techniky a výhody trojfázového asynchrónneho motora viedli k tomu, že dnes sa často premieňa jednosmerný prúd na trojfázový striedavý s voliteľnou frekvenciou, ktorým sa asynchrónny trakčný motor napája[1].

Hlavným trendom je postupné presadzovanie úspornejšej, ale technicky náročnejšej striedavej trakcie nad jednosmernou.

V súčasnosti sa v elektrifikovanej koľajovej doprave používa niekoľko napájacích sústav; dôvody sú najmä historické, trate sa elektrifikovali za rôznej úrovne techniky. Zmeniť na existujúcej trati napájaciu sústavu (najmä v prípade prestavby z jednosmernej na striedavú) si vyžaduje výmenu elektrického zariadenia meniarní a výmenu či zásadnú rekonštrukciu elektrickej výzbroje hnacích vozidiel.

Problematický je i prechod vlaku medzi dvoma sústavami – ak vlak neťahá viacsystémový rušeň, je potrebný preprah. V prípade viacsystémového rušňa je nutné stiahnuť zberač elektrického prúdu pred niekoľkometrovým neutrálnym poľom, prepnúť výzbroj rušňa do nasledujúcej sústavy a vztýčiť zberač pod trolejom druhej sústavy.

Kvôli zložitosti preprahu a cene viacsystémových rušňov môže i dnes dôjsť k elektrifikácii konštrukčne zastaranejšou, ale v krajine majoritnou napájacou sústavou.

Napájacie sústavy[upraviť | upraviť zdroj]

Začiatky elektrickej trakcie[upraviť | upraviť zdroj]

Pri prvých pokusoch i na prvých elektrifikovaných tratiach sa používal jednosmerný prúd s napätím 600 – 1 500 V. Dôvody možno hľadať vo vtedajšej úrovni techniky – motory na jednosmerný prúd bolo možné jednoducho regulovať (odporová regulácia) a meniť smer jazdy (výmena pólov). Jednosmerná napájacia sústava vyžaduje iba jeden trolejový vodič (resp. napájaciu koľajnicu), druhý pól je v koľajniciach (nevýhoda – dochádza ku vzniku blúdivých prúdov). Nutnosť používať jednosmerný prúd spočiatku nebola obmedzujúca, prvé dráhy mali často vlastnú elektráreň, keďže elektrická distribučná sieť ešte nebola rozvinutá (v ranných dobách elektrifikácie vznikali dokonca i jednosmerné distribučné siete). Neskôr sa prešlo k usmerňovaniu striedavého prúdu zo siete jednosmerný v meniarňach. Usmerňovalo sa elektromechanicky (sústroj (striedavý) motor–dynamo), od 30. rokov 20. storočia ortuťovými usmerňovačmi.

Sústava 600–850 V jednosmerná[upraviť | upraviť zdroj]

V železničnej doprave táto sústava funguje na juhovýchode Anglicka. Začiatky tejto sústavy siahajú do obdobia pred prvou svetovou vojnou, keď ju na svojich tratiach zaviedla spoločnosť London and South Western Railway (L&SWR), konkrétne s napätím 650 V. Od roku 1955 zaviedli BR na novo elektrifikovaných úsekoch napätie 750 V.

Napájacia sústava s napätím 600 alebo 750 V jednosmerného prúdu sa dnes používa najmä na pohon mestských liniek električiek a trolejbusov (Bratislava, Košice, Trenčín, Praha, Brno...), keďže tu nie je potrebné prenášať tak veľké výkony na značné vzdialenosti. Pražské metro je napájané jednosmernou sústavou s napätím 750 V.

Sústava 1,5 kV jednosmerná[upraviť | upraviť zdroj]

Táto sústava vychádza z možností techniky v dobe jej vzniku, to jest v období medzi svetovými vojnami. V dnešnej dobe dobe táto sústava prináša obmedzenia, pretože nie je schopná zvládať dnes požadované výkony. Jej nahradeniu zatiaľ bránia ekonomické dôvody.

V rámci Európy sa používa v južnej časti Francúzska (okrem vysokorýchlostných tratí) a v Holandsku. Na Slovensku túto sústavu používajú Tatranské elektrické železnice. Sieť S-Bahn v Hamburgu používa jednosmernú napájaciu sústavu s napätím 1,2 kV.

Sústava 3 kV jednosmerná[upraviť | upraviť zdroj]

V 20. rokoch 20. storočia vznikla potreba ďalej zvyšovať výkon elektrických rušňov, čo bolo možné zvýšením prúdu alebo napätia. Zvyšovanie prúdu viedlo k vysokým stratám v už tak hrubých vodičoch trakčného vedenia. Preto bolo zvýšené trakčné napätie na 3 kV, ktoré predstavuje pre jednosmernú sústavu technický limit (najmä pre komutátor motora – jednosmerný prúd sa zložito transformuje, a preto je nutné poháňať motor priamo trakčným napätím).

Výhodou tejto sústavy je jednoduchosť vozidiel, jednoduchá rekuperácia. K nevýhodám donedávna patrila stratová odporová regulácia výkonu. Ďalej je nutné zabezpečiť ochranu kovových predmetov v okolí trate proti účinkom blúdivých prúdov.

Priekopníkom tejto sústavy bolo Taliansko. Dnes sa používa okrem neho aj v Španielsku, Belgicku, Slovinsku, Rusku, Poľsku, Lotyšsku, Estónsku a v severnej časti Česka a Slovenska.

