Železniční napájecí soustava
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Železniční napájecí soustava (trakční soustava) je soubor technických zařízení, které slouží k přenosu elektrické energie ze stabilní soustavy do trakčních vozidel (například lokomotiv).
Napájecí soustavy lze rozlišovat podle několika hledisek:
- použití trolejového vedení nebo napájecí kolejnice
- použití střídavého nebo stejnosměrného proudu
- provozního napětí
V případě střídavého proudu se napájecí soustavy dále liší použitou frekvencí.
Elektrická železniční doprava používá v Evropě z historických důvodů tyto napájecí soustavy:
- Stejnosměrné
- Střídavé
Rozdílným napájecím soustavám odpovídá i rozdílná elektrická výzbroj lokomotiv. Pro průjezd tratěmi s více napájecím soustavami jsou konstruovány speciální vícesystémové lokomotivy. Jejich význam roste i v souvislosti se sjednocováním Evropy a tím i vzrůstem dálkové přepravy. V tomto směru je ovšem daleko větší překážkou různost zabezpečovacích zařízení.
Obsah |
[editovat] Současnost
Z dnešního hlediska je nejperspektivnější soustava 25 kV, 50 Hz. Tato soustava vykazuje nejmenší ztráty způsobené přenosem a trakční napětí se dostane snadno pouze transformací z běžné elektrické soustavy. Vzhledem k tomu že dnešní moderní lokomotivy jsou vybaveny asynchronními motory s frekvenčními měniči tak není problém s regulací této soustavy. Dříve se v lokomotivách používaly zejména stejnosměrné motory v sériovo-paralelním zapojení s neřízenými křemíkovými usměrňovači. Od této koncepce se však již dnes ustupuje. Ostatní soustavy se používají z historických a ekonomických důvodů. Je dostatek lokomotiv pro tyto soustavy a předělání trati na jinou soustavu by bylo velmi drahé (Znamenalo by např. výměnu všech izolátorů, napájecích stanic, zabezpečovacího zařízení, atd.).
Vyšší trakční napětí 25 kV nebo 15 kV je nezbytné i pro provoz při vyšších rychlostech. Tepelné namáhání sběrače na 3 kV je mnohem vyšší, než na 25 kV či 15 kV protože přes něj teče mnohem vyšší proud (P=U*I pro 25 kV je to 8,3 x nižší a pro 15 kV je proud 5 x nižší). Taktéž průřezy vodičů trakčního vedení jsou větší a přítlak sběrače (a tím i opotřebení) vyšší.
Lokomotivy či soupravy pro vyšší rychlosti (200 km/h až 300 km/h) mají vyšší výkon (typicky až 8 MW) a trakce 3 kV už není schopna dobře přenášet odpovídající proudy. Sběrače u vícesystémových lokomotiv jsou v Česku řešeny jako univerzální, přičemž v závislosti na druhu napájecího systému se pouze mění tlak v pneumatickém válci a tím i přítlak k troleji.
V sousedních zemích spíše používají několik (až 4) sběračů lišících se šířkou ližiny, přítlakem a materiálem obložení podle požadavků té které železniční správy, přičemž navíc pro ss systém je vždy třeba dvou shodných sběračů. Firma Siemens došla u typu 64 ES (Taurus) závěru, že z hlediska napájení nelze vyrobit univerzální evropskou lokomotivu, o zabezpečovacím zařízení ani nemluvě.
[editovat] Soustava 16 2/3 Hz (dnes 16,7 Hz)
Střídavé napětí o zvláštní frekvenci 16 2/3 Hz se používá stále například ve Švýcarsku, Německu a Rakousku z historických důvodů. Tuto frekvenci lze totiž ještě stále transformovat za použití běžných transformátorů (transformátor je pouze větší protože musí obsahovat více železa) a navíc je možno takto nízkou frekvenci ještě přímo použít pro napájení stejnosměrných elektrických motorů bez použití usměrňovače.
Příčinou, proč komutátorový motor komutuje podstatně hůř při střídavém napájení, než při stejnosměrném, je transformační napětí, které se v kotvě indukuje od časově proměnného pole hlavních pólů. Usměrňovat na lokomotivě střídavý proud na stejnosměrný nebylo dříve vůbec snadné, byla k tomu potřeba těžká a rozměrná rotační soustrojí (motorgenerátory) nebo rtuťové usměrňovače, které potřebovaly ke svému provozu výsoký stupeň vakua. Proto byl kmitočet střídavého napájecího napětí snížen třikrát. V Evropě z obvyklých 50 Hz na jednu třetinu, tedy na 16 2/3 Hz. Celočíselný poměr 3 byl zvolen z důvodu realizace rotačních konvertorů a to na bázi šestipólového synchronního motoru a dvoupólového alternátoru. Snížení kmitočtu na jednu třetinu se ukázalo jako rozumný kompromis mezi zvětšením rozměrů transformátorů, ke kterému pochopitelně došlo a zlepšenou komutací trakčních motorů, které bylo dosaženo s vynálezem komutačních pólů. Nižší kmitočet se též příznivě projevil ve snížení impedance trakčního vedení a spolu s použitím dostatečně vysokého napětí napomohl ke snížení počtu napájecích stanic, neboť ty jsou díky poměrně malým úbytkům napětí schopny napájet poměrně dlouhé úseky.
Snížením kmitočtu a zavedením fázově posunutých pomocných pólů komutátorových trakčních motorů se již v prvé dekádě dvacátého století podařilo dovést jednofázový systém do úspěšného stavu technické použitelnosti a některé železnice jím začaly své tratě elektrizovat.
Toto řešení se zejména používalo ještě před vynálezem výkonových křemíkových usměrňovačů. Jinak použití této frekvence přináší spíše nevýhody - nutnost budovat speciální elektrárny či rotační měniče (dříve) nebo dnes polovodičové měniče z běžné síťové frekvence 50 Hz na výrobu trakčního napětí o frekvenci 16 2/3 Hz (dnes 16,7 Hz z důvodů omezení harmonických) a napětí 15 kV.
[editovat] Soustava 16,7 Hz
Rozvoj polovodičové techniky též mírně modifikoval jmenovitou hodnotu kmitočtu. Poměr 1 : 3, tedy 16 2/3 Hz : 50 Hz, poplatný době používání rotačních měničů v systému napájení, byl v období elektronických měničů změněn na nesoudělný poměr 16,7 Hz : 50 Hz a to z důvodu zamezení vzniku rezonančních jevů (záznějů) v rozvodné síti.
[editovat] Podívejte se také
[editovat] Externí odkazy
- Mapa trakčních soustav na území ČR - na serveru http://historie-trati.wz.cz/
- Mapa sítě ČD, včetně zobrazení trakčních proudových soustav - na serveru http://www.cd.cz/
- Mapa trakčních soustav v Evropě, s uvedením dalších parametrů důležitých pro interoperabilitu - na serveru Trainspotting Bükkes
- Střídavá trakční soustava - na serveru http://www.k-report.net
