Elektrifikace českých železnic

Železnice hraje významnou úlohu v dopravním systému České republiky, každoročně vlaky přepraví více než 160 milionů cestujících a více než 70 milionů tun zboží. Na počátku české železniční dopravy byla v roce 1828 koněspřežná dráha Linz – Summerau – Horní Dvořiště – České Budějovice. Od té doby prošla železnice mohutným vývojem a dnes je dle údajů SŽDC ve správě státu 9 470 km kolejí. Zhruba třetina těchto tratí je elektrifikovaná. V následujícím článku je popsáno základní rozdělení železničních napájecích soustav a vysvětlen jejich historický vývoj.

Vývoj základních napájecích systémů

Od počátku 19. století došlo na železnici k několika velkým změnám v používaných technologiích. První pokusy o elektrickou trakci nastaly ještě v období parních lokomotiv. Nejprve se experimentovalo s nezávislou trakcí (tedy s umístěním galvanických článků přímo ve vozidlech). Ovšem toto byla slepá evoluční ulička.

Dalším vývojovým stupněm bylo vytvoření systému se závislou trakcí Wernerem von Siemensem v roce 1879. Tento systém fungoval tak, jak je běžné i dnes, tedy že lokomotiva získává energie z trakčního vedení. Siemensovo řešení využívalo k napájení stejnosměrného proudu.

První napájecí soustavy na střídavý proud se objevují po roce 1892. Největší zásluhu na vývoji trakčních soustav a lokomotiv se střídavým proudem měl maďarský technik a vynálezce Kálmán Kandó. Střídavá trakce však zažila svůj rozmach až s větším rozvojem výkonových polovodičových součástek po roce 1950.

Specifickou a technologicky nejpokročilejší variantou napájení je využití magnetické levitace a supravodivosti. Tato technologie je zatím v provozu jen na několika místech světa např. v Japonsku nebo v Číně.

Typy trakce

Z historických důvodů a z různých geopolitických a lokálních příčin se jen v Evropě používají v současnosti následující napěťové systémy:

• stejnosměrné (DC)
  • 0,75 kV
  • 1,5 kV
  •  3 kV
• střídavé (AC)
  • 25 kV, 50 Hz
  • 15 kV, 16,7 Hz (16 2/3 Hz)

Jak je patrné z následujícího obrázku, pokud vlak tažený elektrickou lokomotivou pojede z Německa do Portugalska a má tuto cestu absolvovat bez nutnosti přepřažení lokomotivy, musí mít lokomotivu vybavenou schopností pracovat ve čtyřech různých napěťových systémech.

DC 750 V

Na tomto systému pracují příměstské vlaky, tramvaje a metro. V této napájecí soustavě jsou trakční měnírny na napěťově úrovni 22 kV. V těchto měnírnách dochází k transformaci napětí na požadovanou hodnotu a jeho usměrnění.

Výhody

• jednoduchá regulace trakčního motoru
• díky nižšímu napětí v porovnání s ostatními systémy – nižší izolační hladina a bezpečnější provoz

Nevýhody

• vysoké proudové hodnoty
• složitější provedení napájecích stanic ve srovnání s AC
• potřeba hustší sítě napájecích stanic

DC 1,5 kV

Tato soustava je spojena především s počátkem elektrizace na železnicích. V Evropě je tento systém provozován na jihu Francie a v Nizozemsku. V České republice je takto elektrifikována trať Tábor- Bechyně.

Výhody

• možnost zapojování trakčních motorů do série -> lepší vlastnosti při rozjezdu
• snadnější zhášení oblouku

Nevýhody

• vysoké proudové hodnoty trakčního vedení – nutnost použít zesilovací vedení
• potřeba hustší sítě napájecích stanic

DC 3 kV

Tato soustava se vyvinula ze soustavy 1,5 kV DC a jedná se o nejrozšířenější systém elektrifikace v Evropě výhody a nevýhody jsou obdobné jako u systému 1,5 kV. Jen je samozřejmě nutné vyšších izolačních hladin vzhledem k vyššímu napětí. Tento systém má také zvýšené nároky na spínací prvky.

AC 15,6 kV 16,7 Hz

Tento systém vznikl kvůli požadavkům na zvýšení napájecího napětí. Snížení frekvence bylo použito za účelem zlepšení komutace v jednofázových komutátorových trakčních motorech.

