Zajímá Vás systém napájení železnic, trendy a souvislost s elektrizační soustavou v ČR? Pokud ano, tak právě tento seriál o napájecích soustavách železnic může být pro Vás! Série příspěvků Vás seznámí s nejrozšířenějšími způsoby napájení trakčních vedení železnic a sítí elektrifikované městské dopravy a tématy, které s napájením trakčních vedení úzce souvisí. Zabředneme tak i do oblasti energetiky, výkonové elektroniky či komunikační techniky s cílem vytvořit povědomí o tom, co vše se pod pojmem „elektrické napájení železnic“ skrývá.

V prvním díle si představíme železniční síť v České republice z pohledu trakce a představíme si trakční napájecí systémy, které se v ČR vyskytují.

Trakční napájecí systémy v ČR

Elektrifikovaná železnice byla symbolem ekonomického rozvoje v poválečném období minulého století. Železniční doprava, za války poháněná především parními lokomotivami, byla klíčová pro dopravu zboží a materiálu na středně dlouhé a dlouhé vzdálenosti. Zde se nabízí otázka, proč právě elektrická trakce se ukázala jako nejvhodnější, když elektřina pocházela (a z velké části stále pochází) z fosilních zdrojů. Důvodem byl především jednodušší transport energie ze zdroje do lokomotivy, teoretická nevyčerpatelnost zdroje z pohledu lokomotivy (elektrické vedení vs. omezený zásobník paliva), lepší dynamika jízdy (větší akcelerace), jednodušší údržba lokomotiv, snížení hlučnosti a lokálních emisí a nakonec možnost rekuperace energie (i když v počátcích elektrifikace se rekuperace nepoužívala).

Stejnosměrná (DC – Direct Current) napájecí soustava (600 V, 750 V, 1500 V, 3 kV)

V počátcích byly tratě elektrifikované výhradně pomocí DC vedení a to zejména z důvodu absence vhodné regulace střídavého (AC – Alternating Current) pohonu aplikovatelného do lokomotiv. Jako vhodný pohon pro železniční vozidla se totiž ukázal stejnosměrný motor s komutátorem a s regulací pomocí odporových předřadníků (podrobněji v dalším díle). Tento způsob regulace pohonu je mimochodem stále k vidění u některých v současnosti provozovaných lokomotiv.

Napájecí systém železnic byl původně na úrovni 1500 V a poté 3 kV. Vyšší úroveň napětí umožňuje použití hnacích jednotek vyšších výkonů, protože při stejném proudu (použití stejného průřezu troleje) a vyšším napětí lze přenést větší výkon dle:

Při stejném výkonu vedení protékají drátem menší proudy, úbytek napětí na odporu vedení je tedy menší ({\Delta U = R \cdot I}) a napájecí stanice (měnírny) mohou být dále od sebe (typicky 20 km). V současné době je systém DC 3 kV rozšířen v severní části území ČR jako pozůstatek koncepce elektrifikace železnic po 2. světové válce.

Napájení trakčních vedení na nižších úrovních napětí (DC 600 V a 750 V) je typické pro městské sítě hromadné dopravy – tramvaje, trolejbusy, metro. Tyto sítě jsou specifické zejména velkou hustotou dopravních prostředků a měníren, které jsou napájeny ze sítě 22 kV.

AC napájecí soustava (25 kV, 50 Hz)

Napájecí soustava 25 kV, 50 Hz byla budována od 60. let 20. století. Vyznačuje se možností provozu lokomotiv o větším jednotkovém výkonu (např. 6.4 MW lokomotiva Siemens Vectron) v souvislosti s úbytky napětí. Vyšší napětí umožňuje také umístění napájecích stanic dále od sebe (až 60 km) a tím snížit náklady na výstavbu napájecí infrastruktury. Napájecí soustavu 25 kV, 50 Hz využívají například francouzské vysokorychlostní soupravy TGV. V České republice je tato soustava rozšířená v jižní části republiky a v budoucnu bude nahrazovat stejnosměrné sítě 3 kV v rámci naplňování cílů Ministerstva dopravy a to zejména v oblastech:

• zvýšení výkonnosti železniční dopravy výkonnějším napájením;
• zvýšení energetické účinnosti snížením ztrát ve vedení;
• snížení nákladů na elektrizaci dalších tratí;
• kompatibilitu napájení vysokorychlostních tratí s konvenční železniční sítí;
• zefektivnění vozby vlaků lepším využitím trakčních vlastností moderních hnacích kolejových vozidel [3].

