Trakční proud

Trakčním proudem se rozumí dodávka energie pro elektrické železnice , zejména pro pohon lokomotiv . Napájení elektrického proudu probíhá prostřednictvím sběračů proudu , které jsou v kluzném kontaktu s trolejovým vedením nebo přípojnicemi připojenými podél trasy trasy . Obvod je opět uzavřena prostřednictvím kolejnic jako zpětný vodič , příležitostně, například B. v londýnském metru je použita přídavná napájecí kolejnice.

Historicky se v různých zemích nebo u různých železničních společností vyvíjely různé elektrické systémy, které jsou často nezávislé na veřejné elektrické síti dané země.

Trakční proud trolejového vedení na portálovém stožáru ( Švýcarské spolkové dráhy )

Vodičské kolejnice na hamburské S-Bahn

Tři systémy trakčního proudu severně od londýnské stanice Farringdon : levý pár kolejí pod zemí se stejnosměrným proudem přes dvě vodivé kolejnice, pravý pár kolejí vedení Thameslink se spojitým trolejovým vedením 25 kV 50 Hz a začátek 750 V linka běžná v jižní Anglii Busbar

Německá konstrukce trolejového vedení poblíž Thayngenu, Švýcarsko (2018) 15 kV 16,7 Hz47,745456 8,703893

příběh

Po zavedení železnice v Německu v roce 1835 byly na konci století provedeny první experimenty s různými elektrickými systémy a motory, přičemž v Německé říši v roce 1912 převládalo 15 kV s 16 ² / ₃  Hertze.

Vzhledem k technicky nenáročnou ovladatelnost a vysokou Klidový moment, což se ukázalo DC - řada motoru jako ideální pohon pro kolejová vozidla. Takové motory však nesnesou vysoké napětí a vyžadují vyšší proudy , které zase vyžadují velké a drahé průřezy trolejového vedení nebo přípojnice. S větší vzdáleností mezi zastávkami je proto ekonomičtější napájet lokomotivy střídavým proudem s vyšším napětím a instalovat transformátor ; energie potřebná pro jeho neustálý transport je menší, než by to byly ztráty v kilometrových trolejích.

Hmotnost transformátoru je v podstatě určena jeho železným jádrem. To je zase přibližně nepřímo úměrné frekvenci střídavého proudu. Vzhledem k regulovatelné technologii v konstrukci transformátorů převládala v evropských sítích frekvence 50 Hz. Nicméně, vzhledem k kartáčových požárů rozvojových na kolektory , nebylo možné provozovat řady motorů v požadovaném rozsahu výkonu při frekvenci 50 Hz. Proto byly vytvořeny trakční energetické sítě s frekvencí 25 Hz a 16 ² / ₃  Hertzů. Aby bylo možné generovat trakční proud z elektrické sítě 50 Hertz s rotujícími synchronními měniči , byly vybrány dělící faktory 2 a 3 Sítě byly od té doby změněny na 16,7 Hertz, přičemž 16 ² / ₃  Hertz je v toleranci.    

Díky současnému stavu techniky v oblasti výkonové elektroniky již není snížená frekvence střídavého proudu povinná. Moderní vozidla jsou většinou vybavena stejnosměrnými motory se jmenovitým napětím 6 kV, s transformátorem s primárním napětím 25 kilovoltů a odbočkou na 15 kilovoltů, lze je vybavit jako vícesystémová vozidla. Přepnutí trakčního proudu na 25 kilovoltů není v současné době v oblasti Deutsche Bahn možné, protože není požadována zvýšená bezpečná vzdálenost mezi trolejovým vedením a stávajícími mosty. U nových budov jsou ale plánovány větší vzdálenosti. Probíhající celoevropská standardizace systémů trakčních proudů je relativně malým problémem přeshraničního provozu, dodatečné náklady na transformátor ve vícesystémových vozidlech jsou nízké ve srovnání s náklady na systémy vícenásobného řízení vlaků a vnitrostátní schvalovací postupy.

Načasování možného přepnutí trakčního proudu v Německu je navíc ovlivněno životností starších řad se střídavými motory , které je obtížné převést. Řady 103 , 141 a 150 již byly vyřazeny z provozu, řady 110 , 140 , 139 a některé novější příklady 111 a 151 zůstávají mezi standardními lokomotivami . I když budou Reichsbahn řady 112 , 114 , 143 a 155 v důchodu, zůstanou v portfoliu Deutsche Bahn pouze třífázové lokomotivy . Přechod je pak relativně snadný; na oplátku není potřeba udržovat nezávislou vysokonapěťovou síť 110 kilovoltů a rozvodny lze připojit k vysokonapěťovým sítím obecných energetických společností. Jelikož vysokonapěťové sítě již byly zřízeny, není třeba jednat a vyřazení starších řad z provozu může trvat desítky let.

V poválečném období padlo rozhodnutí nahradit velké plochy parních lokomotiv elektrickými lokomotivami. V té době bylo elektrifikováno pouze 5% tratí, takže volba elektrizační soustavy byla nová. Abychom nebyli závislí na RWE, byly přijaty menší technické nevýhody a jediné řešení ve střední Evropě a byla zřízena nezávislá síť trakčního proudu .

Energetické systémy

DC napětí

Železniční vlastní elektrárna na stejnosměrné napětí 300 V Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft z roku 1884

Na straně vozidla je DC nejjednodušším řešením. Stroje řady DC jsou dlouhodobě nejlepšími elektrickými stroji, které jsou k dispozici pro pohon vozidel. To se změnilo až s polovodičovou výkonovou elektronikou, která byla postupně dostupná od 70. let minulého století. Elektrárna Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft postavená v roce 1884 generovala stejnosměrný proud o napětí 300 V pro první komerčně provozovanou elektrickou tramvajovou trať Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft .

Protože vozidla potřebovala stejnosměrný proud, bylo dříve zřejmé, že jim bude dodáván stejnosměrný proud z trolejového vedení . Největší nevýhodou přímého napájení vozidel stejnosměrným proudem je nízké možné napětí nadzemního vedení, které zvyšuje proudy proudící se stejným výkonem a tím i ztráty v trolejovém vedení. Protože ve vozidle nemůže proběhnout žádná transformace, je napětí omezeno izolačními vlastnostmi izolačních materiálů použitých v motorech, obvykle na 1500 voltů nebo 3000 voltů.

