Napájecí soustavy železnic: Úvod

Úvod do trakčních soustav a problematiky rekuperace

Autor , 11. listopadu, Trakce

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:

{P = U \cdot I}\; \; \; \; \; \; (1)

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.

 

Obrázek 1-  Železniční síť ČR, Systémy trakčních proudových soustav. [Zdroj: Správa železnic]

 

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:

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

Napsat komentář