Zásadným obmedzením sústavy je, že nedokáže preniesť výkon porovnateľný so striedavou sústavou napriek tomu, že prierez trolejového drôtu je väčší. Preto sa aj v Taliansku na nové vysokorýchlostné trate používa striedavá sústava 25 kV 50 Hz.

Striedavá sústava 15 kV 16,7 Hz (pôvodne 16⅔ Hz)[upraviť | upraviť zdroj]

Jednosmerný komutátorový elektromotor možno napájať i striedavým prúdom s nízkou frekvenciou. To viedlo k myšlienke využitím frekvenčného meniča znížiť sieťovú frekvenciu na 1/3: 16⅔ Hz. Táto frekvencia bola zvolená tak, aby sa jednoducho vyrábala rotačnými frekvenčnými meničmi. Napätie z trakčného vedenia sa na rušni v odbočkovom transformátore znižuje na napätie trakčného motora. Výkon sa reguluje skokovo zapájaním či odpájaním odbočiek.

Výhodou tohto systému v dobe jeho vzniku bolo vyššie napätie v trolejovom vedení, vďaka ktorému sa znížil prúd potrebný pre prenos rovnakého výkonu, a tým aj straty. V porovnaní s modernou striedavou sústavou so sieťovou frekvenciou je nevýhodou nutnosť znižovať frekvenciu v meniarňach a o čosi väčší a ťažší transformátor v trakčnom vozidle.

S rozvojom polovodičovej techniky sa frekvencia zmenila na 16,7 Hz v dôvodu obmedzenia rezonančných javov v rozvodnej sieti.

Touto sústavou boli elektrifikované trate už v prvej dekáde 20. storočia. Dnes sa používa v Nemecku, Rakúsku, Švajčiarsku, Nórsku a Švédsku. Krátke úseky sa nachádzajú aj na území Česka a Slovenska v pohraničných oblastiach.

Striedavá sústava 3 x 3 kV 15 Hz[upraviť | upraviť zdroj]

Priekopníkom využitia striedavého prúdu na železnici bol „otec elektrického vlaku“ Kálman Kandó, ktorý v roku 1894 vyvinul vysokonapäťový indukčný trojfázový motor a generátor pre elektrické lokomotívy. Použitie trojfázového prúdu viedlo k nutnosti vybudovať dvojvodičové trakčné vedenie (tretia fáza bola v koľajniciach). Touto sústavou bola v roku 1902 elektrifikovaná trať Valtellina v Taliansku, prvá elektrifikovaná hlavná trať v Európe. V nasledujúcich rokoch boli takto elektrifikované mnohé železnice v severnom Taliansku, podľa čoho sa sústava nazýva taliansky systém. Sústava sa prestala používať v roku 1975

Výhodou bola prirodzená regulácia otáčok – pri prekročení synchónnych otáčok prejde motor do generatorického režimu a funguje ako brzda. Nevýhodou bola zložitosť vedenia.

Dnes sa trojfázová sústava používa na niektorých ozubnicových tratiach.

Striedavá sústava 25 kV 50 Hz[upraviť | upraviť zdroj]

I trojfázová sústava bola náročná na infraštruktúru v pomeroch povojnového Maďarska, a preto vyvinul Kálman Kandó v 20. rokoch 20. storočia sústavu využívajúcu jednu fázu s bežnou sieťovou frekvenciou. Prvá trať bola touto sústavou elektrifikovaná v 30. rokoch na úseku Budapešť-Nyugati–Alag. Vtedajšie lokomotívy využívajúce túto sústavu boli vybavené odbočkovým transformátorom a rotačným fázovým meničom napájajúcim viacfázový striedavý motor[1].

Až do 60. rokov 20. storočia sa zdalo, že Maďarsko zostane so svojou sústavou osamotené. Prudký rozvoj polovodičovej techniky spôsobil návrat k tejto sústave, ktorá je dnes považovaná za najperspektívnejšiu. Má najmenšie straty spôsobené prenosom a trakčné vedenie je možné po transformácii napájať z bežnej rozvodnej siete.

Problémom tejto sústavy je potreba rovnakého zaťaženia fáz rozvodnej siete, preto sú jednotlivé úseky napájané z rôznych fáz. Problémy sú aj pri rekuperačnom brzdení (nízky účinník, deformovaný priebeh napätia a prúdu, nárazové dodávky), preto sa mu niektorí dodávatelia elektrickej energie bránia.

Táto sústava sa používa v Portugalsku, Veľkej Británii, na severe Francúzska, v Dánsku, Maďarsku, Bielorusku, Rumunsku, na Litve, Ukrajine, celom Balkáne a v južnej časti Česka a Slovenska.

Napájacie sústavy na Slovensku[upraviť | upraviť zdroj]

Na 1 556 km elektrifikovaných tratí Železníc Slovenskej republiky (s výnimkou úzkorozchodných) sú použité sústavy:

Body styku sústav[upraviť | upraviť zdroj]

Externé odkazy[upraviť | upraviť zdroj]

Zdroje[upraviť | upraviť zdroj]

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Železniční napájecí soustava na českej Wikipédii.

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. a b Stanislav Gregora, Jaroslav Novák: Modernizace trakčních pohonů vozidel elektrické trakce, Vědeckotechnický sborník 17/2004, České dráhy