Elektrifikace železnic

František Majda, elektrotechnik,
Popovice u Kroměříže

Při elektrifikaci železnic evropských zemí bylo použito několik různých napěťových systémů. Používají se tato napětí: stejnosměrná napětí (DC): 1,5 a 3 kV, střídavá napětí (AC): 15 kV, 16,7 Hz (16 2/3 Hz) a 25 kV, 50 Hz.

V bývalém Československu byl nejprve zaváděn systém DC 1,5 kV, převzatý z Francie, a to pro elektrifikaci pražských nádraží koncem dvacátých let minulého století. Vlivem hospodářské krize a válečných událostí se s další elektrifikací započalo až koncem čtyřicátých let. Stejnosměrná soustava s napětím 1,5 kV byla již od počátku provozování považována odborníky za nevhodnou. Důvodem zavedení této soustavy byla tehdy hospodářská a vojenská návaznost na Francii. V roce 1949 začala velká elektrifikace hlavních tratí vyšším stejnosměrným napětím 3 kV (obr. 1). Elektrifikace mezi Děčínem, Prahou, Českou Třebovou, dále přes Ostravu a Valašské Meziříčí, do Žiliny, Košic a Čierne nad Tisou byla hotova přibližně za patnáct let. Tehdy se v Evropě začala prosazovat střídavá napěťová soustava 25 kV, 50 Hz, vyvíjená před druhou světovou válkou v jižním Německu v okolí města Höllenthal. Tato část Německa přešla po válce pod francouzskou okupační zónu. Francouzi tuto soustavu původně s napětím 20 kV uvedli v severní Francii ze zkušebního stavu do provozu a zvedli napětí na 25 kV. Protože vývoj této soustavy byl úspěšný, zvláště po zvládnutí výroby křemíkových usměrňovačů, které nahradily usměrňovače rtuťové (ignitrony), bylo v roce 1959 rozhodnuto zavést tento střídavý napěťový systém také u nás.

Jelikož tehdy byla na různých místech dokončována elektrifikace hlavních tratí stejnosměrným systémem 3 kV, bylo rozhodnuto elektrifikovat vše na sever od této hlavní trati stejnosměrnou soustavou a vše na jih střídavou soustavou 25 kV, 50Hz. Elektrifikace střídavou soustavou 25 kV, 50 Hz (obr. 2) má tyto výhody: – trolejové vedení je napájeno pouhou transformací z vedení 110 kV na 25 kV, stejnosměrného systému 3 kV je nutný složitější dvanáctifázový transformátor a usměrňovač; 

• trolejové vedení vyžaduje přibližně jen třetinu vodivých materiálů a umožňuje větší vzdálenost mezi podpěrnými ocelovými konstrukcemi, u střídavé soustavy není třeba zesilovací postranní vedení (hliníkové lano); 
• napájecí stanice (měnírny) jsou u stejnosměrné soustavy vzdáleny od sebe 20 km, u střídavé soustavy je to 50 km a jsou menší ztráty na trolejovém vedení, i když jsou napájecí místa více vzdálena, a rovněž průřez vedení stačí menší; toto je dáno velikostí napětí.

Provozování dvou soustav

Obě tyto soustavy jsou u nás provozovány souběžně, což má tyto nevýhody: 

• lokomotivy jedné soustavy nemohou přejíždět na tratě elektrifikované druhou soustavou, 
• pro vlaky vedené na tratích s různými napájecími soustavami se používají dvoua vícesystémové lokomotivy, které jsou dražší.

Z obou předešlých důvodů jsou v České republice provozována tato drážní vozidla: 

• lokomotivy a elektrické vozy napěťové soustavy DC 3 kV (obr. 3), 
• lokomotivy a elektrické vozy napěťové soustavy AC 25 kV, 50Hz, 
• lokomotivy a elektrické vozy dvousystémové, které mají oba předešlé systémy.

Na hranicích s Rakouskem a Německem dochází ještě ke styku s jejich napěťovou soustavou 15 kV, 16 2/3 Hz, a to 25 kV, 50 Hz oproti 15 kV, 16 2/3 Hz a DC 3 kV oproti 15 kV, 16 2/3 Hz.

Naše nejmodernější souprava Pendolino je trojsystémová, a to DC 3 kV, AC 15 kV, 16 2/3 Hz a AC 25 kV, 50 Hz. Tento vlak jedoucí z Prahy do Vídně přejíždí přes všechny tyto systémy, z Prahy DC 3 kV, Brna AC 25 kV, 50 Hz a Vídně AC 15 kV, 16 2/3 Hz. V Plzni je vyvíjena nová lokomotiva pro nákladní vlaky s výkonem 6 MW, která je rovněž trojsystémová.