Nedostatek hlavního transformátoru ve vozidle však nemusí být nevýhodou, protože to znamená, že vozidlo může být stavěno kratší se stejným výkonem, a proto může projíždět těsnějšími poloměry křivek. Dále je také možné ponechat volný profil níže a vybavit hnací vozidlo spojitou plošinou.

Tam, kde jsou požadovány pouze relativně malé výkony vozidla, například v tramvajích , nebo kde jsou z mechanických důvodů použity velké průřezy vodičů, např. B. v přípojnicovém provozu ( metro ), proto se používá hlavně stejnosměrný proud. Kromě toho, kvůli jejich blízkosti k zemi a výsledným malým izolačním vůlím, přípojnice mohou být provozovány pouze s nízkým napětím (obvykle 500 až 1200 voltů). V případě tramvají by bylo možné realizovat velké izolační vzdálenosti, ale síť trolejového vedení středního napětí v mezích městských ulic mezi budovami by byla příliš nebezpečná. V případě lehkých kolejových vozidel mají menší izolační vzdálenosti za následek nižší světlý profil a tím i značnou cenovou výhodu při stavbě tunelů ve městě.

Zakřivení a profil menší vůle také hrají roli v elektrifikovaných průmyslových železnicích. Ve Strossengleisenu povrchových dolů a zejména v boxových uličkách dokonce i často používaná postranní trolejová vedení pohání pohonné jednotky poté také s vysunutými pantografy pouze tak vysoko jako auto. Nízké provozní napětí je zde dokonce výhodou, protože létající konstrukce dorazů by ztěžovala realizaci nákladných izolačních opatření.

Chybějící hmotnost transformátoru, na druhé straně, často musí být kompenzováno závaží tak, že vozidlo nemá smyku při rozjezdu . Závaží lze však nenápadně rozložit na podlahu vozidla.

Ačkoli tyto výhody provozu na stejnosměrný proud nelze na železnici hlavní řady hrát, v některých zemích se používá, např. B. v Itálii, Slovinsku, Nizozemsku, Belgii, východní Evropě, Španělsku, jihovýchodní Anglii, jižní Francii, Jižní Africe a Japonsku. Je to z historických důvodů, byly tam také postaveny nové tratě pro vysokorychlostní provoz s energetickým systémem 20-30 kilovoltů a 50 nebo 60 Hertzů.

V železničních tratích s provozem na stejnosměrný proud je běžné kontaktní napětí 3000 voltů. Pouze Nizozemsko, Japonsko a Francie používají 1500 voltů a jihovýchodní Anglie pouze 750 V (přes přípojnice vedle kolejí). Vzhledem k tomu, že výkon trakčních vozidel je velmi vysoký, jak je typické pro plné železnice, v trolejovém vedení proudí vysoké proudy, a proto musí být navržen odlišně, často existuje několik vodičových kabelů. Pantografy lokomotiv musí být také navrženy odlišně, protože oblouky se neuhasí stejnosměrným provozem. Obzvláště výkonné trakční vozy musí k trolejovému vedení připojit několik sběračů , což může způsobovat problémy v důsledku vibrací v trolejovém vedení.

Zásadním problémem při provozu na stejnosměrný proud je výkon a tím i rychlostní regulace.Jednou z možností, která se vždy používá v elektrických hnacích vozidlech, je volitelná řada a paralelní připojení trakčních motorů. Pokud existují více než dva trakční motory, jsou tyto obvykle spínány pouze ve dvou skupinách, protože izolace stále umožňuje paralelní provoz pouze 3000 voltů. Díky této možnosti přepínání nabízí vozidlo pouze tři rychlostní stupně (pouze jeden motor / skupina, sériové připojení, paralelní připojení). Zjevná možnost přesnějšího ovládání výstupu motorů změnou provozního napětí, jak se to dělá v AC provozu odbočkami na hlavním transformátoru, není v DC provozu možná, protože napětí kontaktního vodiče je pevné.

Konvenční stejnosměrná vozidla proto mají alespoň jednu ze dvou dalších možností řízení výkonu, někdy obě:

• Na jedné straně může být proud omezen sériovými odpory, což snižuje točivý moment a tím i rychlost vozidla. Nevýhodou je vysoká spotřeba energie v mezilehlých převodových stupních, protože přebytečná elektrická energie je „spálena“. Výhodou je, že odpory lze použít také k brzdění vozidla, což znamená, že mechanický brzdový systém lze zmenšit a méně podléhat opotřebení. Tuto možnost využívají zejména starší tramvajová vozidla; odpory sedí na střeše vozidla kvůli odpadnímu teplu.
• Alternativně nebo dodatečně může být točivý moment a tím také rychlost vozidla ovlivněna oslabením pole . Stabilní rozsah nastavení je u sériového stroje malý, více než tři úrovně jsou vzácné.

Tato nevýhoda provozu se stejnosměrným proudem se nevztahuje na moderní vozidla, ve kterých jsou stejnosměrné motory napájeny přes řízení střídače pomocí výkonové elektroniky nebo je stejnosměrný proud převáděn na třífázový proud pomocí frekvenčního měniče, takže jednoduchý a lze použít robustní asynchronní motory . Přesto je v moderních vícesystémových trakčních vozidlech výkon pod stejnosměrným proudem obecně nižší, protože nevýhoda vyšších proudů, které mají být přenášeny vzhledem ke střídavému proudu, zůstává beze změny.

Napájení železnic provozovaných stejnosměrným proudem probíhá od 20. let 20. století usměrňováním v rozvodnách napájených veřejnou sítí, přičemž v minulosti se používaly usměrňovače rtuťové páry a dnes polovodičové usměrňovače . Rozvodny jsou obvykle napájeny ze sítě vysokého napětí , a to i na hlavních tratích .

Střídavé napětí

Pokud jde o veřejné napájení elektřinou, lze střídavé napětí snadno generovat ( generátor ) a převádět a distribuovat v transformátorech .

Energetický systém pohonu musí být odlišen od systému napájení. Pro každou aplikaci existuje vhodná možnost pro připojení jakéhokoli napájecího systému na straně pohonu a sítě pomocí výkonové elektroniky . V případě elektronicky řízených kolejových vozidel s odpovídajícími měniči může tok elektrické energie probíhat v obou směrech, tzn. H. Při zrychlování čerpá vozidlo elektrickou energii ze systému napájení a při brzdění se část elektrické energie vrací zpět do sítě.