Výhody

• možnost přenášení vyššího výkonu
• menší ztráty ve vedení
• bezproblémová rekuperace

Nevýhody

• omezený trakční výkon napájecí soustavy
• nutnost budovat speciální vysokonapěťovou soustavu, případně stanice s frekvenčními měniči

AC 25 kV 50 Hz

Jedná se o jednofázovou napájecí soustavu a představuje jeden ze dvou hlavních používaných napěťových systémů v ČR. Systémy pracující se střídavým napětím jsou provozovány v paprskovém uspořádání sítě.  Oboustranné napájení není možné z důvodu nežádoucích přetoků vyrovnávacích proudů mezi napájecími stanicemi.

Výhody

• nízké ztráty v trolejovém vedení
• lze využít nižší průřez vedení
• větší vzdálenost mezi napájecími stanicemi
• jednodušší provedení napájecích stanic

Nevýhody

• nesymetricky zatěžuje trojfázovou napájecí soustavu dodavatele
• problémy s rekuperací
• nutnost kompenzace účiníku

Elektrifikace ČR

V ČR se vývoj ubíral směrem k stejnosměrnému napájení, především díky práci  inženýra Františka Křižíka. První elektrická tramvajová trať na našem území spatřila světlo světa v roce 1891 v Praze a vedla z Výstaviště na Letnou.

V roce 1905 pak byla elektrifikovaná první železniční trať mezi Bechyní a Táborem. Napěťové hladiny, na kterých docházelo k napájení, se postupem času ustálily na hodnotách 600 V, 750 V a 1500 V. Takovýchto napájecích systémů je využíváno dodnes především pro napájení městských drah. V železniční trakci hraje ještě stále významnou úlohu i napětí 1 500 V a to především ve Francii nebo v Nizozemsku.

Z Francie byl také systém 1 500 V převzatý a byl budován především v okolí Prahy. Ekonomické a vojenské vazby se zemí galského kohouta znamenaly, že byl tento systém, i přes všeobecnou shodu na jeho nevhodnosti, dále rozvíjen až do hospodářské krize a  druhé světové války.

Další rozšiřování elektrifikace započalo až koncem 40. let minulého století. Vzhledem k rostoucím požadavkům na výkon, který je úměrný napětí a nepřímo úměrný podélné impedanci vedení, došlo ke zvýšení používaného stejnosměrného napětí na 3 kV v stejnosměrných napájecích soustavách.

V roce 1949 se začalo s elektrifikací hlavních tratí na vyšším stejnosměrném napětí 3 kV. Takto elektrifikována byla trať  Děčín -Praha – Česká Třebová – Ostrava – Valašské Meziříčí – Žilina – Košice – Čierná nad Tisou. Práce na elektrifikaci této trati trvaly 15 let.

V 60. letech se již v Evropě začala prosazovat střídavá napěťová soustava s parametry 25 kV, 50 Hz, jejíž rozvoj byl způsoben již zmíněným rozvojem polovodičové elektrotechniky. V roce 1959 bylo rozhodnuto, že tento systém bude zaveden i u nás. Vzhledem k dokončování stejnosměrně napájené tratě z Děčína do Košic byla rozdělena Československá republika na severní a jižní část a hranicí byla právě tato trať.

Veškeré území na sever od zmiňované páteřní tratě bylo elektrifikováno na stejnosměrné napěťové hladině 3 kV a jižní část území byla elektrifikována střídavou soustavou 25 kV, 50 Hz.

Používání různých napájecích soustav na území jednoho státu vede k požadavku nákladnějších vícesystémových lokomotiv, které ovšem v případě ČR prozatím vycházejí ekonomicky výhodněji než sjednocení železniční elektrifikace na jeden typ napěťového systému.

Je možné, že v budoucnu k sjednocení přeci jen dojde, jelikož k sjednocování napěťových systémů už dochází na Slovensku. Naši východní sousedé přecházejí na jednotný napěťový systém 25 kV, 50 Hz.

Reference:

DOLEČEK, Radovan a Ondřej ČERNÝ. Trakční napájecí soustavy: studijní opora. Vyd. 1. Pardubice: Univerzita Pardubice, 2015, 104 s. ISBN 978-80-7395-879-4.

MAJDA, František, Elektrifikace železnic dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/res/pdf/44573.pdf