Na území ČR je sedm vnitrostátních míst, kde se obě soustavy stýkají. Přejezd přes rozhraní soustav nevyžaduje zastavení. Lokomotiva přejíždí stykové místo se spuštěným sběračem bez napětí, setrvačností z jedné soustavy do druhé. Cestující nic nepozná. Pro člověka znalého problematiky se po přejezdu ze střídavé soustavy do stejnosměrné objeví zesilovací vedení. Naopak při přejezdu ze stejnosměrné soustavy do střídavé vedení zeštíhlí.

Provozování více napěťových soustav ze současného hlediska Soustava 25 kV, 50 Hz je výhradně používána ve státech, které započaly s elektrifikací železnic později. To je Finsko, Maďarsko, Rumunsko a Bulharsko. Tato soustava je nyní rozšiřována v Rusku, Itálii, Francii, Holandsku, ve státech bývalé Jugoslávie, v Japonsku a ve Velké Británii. Také na trati Paříž – Londýn s podmořským tunelem.

Pro vlaky s velkou rychlostí TGV, IC, ICE se budují v Itálii a Francii tratě výhradně s touto soustavou. Při jízdě po napěťové soustavě s nižším napětím (ss) nemohou z důvodu vysokých výkonů (proudů) dosahovat rychlostí 300 km•h-1. Protože ve světě dochází ke změně napěťových soustav směrem k vyššímu napětí střídavému, bylo by vhodné, aby se tak stalo i u nás.

Přestavba soustavy DC 3 kV na soustavu AC 25 kV, 50 Hz a možné výhody

Mezi přednosti lze zařadit: 

•  zaměstnanost několika set pracovníků na dobu 30 let, 
• úspora pracovníků v měnírnách 110/3 kV, zrušení některých těchto zařízení a využití několikahektarových ploch pro jiné účely, 
• úspora energie; bude-li uspořená elektrická energie poměřována s cenou za vykupovanou elektřinu z fotovoltaických elektráren, potom vycházejí úspory příznivě; výkupní cena ze solárních zdrojů je čtyřnásobná oproti ceně elektřiny pro obyvatelstvo, 
• úspora mědi, hliníku, železa, 
• sjednocení typů vozidel, jejich lepší využití, 
• možnost napájet elektrifikované tratě napětím 50 kV.

Délka trvání přestavby

Změnit napěťový systém by bylo nejvhodnější ve spolupráci se Slovenskem, kde byl stejný vývoj. Se Slovenskem se naše železnice dotýkají v soustavě DC 3 kV ve směru Bohumín–Žilina a Valašské Meziříčí–Púchov a v soustavě AC 25 kV, 50 Hz ve směru Břeclav– Bratislava. Posunutí střídavé soustavy od Trnavy po Žilinu by bylo přínosem i pro slovenské železnice. Rychlejší změna napětí v délce deseti až patnácti let Životnost lokomotiv dosahuje 40 až 50 let. Rychlejší přeměna soustavy by byla příležitostí pro výrobce lokomotiv. Umožnila by přeměnit existující, novější stejnosměrné stroje na střídavé s využitím jejich předností a rovněž využít novější poznatky v této oblasti.

Výhody stejných napájecích soustav

Uveďme zde příklad spolupráce mezi Německem a Švýcarskem. Nákladní vlaky z Německa do Itálie jezdí mezi Karlsruhe v Německu a Domodossolou v Itálii, kam až dosahuje trať švýcarské železnice, bez nutnosti výměny lokomotivy, a to s jízdní dobou čtyři hodiny. Vzdálenost je to stejná jako z Děčína do Břeclavi. Je to umožněno nejen vzájemnou dohodou, ale především stejnou napěťovou soustavou.

Závěr

Jednotná elektrifikace střídavou soustavou 25 kV, 50 Hz by zlepšila využití všech strojů s možností přejezdu na větší
vzdálenost. Dále by její zavedení vedlo ke zvýšení zaměstnanosti, přineslo by příležitost pro elektrotechnický průmysl a uplatnění nových znalostí při výrobě lokomotiv a napájecích soustav.

Soustava 25 kV, 50 Hz (obr. 4) je ze všech dosud provozovaných soustav nejjednodušší a nejúspornější. Je zřejmé, že později bude i v jiných evropských státech dosavadní soustava přebudována na střídavou, tedy i tam, kde dosud není provozována.

Obr. 1. Železniční trať elektrifikovaná stejnosměrnou proudovou soustavou 3 kV
Obr. 2. Napájení železniční trati elektrifikované střídavou proudovou soustavou 25 kV
Obr. 3. Elektrická jednotka řady 471 (City Elefant) pro stejnosměrnou proudovou soustavu 3 kV
Obr. 4. Napájecí stanice pro proudovou soustavu AC 25 kV