Jednofázové systémy

Střídavé napětí se standardní průmyslovou frekvencí

Největší světovou distribucí v železnici je střídavé napětí s frekvencí národní sítě (většinou 50 Hz, v USA a někdy v Japonsku 60 Hz).

Provozní napětí je většinou 25 kilovoltů, v USA ( Lake Powell Railroad ) a Jižní Africe ( rudná železnice Sishen - Saldanha Bay ) existují železnice s 50 kilovolty.

Výhodou použití standardní síťové frekvence je, že ji lze snadno napájet z veřejné elektrické sítě, alespoň teoreticky. V praxi však v průmyslové síti existuje riziko nevyvážených zátěží . Aby se zabránilo 20-60kilometry být řetězovka -abschnitte střídavě na třech různých fázích na 50 Hz síť připojena. V trolejovém vedení jsou mezi úseky trolejového vedení uspořádány úseky fázové ochrany , které musí trakční vozidla s hybností řídit a vypnout hlavní vypínač. 50 železnic Hertz lze napájet pouze z veřejné energetické sítě v místech s nejvyšším výkonem sítě, kde je nevyvážené zatížení v procentech zanedbatelné. Jinak jsou požadována vlastní vysokonapěťová vedení železnice .

Zpočátku bylo nevýhodné, že požadované motory byly velké a nebyly vhodné pro vysokou frekvenci, takže střídavý proud musel být usměrněn a byla k tomu zapotřebí výkonová elektronika . To vyžadovalo výkonové usměrňovače, technologii, která byla zvládnuta teprve na počátku čtyřicátých let minulého století. Na počátku se používaly také usměrňovače rtuťové páry ; Polovodičové usměrňovače získaly přijetí až v šedesátých letech minulého století.

Napětí bylo zpočátku regulováno pomocí proměnných transformátorů, jako u lokomotiv provozovaných se sníženou frekvencí, později byla použita regulace pomocí fázového řízení, typicky s tyristory .

Střídavý proud se sníženou frekvencí

Jednofázový transformátor pro 16 ² / ₃   Hertzů ve vodní elektrárně Hakavik

V některých evropských zemích (Německo, Rakousko, Švýcarsko, Švédsko, Norsko) železnice běží na jednofázový střídavý proud s frekvencí o 16 ² / ₃   Hertz nebo 16,7 Hertz namísto 50 Hertz , která je nižší , než je veřejné moci mřížky . Výjimkou je Rübelandbahn , která funguje na 50 Hz a 25 kV a je napájena přímo z veřejné sítě.

Existují také systémy trakčního proudu s 25 Hertz. Sekce New York - Washington sítě východního pobřeží v USA a Mariazellská železnice v Rakousku jsou s touto frekvencí provozovány dodnes .

Protože střídavé napětí umožňuje transformaci napětí kontaktního vodiče na napětí vhodné pro motory, lze zvolit výrazně vyšší napětí kontaktního vodiče než při provozu na stejnosměrný proud (původně kolem 5 000 voltů, nyní 15 kilovoltů v zemích uvedených na začátku roku sekce). Transformátory byly navrženy jako variabilní transformátory (viz také přepínač odboček pro výkonové transformátory ) a umožňují regulaci napětí bez použití ztrátových odporů. Hmotnost transformátorů je faktorem omezujícím výkon v elektrických lokomotivách , s výjimkou moderní konverze pomocí polovodičů .

Frekvence, která je nižší než u veřejných rozvodných sítí, byla zvolena na počátku 20. století, protože nebylo možné provozovat velké jednofázové elektromotory na vysokých frekvencích, protože takzvané napětí transformátoru způsobilo nadměrné jiskření na komutátoru . Z historických důvodů byly použity strojní měniče nebo generátory, jejichž rozteč pólů byla rozdělena na tři síťová frekvence 50 Hz, tj. 16 ² / ₃   Hertzů jako frekvence trakčního proudu. Skutečná hodnota frekvence však kolísala v závislosti na konstantní rychlosti generátoru.

Při převodu železniční energie pomocí synchronně-synchronních měničů je frekvence kolejového proudu v praxi přesně jedna třetina aktuální síťové frekvence národní napájecí sítě. Takové převodníky jsou v provozu mimo jiné ve Švédsku a severovýchodním Německu.

Navzdory rozšířenému používání systému 50 Hz ne všichni odborníci dnes považují systém 16,7 Hz za podřadný. Jak již bylo zmíněno, zásobování železniční trati 50 Hz z národní sítě není bez problémů kvůli riziku nevyváženého zatížení. Snížená frekvence sítě má také tu výhodu, že poklesy napětí způsobené jalovým výkonem jsou jen o třetinu větší. Na druhé straně transformátory musí být větší a rozvodny nelze napájet přímo z veřejné energetické sítě. Z tohoto důvodu jsou často udržovány zcela nezávislé sítě s trakčním vedením . Síť trakčního proudu také umožňuje vyrábět nebo nakupovat elektřinu na nejlevnějším místě. Stožáry v této síti mají obvykle dva páry vodičů (2 × jednofázové vedení).

Studie zadaná Federální síťovou agenturou ukázala, že síť trakčního proudu je vhodná pouze pro nadregionální vyvažování obnovitelné energie s velkým úsilím .

16 ² / ₃  Hz oproti 16,7 Hz

Převodník pro trakční proud s 25 MVA v konvertorovém závodě v Karlsruhe

Síťová frekvence sítě trakčního proudu, stejně jako frekvence sítě 50 Hertz evropské sítě , je udržována v určitém tolerančním rozsahu. Aktuální skutečná frekvence sítě závisí mimo jiné na aktuální poptávce a aktuální dodávce elektrické energie, a proto kolísá. Rozsah tolerance pro systémy 16,7 Hertz v síti trakčního proudu je 16,5 Hertz až 16,83 Hertz během 99,5% roku a 15,67 Hertz až 17,33 Hertz během zbývajících 0,5% roku.