Trakční soustava 25 kV 50 Hz bude použita i pro budoucí vysokorychlostní tratě (VRT) v ČR.

Nezávislá trakce

V současné době existuje v České republice velké množství tratí (asi 68 %), které nejsou elektrifikovány. Hovoříme o tzv. nezávislé trakci a tento způsob pohonu je výhodný zejména na méně frekventovaných tratích menšího významu. Ačkoliv v ČR je velké procento tratí s nezávislou trakcí, musíme si uvědomit, že je to dáno poměrně hustou sítí železničních tratí a že většina přepravy se odehrává na elektrifikovaných tratích.

Provoz vozidel s nezávislou trakcí (VNT) na elektrifikovaných tratích je možný, nicméně v ČR byl tento druh provozu do r. 2015 zpoplatněn. Motivace dopravců používat VNT na elektrifikovaných tratích spočívá v nutnosti více druhů lokomotiv pro trasy využívající i neelektrifikovanou trať a zavedení příspěvku na obnovitelné zdroje energie do ceny elektrické energie. Na neelektrifikovaných tratích jsou zatím dieselové lokomotivy výhradním VNT. V budoucnu lze očekávat nahrazování dieselových vozidel vozidly využívající vodík či stlačený zemní plyn (CNG), zejména v kontextu snižování emisí CO2 v dopravě. [4]

Za zmínku stojí nezávislá trakce v USA. Železniční síť v USA vznikala masivně již v průběhu 19. století a měla za úkol propojit sídla vzdálené i několik set kilometrů od sebe. Dnešní síť vznikla na těchto základech, je určena především pro transkontinentální nákladní dopravu a železniční tratě jsou zde v soukromém vlastnictví. V kombinaci s relativně nízkou hustotou zalidnění (a tím i menší nízkou koncentrací energetických zdrojů) v centrální části USA je problematické tratě elektrifikovat, protože elektrifikace vyžaduje významné finanční investice. Navíc, enviromentální politika USA není svými důsledky tak striktní v porovnání se situací v Evropě. To vše přispívá k tomu, že v USA je výhodné provozovat VNT. [5]

Zdroje:

1. Železniční napájecí soustava. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-08-13]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BDelezni%C4%8Dn%C3%AD_nap%C3%A1jec%C3%AD_soustava
2. DOLEČEK, Radovan a Ondřej ČERNÝ. Trakční napájecí soustavy. Pardubice, 2015. ISBN 978-80-7395-880-0.
3. Ministerstvo dopravy ČR – Železniční doprava: Koncepce přechodu na jednotnou napájecí soustavu na české železniční síti [online]. [cit. 2020-08-25]. Dostupné z: https://www.mdcr.cz/Dokumenty/Drazni-doprava/Zeleznicni-infrastruktura/Koncepce-prechodu-na-jednotnou-napajeci-soustavu-n
4. Česko chce zelenější železnici. Dieselovým soupravám hrozí pokuty. In: Idnes.cz [online]. [cit. 2020-08-25]. Dostupné z: https://www.idnes.cz/ekonomika/doprava/zeleznice-vlak-diesel-zivotni-prostredi-ministerstvo-dopravy.A200810_180639_eko-doprava_mato
5. Electrification of U.S. Railways: Pie in the Sky, or Realistic Goal? EESI – Enviromental and Energy Study Insitute [online]. [cit. 2020-08-25]. Dostupné z: https://www.eesi.org/articles/view/electrification-of-u.s.-railways-pie-in-the-sky-or-realistic-goal