Převaděče se mimo jiné používají k vyvážení výkonu mezi sítí trakčního proudu a propojenou sítí . Zpravidla se používá jednofázový synchronní stroj a třífázový asynchronní stroj s trojnásobným počtem pólů synchronního stroje. Jeden stroj pracuje jako motor, druhý jako generátor. Se používají dvojité krmených asynchronní stroje , je skluz je nutné. Tok výkonu se nastavuje pomocí ovladače přes obvod rotoru s kluznými kroužky .

Protože žádaná hodnota síťové frekvence v evropské síti 50 Hz je přesně trojnásobek hodnoty  předchozí požadované hodnoty 16 ² / ₃  Hertzů v síti trakčního proudu, v minulosti, zejména v dobách nízkého zatížení, jako např. v noci byl skluz požadovaný pro asynchronní stroj nulový. V tomto synchronním běhu dochází k nežádoucí stejnosměrné složce na jedné fázi v obvodu rotoru, což vede k nerovnoměrnému tepelnému zatížení stroje a v extrémních případech může spustit tepelnou provozní ochranu a nouzové vypnutí.

 Posunutím žádané hodnoty frekvence regulace od roku 1995 z 16 ² / ₃  Hertz na 16,7 Hertz nyní je zaručen nízký skluz v asynchronním stroji i v provozních dobách s nízkým zatížením; to odpovídá odchylce 0,2% a je v rámci přípustný rozsah tolerance. V důsledku toho je v tomto nehybném případě pomalu rotující složka stejnosměrného proudu rovnoměrně rozložena na fáze obvodu rotoru a kartáče kluzných kroužků, které také rozdělují tepelné zatížení a zabraňují místním špičkám. I s novou požadovanou frekvencí 16,7 Hertz může v nastaveném stroji krátce dojít k nežádoucímu synchronnímu provozu, pokud frekvence kolísá, ale toto je pouze dočasná událost kvůli regulaci a nemůže nastat jako ustálený provozní stav. Tím se udržuje tepelné zatížení součástí převodníku v přípustných mezích.

Skutečnost, že bylo vybráno přesně 16,7 Hertze, nemá hlubší význam. Pokud by však byl posun příliš velký, došlo by k problémům s lokomotivami, jejichž technologie je navržena pro frekvenci 16 ² ⁄ ₃   Hertzů. Sítě trakčního proudu v Německu, Rakousku a Švýcarsku přepnuly cílovou frekvenci na 16,7 Hertz 16. října 1995 ve 12:00 . U blízkých spojek HVDC založených na výkonové elektronice nehraje roli frekvence kolejí, ani nehraje roli v sekcích, které jsou elektricky izolované od zbytku železniční sítě a které jsou provozovány s rotujícími měniči ze synchronních stroje.

Dvoufázové systémy

Dvoufázové systémy jsou také známé jako „dvounapěťové systémy“ nebo systém autotransformátorů . Takové systémy lze nalézt na různých vysokorychlostních železničních tratích elektrifikovaných 50 Hertz ve Francii i v Belgii, Nizozemsku, Lucembursku a Itálii. Pro sítě provozované na 16,7 Hertz je v provozu pouze jeden pilotní systém mezi Stralsundem a Prenzlau v Německu.

Třífázové systémy (třífázový proud)

Třífázový proud, přesněji třífázový střídavý proud , je díky dobrým vlastnostem třífázového motoru téměř předurčen pro železniční pohony, protože asynchronní motory jsou velmi robustní a vyžadují malou údržbu, protože nemají kartáče a mají relativně nízkou hmotnost ve vztahu k jejich výkonu.

Použití externě generovaného třífázového proudu

Většina historických aplikací třífázového pohonu pracovala s napájecím vedením prostřednictvím vícepólových venkovních vedení . Nevýhodou zde bylo, že asynchronní motory lze provozovat ekonomicky pouze při určitých rychlostech, které jsou závislé na frekvenci. V souladu s tím by pro změnu rychlosti jízdy bylo nutné změnit frekvenci na straně elektrárny, pokud by nebylo možné frekvenční převod na lokomotivě. To však bylo vhodné pouze pro experimenty, nikoli pro praktický provoz. Díky speciálnímu obvodu motorů (změna pólů) mohou být navrženy pro několik rychlostí, ale jemnozrnná nebo plynulá změna jako u stejnosměrných motorů není možná.

Třípólové trolejové vedení Královské pruské vojenské železnice

Další nevýhodou třífázového železničního systému je potřeba třípólového napájecího zdroje, který vyžaduje dvoupólové trolejové vedení, pokud jsou kolejnice použity jako jeden z pólů. To je však komplikované (zejména na výhybkách a přejezdech) a náchylné k selhání (riziko zkratu).

Ve skutečnosti se třífázové trakční proudové sítě používaly jen ve velmi omezené míře: V severní Itálii existoval delší dobu od roku 1912 do roku 1976 větší třífázový systém (3600 voltů 16 ² / ₃   Hertzů). Tyto Gornergratbahn (750 voltů 50 Hertz) a Jungfraubahn (1125 voltů 50 Hertz) stále běží na dnes třífázový proud, jak dělat Chemin de Fer de la Rhune (3000 voltů 50 Hertz) ve francouzských Pyrenejích a hory Corcovado železnice (800 voltů 60 Hz).

V letech 1901 až 1903 probíhaly zkušební jízdy s třífázovými vysokorychlostními železničními vozy na vojenské železnici mezi Marienfelde a Zossenem poblíž Berlína. Bylo použito třípólové trolejové vedení s dráty ležícími nad sebou, které byly poklepány na boku. 28. října 1903 tam byl stanoven světový rychlostní rekord pro všechny dopravní prostředky na 210,2 km / h, který byl zlomen až v roce 1931 s kolejovým zeppelinem, který dosáhl 230 km / h.

Pro Passion Play v roce 1900 byl Ammergaubahn elektrifikován třífázovým proudem v roce 1899 . Poté, co se nezdařila praktická operace, Siemens-Schuckertwerke úspěšně přeměnila napájecí zdroj a vozidla z let 1904–1905 na jednofázové střídavé napětí s 15 Hz.

Třífázový pohon s integrovanou třífázovou konverzí

Díky využití výkonové elektroniky mohou moderní lokomotivy využívat výhod třífázového proudu v jakékoli síti trakčního proudu, aniž by musely akceptovat jeho nevýhody, když jsou dodávány do vozidla. Napětí a frekvenci lze plynule regulovat elektronicky ( frekvenční měnič ). Tento typ pohonu se dnes stal běžnou praxí. První lokomotiva, která převede jednofázový střídavý proud s výkonovou elektroniku na palubě do třífázového proudu byl testovací lokomotiva Be 4/4 12001 ze na Švýcarské spolkové dráhy v roce 1972 . Motorový vůz 1685, který byl vyřazen po poškození požárem v roce 1967, byl v letech 1971-72 přestavěn na lokomotivu Be 4/4 (silnice číslo 12001) za účelem testování technologie měniče s třífázovými asynchronními stroji, podobnými používá se v německém DE 2500. Tyristory GTO však byly pro elektrickou lokomotivu použity poprvé na světě. To bylo zaparkované vadný v roce 1975 a zrušen v roce 1981. V lucernském muzeu dopravy se zachoval podvozek.

V roce 1979 první příklady třídy 120 v následoval Deutsche Bundesbahn . Existovaly také lokomotivy, u kterých byla palubní přestavba prováděna pomocí rotujících měničů.

Zdroj napájení

Napětí a frekvence dálkové železniční dopravy v Evropě

Trakční proud může být poskytován centrálně prostřednictvím trakčních elektráren a velkých frekvenčních měničů a poté distribuován prostřednictvím samostatné sítě trakčního proudu . K tomu dochází v zemích, kde se frekvence trakčního proudu liší od veřejné sítě, např. B. Německo, Rakousko, Švýcarsko.

V decentralizované struktuře je energie čerpána z veřejné sítě. Rozvodny v napájecích bodech mají statické měniče nebo rotační měniče, ve kterých je napětí a frekvence obecné elektrické sítě transformována na trakční proud ( decentralizovaný měnič nebo konvertorové stanice ). Pokud jsou vlaky a veřejná síť provozovány při 50 Hz, stačí jeden transformátor; síť trakčního proudu pak není nutná. Toto řešení je proto oblíbené ve Velké Británii, severní Francii a jihovýchodní Evropě, kde je napětí trolejového vedení 25 kV. Toto řešení je také upřednostňováno pro stejnosměrné železnice s 1,5 kV (včetně v Nizozemsku a jižní Francii) a 3 kV (například v Belgii, Polsku a Španělsku).

Hlavní rozdíl vůči centrálně dodávané síti trakčního proudu je v tom, že konvertorové stanice, zejména pro fázovou synchronizaci, jsou připojeny pouze paralelně se stejnými konvertorovými stanicemi prostřednictvím trolejového vedení. Oddělená trakční elektrická vedení nebo trakční energetické sítě zde nejsou k dispozici. To se praktikuje ve Švédsku, Norsku, Braniborsku, Meklenbursku-Předním Pomořansku a částech Saska-Anhaltska. V minulosti byly systémy z velké části řízeny na místě, ale dnes jsou v řídicích centrech odděleny lokálně .

Centrální zásobování

Síť trakčního proudu s centrálním napájením je napájena z elektráren, které jsou speciálně navrženy pro trakční proud a v Německu, Rakousku a Švýcarsku mají frekvenci odlišnou od zbytku elektrické sítě.

Energie je transportována prostřednictvím trakčního elektrického vedení do rozvoden na železniční trati. V rozvodně je napětí železničního elektrického vedení transformováno na napětí trolejového vedení a přiváděno do trolejového vedení . Síť trakčního proudu proto umožňuje transport energie do jiných oblastí bez frekvenční konverze. Použité převaděče nebo převáděcí zařízení jsou kvůli svému použití v síti pro výrobu energie označovány jako centrální převaděče nebo převáděcí zařízení .

Rozváděč byl dříve řízen v příslušném generátoru energie nebo v malých jednotkách dálkového ovládání a dnes v řídicích centrech . Nevýhodou této struktury je, že pokud selže napájecí jednotka, může být ovlivněna celá síť.

V Německu, Rakousku a Švýcarsku (16,7 Hertz) existují sítě trakčního proudu, které jsou také navzájem propojeny.

Elektřina pro pomocné systémy

Z důvodů dostupnosti sítě a provozní bezpečnosti je napájení trakčního napájení pro trakční a pomocné systémy obvykle řízeno samostatně. Z velké části standardizovaná evropská síť s frekvencí 50 Hz není kompatibilní se všemi trakčními napájecími sítěmi a jejich různými frekvencemi.

Varovný signál Deutsche Reichsbahn

Příklady použití

Mariazellerbahn má vlastní síť trakčního proudu s jednofázovým střídavým napětím 25 Hertz . Na této železnici je napětí ve vodičových kabelech trakčních elektrických vedení namontovaných na stožárech trolejového vedení 27 kilovoltů a v trolejovém vedení 6,5 kilovoltů.

V USA jsou některé tratě bývalé Pensylvánské železnice mezi New Yorkem, Philadelphií a Washingtonem stále provozovány s jednofázovým střídavým napětím se sníženou frekvencí (25 hertzů, ačkoli frekvence veřejné energetické sítě v USA je 60 hertzů), přičemž pouze osobní provoz funguje s elektrickou trakcí. Tyto železnice mají také vlastní vysokonapěťovou síť; vodiče vysokonapěťových vedení trakčního proudu jsou většinou montovány na stožáry trolejového vedení.

V italské dráhy vlastnil 1902-1976 pro dodávku jejich elektrifikované s AC liniemi (3600 volt 15 Hz), v severní Itálii přes pohon s napájecí sítí 60 kilovoltů trakce, který byl napájen z vodních elektráren a tepelné elektrárny. K napájení trolejového vedení byly použity také mobilní rozvodny.

V případě železnic provozovaných s jednofázovým střídavým napětím síťové frekvence nebo stejnosměrným napětím se energie potřebná pro provoz v rozvodnách získává propojením fází třífázového systému (v případě střídavých železnic) a s rektifikací (v případě DC drah). V těchto případech existuje pouze několik vyhrazených trakčních vedení.

Železniční elektrárny

Elektrárna Leverkusenstrasse v Hamburku, jedna z prvních železničních elektráren v Německu

Za účelem zajištění trakčního proudu provozují některé železniční společnosti nebo výrobci elektřiny, kteří s nimi spolupracují, speciální elektrárny . Generátory trakčního proudu pro střídavý proud se sníženou frekvencí jsou podstatně větší než generátory pro veřejnou elektrickou síť, přidružené turbíny jsou vyráběny na zakázku.

V některých případech existují kombinované systémy, které mohou volitelně také vyrábět běžnou síťovou elektřinu. Elektrárny DB jsou navíc propojeny s těmi rakouských a švýcarských spolkových drah a mohou si přímo vyměňovat trakční proud.

Konvertor / konvertorová zařízení

Mobilní převodník bývalého DR

Jak 2018, přibližně třetina trakčního proudu byla zakoupena z veřejné 50 Hz sítě prostřednictvím výměny elektřiny. Rozhraní mezi veřejnou sítí vysokého nebo extra vysokého napětí a vysokonapěťovou sítí trakčního proudu je tvořeno měničem trakčního proudu nebo závodem měniče trakčního proudu . Zatímco třífázový střídavý proud s napětím, jako je 220 kilovoltů nebo 380 kilovoltů a frekvencí 50 Hz, je pro veřejnou vysokonapěťovou síť běžný, vysokonapěťové sítě s trakčním proudem mají téměř všude pouze jednu střídavou fázovou frekvenci 16,7 v Německu, Rakousku a Švýcarsku Hertz a napětí 66, 110 nebo 132 kilovoltů jsou běžné. Kromě měničů , které jsou nyní považovány za staré a v nichž jsou sítě mezi generátorem a motorem mechanicky spojeny rotujícími hmotami mezi oběma energetickými systémy, se v Německu od roku 2002 používají systémy bez mechanických částí, které převádějí elektřinu výhradně s elektronickými součástkami. V tomto případě se mluví o převodnících . Převodníky jsou postupně nahrazovány úpravnami.

Železniční elektrárny v Německu

 Mapa se všemi souřadnicemi závodů měniče trakčního proudu v Německu : OSM

Centrální převodník / převodník

 Mapa se všemi souřadnicemi sekce Centrální konvertor / konvertorové závody : OSM

Decentralizovaný konvertor / konvertorová zařízení

Následující konvertorové závody pocházejí ze sítě Deutsche Reichsbahn, která je z velké části napájena přímo z regionální sítě 50 hertzů prostřednictvím konverze a původně byly provozovány ve třech směnách s dvoučlennými posádkami, později s jednočlennými posádkami a od poloviny -1990s někteří z nich ovládali dálkově. Převodové závody pocházejí z novější doby a stále častěji je nahrazují nebo se nově staví po celém Německu.

 Mapa se všemi souřadnicemi sekce Decentralizovaný převaděč / provozy převaděče : OSM

Železniční elektrárny v Rakousku

 Mapa se všemi souřadnicemi závodů měniče trakčního proudu v Rakousku : OSM

Řadu konvertorových závodů provozuje ÖBB Infrastruktur AG .

Auhof

V padesátých letech 20. století bylo nutné ve východním Rakousku vybudovat závod na přestavbu, který by dodával elektřinu Západní železnici a později i Jižní železnici . Převodník Auhof ve 13.  vídeňském obvodu zahájil provoz v roce 1956 se dvěma sadami měničů. V roce 1960 byl rozšířen o třetí sadu převodníků. Protože stroje musely běžet téměř neustále při plném zatížení, ÖBB v 80. letech poznala, že v příštích několika letech čeká renovace. V roce 1990 se ÖBB rozhodl opravit generátorový závod a zvýšit výkon z 61,5  megawattů na 90 megawattů. Poté, co byla v září 1990 zahájena stavba, byly v roce 1998 uvedeny do provozu dvě sady měničů a třetí sada měničů v srpnu 2000. Továrna na výrobu trakčního výkonu Auhof se nachází bezprostředně na jih od „Umspannwerk Wien-West nebo Auhof“ Vienna Netze, a proto je s ní zaměňována.

Bergern

Pokrytí zvýšené poptávky po elektřině v důsledku další elektrifikace, zhuštění místního provozu, zvýšení rychlosti a zlepšení komfortu pomocí klimatizovaných osobních autobusů si vyžádalo zřízení dalšího zdroje energie pro trakční proud ve východním Rakousku. Konverzní závod Bergern byl postaven v letech 1979 až 1983 asi šest kilometrů západně od Melku . Umístění konvertorové elektrárny bylo důsledkem přívodu do dunajské elektrárny Melk a umístění společného zařízení s Energieversorgung Niederösterreich Aktiengesellschaft (EVN AG) a Verbund AG .

Kledering

Rostoucí poptávka po energii ve východním Rakousku a výstavba centrálního seřaďovacího nádraží ve Vídni vedla na konci 80. let k rozhodnutí vybudovat ve vídeňské oblasti další systém zásobování železnicí. Převodník Kledering byl postaven v letech 1986 až 1989 a nachází se přímo u centrálního seřaďovacího nádraží na Ostbahn . Poté, co byly v roce 1989 uvedeny do provozu první dvě strojní soupravy, byly v roce 1990 dokončeny třetí sadou měničů.

Ötztal

V obci Haiming , asi 50 kilometrů západně od Innsbrucku , byla v letech 1992 až 1995 postavena konvertorová stanice Ötztal . Místo vedle lanovky Arlbergbahn bylo vybráno kvůli trakčnímu elektrickému vedení 110 kilovoltů, které procházelo 600 metrů daleko. Systém se skládá ze dvou strojních sad a slouží také jako rozvodna pro napájení lanovky Arlbergbahn.

Svatý Michale

Již při výstavbě rozvodny Sankt Michael v roce 1963 se uvažovalo o rozšíření o konvertorový závod. Převodník v Sankt Michael, postavený v letech 1972 až 1975, slouží k dodávce trakčního výkonu do spolkových zemí Štýrsko a Korutany . Umístění v Horním Štýrsku bylo důsledkem křížení dvou tras 110 kilovoltových trakčních elektrických vedení a blízkosti rozvodny Hessenberg ve vlastnictví společnosti Verbundgesellschaft.

Uttendorf / Schwarzenbach

V roce 2015 byl u ÖBB vlak elektrárně Uttendorfu části elektrárny skupiny Stubachtal im Pinzgau frekvence Uttendorf uveden do provozu uvázána do 110 kV, podzemní elektrické sítě elektrárny skupiny s 380 kV, třífázovým napájením z rakouského Power Grid spojuje. Silnice vysokého napětí 50 Hertz je napájena do nové trafostanice ve Schwarzenbachu, přibližně 2,8 km od elektrárny, kde je napětí soustavy trakčního proudu zvýšeno ze 110 kilovoltů na napětí pozemní sítě 380 kilovoltů. Systém umožňuje přenos trakčního proudu generovaného ve Stubachtalu do východní části Rakouska prostřednictvím sítě 50 Hz s nižšími přenosovými ztrátami. Přestože je označován jako frekvenční měnič, jedná se o moderní elektronický měnič s výkonem 48 megawattů.

Železniční elektrárny ve Švýcarsku

Ve Švýcarsku je 10 závodů na konverzi trakčního proudu. Tyto jsou:

Rozvodny (Uw)

AC železnice

Rozvodna ve Waiblingenu

Rozvodna poblíž Paříže

Mobilní rozvodna v Neuchâtel, Švýcarsko

Rozvodna je hrubě ekvivalentní k rozvodně ve veřejné síti. Rozvodna transformuje energii ze sítě vysokého napětí na síť trolejového vedení.

Používá se AC -Unterwerke, napětí mezi třemi a 50 kilovolty nebo frekvencemi produkují 16,7 (DB, SBB a ÖBB), 25, 50 nebo 60 Hertzů. V Německu a Rakousku jsou rozvodny odpovědné pouze za změnu napětí. V řeči se proto převáděcí stanice často označují jako rozvodny, ale jde pouze o zobecnění.

V trakční rozvodně DB, SBB nebo ÖBB je jednofázové střídavé napětí z vysokonapěťové sítě (viz výše) transformováno ze 132, 110 nebo 66 kilovoltů pro napájení do trolejového vedení až na 15 kilovoltů, frekvence 16,7 Hz se nemění.

Mobilní rozvodny (FUw) se používají také v Německu, Švýcarsku a některých dalších zemích. Jsou navrženy tak, že je lze bez větších úprav také přesunout na jiné místo prostřednictvím železniční sítě.

Ve Švýcarsku byla v různých bodech připravena připojení k vysokonapěťové síti, aby bylo možné mobilní rozvodny v případě zvláštních potřeb (revize pevných rozvoden, dočasná rozsáhlá doprava) přesunout na jiná místa. SBB má v současné době 18 mobilních rozvoden, které se skládají ze čtyřnápravového velitelského vozu a osminápravového transformátorového vozu.

DC železnice

V případě rozvoden pro stejnosměrné napětí systémech ( S-Bahn v Berlíně a Hamburku , tramvaje , lehká kolejová vozidla , podzemní vlaky , průmyslových železnic v hornictví), elektrická energie je dodávána z vysokého napětí sítě na provozovatele distribuční sítě jako tři -fázový střídavý proud . Napětí kontaktního vedení je generováno přes transformátorové transformátory a šestipulzní můstkové usměrňovače . Jako usměrňovače se používají křemíkové diody . V minulosti se k tomu používaly rotační měniče a vodou nebo vzduchem chlazené usměrňovače rtuťových par .

Polaritu pro připojení trolejového vedení a kolejnic jako zpátečky lze libovolně zvolit. Technicky a ekonomicky neexistuje žádná upřednostňovaná varianta. Většina provozovatelů železnic má kladný pól na trolejovém vedení. Příklady záporného pólu na trolejovém vedení jsou S-Bahn Berlin a také tramvaje v Darmstadtu a Mohuči.

Aby se zabránilo korozi bludným proudem a premagnetizaci systémů střídavého proudu bludnými stejnosměrnými proudy, je pól stejnosměrného napětí připojeného ke kolejnici, který slouží také jako zpětné vedení, galvanicky oddělený od země podél kolejí a pouze v rozvodně prostřednictvím diod nebo přímo spojenými nesystémově uzemněnými částmi (např. vodovodní potrubí). K ochraně osob před nepřípustně vysokým kontaktním napětím musí být použita zařízení omezující napětí tak, aby potenciál kolejnice mezi pojezdovými kolejnicemi jako vratným vedením a zeminou budovy nepřesáhl 120 V.

Operativní řízení trakčních energetických sítí

Stejně jako u všech ostatních sítí dodávek elektrické energie je provoz sítí trakčního proudu monitorován z jednoho nebo více řídicích center. V závislosti na zemi a také z historie mají tato jména různá jména, jako je distribuce zátěže, síťové řídicí centrum, centrální přepínací centrum atd. Řídicí centra mají mimo jiné za úkol sledovat stav přepínání sítí, zajišťovat dodávka prostřednictvím plánovaných spínacích operací a spínacích operací v případě poruchy a plánovatelné spínání bude koordinováno z hlediska bezpečnosti dodávky.

Německo

Hlavní velín (HSL) společnosti DB Energie se nachází v sídle společnosti ve Frankfurtu nad Mohanem. V síti Deutsche Bahn je sedm regionálních centrálních spínacích bodů (Zes) (stav z roku 2015). Počítačem ovládané ZES se nacházejí v Berlíně, Kolíně nad Rýnem, Mnichově, Lipsku, Lehrte, Borkenu (Hesensko) a Karlsruhe.

Rakousko

Centrální řídicí centrum Innsbruck

Již v roce 1925, kdy Arlbergbahn začal fungovat elektricky , byl uveden do provozu rozdělovač zatížení v Innsbrucku, aby byl zahájen propojený provoz elektráren Spullersee a Schönberg . To mělo za úkol řídit výrobu elektřiny, regulovat synchronicitu jednotlivých elektráren a zajistit, aby do rozvoden byl dodáván požadovaný trakční proud.

Od srpna 1998 je rozdělovač nákladu (centrální řídicí středisko Innsbruck) umístěn v jedné z nejmodernějších velínů v Evropě. Odtud je využití strojů v elektrárnách a konvertorech řízeno centrálně podle situace zatížení v železniční síti a optimalizováno prostřednictvím online programů. Řídicí centrum Innsbruck také monitoruje všechna 110kilovoltová a 55kilovoltová přenosová vedení trakční proudové sítě ÖBB a provádí nezbytné přepínání. Řízení pracovních úkolů nebo spínacích operací v případě poruchy k izolování poruchy a obnovení napájení pro všechny rakouské přenosové linky je tak na jedné ruce. Pokud elektrárny nebo napájecí vedení v důsledku přírodních událostí (silné srážky , bouřky , laviny ) selžou , lze velkým překážkám dodávek zabránit rychlým zásahem. Kromě toho lze co nejrychleji provést nezbytná opatření, jako jsou příkazy k odstraňování problémů odpovědným zaměstnancům (mimo běžnou pracovní dobu pro pohotovostní službu), provozní omezení a změny energetického plánu.

Regionální kontrolní centra

Kromě centrálního řídicího centra v Innsbrucku nainstalovala ÖBB čtyři regionální řídicí centra. Ty mají za úkol vyvažovat zátěž mezi 56 rozvodnami.

Švýcarsko

Centrální síťové řídicí centrum (ZLS) SBB provozuje energetická divize divize Infrastruktura v Zollikofenu . Odtud lze dálkově ovládat elektrárny a téměř všechny konvertorové elektrárny.

Napájení signálu

V některých zemích jsou signální boxy napájeny také vlastními sítěmi trakčního proudu. Tam, kde jsou vlaky provozovány se střídavým napětím, se pro napájení signálního napájení často používá frekvence, která není harmonická s trakční frekvencí , aby se zabránilo ovlivňování kolejových obvodů . Například signální systémy na severozápadním koridoru v USA fungují na 91⅔  Hertz a distribuce se provádí na 6,9  kilovoltech . Trakční frekvence je 25 Hertzů.

Spotřeba energie a původ v Deutsche Bahn

Elektrický mix trakčního proudu (trakčního proudu) 2019 společnosti Deutsche Bahn AG

Deutsche Bahn je jedním z největších spotřebitelů elektřiny v Německu a v roce 2018 spotřebovala přibližně 8200 GWh na trakční elektřinu a 18 000 GWh na stacionární energii. Protože je pouze 60% trasy elektrifikováno, spotřebuje se také 430 milionů litrů nafty. Existuje 20 000 elektrických vlaků a 7 500 naftových lokomotiv.

V roce 2017 se trakční výkon DB Energie GmbH skládal z 10,7% elektřiny financované EEG za příplatek, 32% z jiných obnovitelných energií. 32% bylo vyrobeno z výroby energie na bázi uhlí a 13,4% z jaderné energie, 11,4% pochází ze zemního plynu, 0,5% z jiných fosilních paliv.

Výdaje na energii se pohybují kolem 1,1 miliardy eur, s celkovými výdaji kolem 37 miliard eur, což odpovídá téměř 3% celkových výdajů společnosti Deutsche Bahn (2012).

Náklady na kilowatthodinu pro Deutsche Bahn AG v roce 2012 činily 8,75 ct při 12 000 gigawatthodinách. Pro srovnání, průměrná cena průmyslové elektřiny v Německu se v roce 2012 pohybovala kolem 13 ct / kWh.

Železniční energie a příplatek EEG

Při současném EEG je Deutsche Bahn AG do značné míry osvobozena od příplatku EEG , protože výrobní společnosti a železnice náročné na elektrickou energii mají být chráněny ve své mezinárodní a intermodální konkurenceschopnosti prostřednictvím speciálního vyrovnávacího schématu. Na základě těchto předpisů ( § 63 a související předpisy §§ 64 - 69 EEG 2014) je příplatek EEG vypočítán pouze v plné výši za spotřebu energie do jedné gigawatthodiny za rok. Za podíl energie mezi jednou a 10 gigawatthodinami je třeba zaplatit 10% příplatku EEG, mezi 10 a 100 gigawatthodinami pouze 1% příplatku EEG. Železniční vlastní systémy jsou obecně osvobozeny od příplatku EEG.

Podle smluv o dodávkách energie společnosti DB Energie je jako příplatek EEG účtován příplatek 1,0 centu nebo 0,1 centu za kilowatthodinu (se schválenou žádostí o újmu podle §§ 63 a násl. EEG 2014).

Na začátku roku 2013 ministr životního prostředí Altmaier navrhl změnu „cenové brzdy energií“, obě nařízení-tj. Částečné osvobození od příplatku EEG pro společnosti náročné na elektřinu a výjimku pro systémy vlastní výroby. Deutsche Bahn AG se ocitla zatížena dodatečnými výdaji ve výši 500 milionů eur ročně, z čehož 137 milionů eur by vzniklo z možného odstranění sníženého příplatku EEG a 350 milionů eur z případného zavedení příplatku EEG za elektřinu vyrobenou vlastními silami.

Viz také

• Seznam trakčních energetických systémů
• Železniční energetické systémy:
  • Seznam trakčních energetických systémů v Německu
  • Seznam trakčních energetických systémů v Rakousku
  • Seznam trakčních energetických systémů ve Švýcarsku
  • Železniční napájecí zdroj v Norsku
• Trakční elektrické vedení
• Seznam dříve elektrifikovaných železničních tratí
• Kroniky
  • Historie elektrického pohonu kolejových vozidel
  • Kronika elektrifikace trati Deutsche Bahn AG
  • Kronika elektrifikace trasy Deutsche Bundesbahn
  • Kronika elektrifikace trati Deutsche Reichsbahn (do roku 1945)
  • Kronika elektrifikace tratě Deutsche Reichsbahn v oblasti NDR
  • Kronika elektrifikace železničních tratí v Rakousku
  • Kronika elektrifikace železničních tratí ve Švýcarsku
  • Provoz elektrické dráhy ve Slezsku
• trolejbus
• Nákladní vozíky

literatura

• Hartmut Biesenack: Zásobování energií pro elektrické železnice , Vieweg + Teubner-Verlag, 2006 ISBN 3-519-06249-6

Normy

• EN 50163: Železniční aplikace-napájecí napětí železničních sítí (Německo: DIN EN 50163; VDE 0115-102: 2005-07 a DIN EN 50163 / A1 VDE 0115-102 / A1: 2008-02; Rakousko: ÖVE / ÖNORM EN 50163 vydání: 1. dubna 2008)

webové odkazy

• OpenRailwayMap . Mezinárodní dynamická mapa elektrifikace železnice.
• 10 let elektrického znovusjednocení Německa ( Memento od 20. prosince 2016 v internetovém archivu ) (soubor PDF; 322 KiB)
• Soukromá sbírka trakčního proudu

Individuální důkazy