Napájení elektrifikovaných tratí Elektrická trakce je pohon hnacího vozidla pomocí metrického točivého stroje – elektromotoru – kterému říkáme trakční motor. Přívod proudu do elektrických vozidel je realizovaný kontaktem tohoto vozidla s přívodním vedením podél dráhy, které tvoří soustavu rozvodu trakčního proudu, kterou nazýváme trakční sítí. Ta se skládá obvykle na drahách železničních, tramvajových z vrchního vedení, izolovaného od země a zpětného vedení, obvykle tvořeného pojížděnými kolejnicemi. U některých drah železničních a u metra se obvykle jako napájecí vedení používá spodního vedení izolovaného od země, zpětné vedení může být tvořeno zvláštní zpětnou kolejnicí. U trolejbusových drah a některých drah speciálních může být i zpětné vedení realizováno pomocí vrchního trolejového vedení. Trakční síť je dělena na napájecí úseky, které jsou napájeny elektrickou energií z napájecích stanic podle typu trakční soustavy: • pro střídavý napájecí systém jsou to trakční transformovny; • pro stejnosměrný napájecí systém jsou to trakční měnírny; • a pro oba systémy se pro propojování úseků používají spínací stanice. Napájecí systémy 1) Stejnosměrné napájecí systémy s používanými napětími: 220 (250)V
v dolech;
600, 750 V
městské dráhy (tramvaje, metro, trolejbusy);
1500, 3000 V železniční dráhy, vlečky. Příklad principu stejnosměrného napájecího systému 3 kV je na obrázku Obr. E.1
Obr. E.1: Princip stejnosměrného napájecího systému 3 kV. 2) Střídané napájecí systémy se dělí podle počtu fází a kmitočtu: a. jednofázové se sníženým kmitočtem – 10, 15 kV s kmitočtem 16,7 Hz na železničních drahách 11 kV, 25 Hz na železnicích USA b. jednofázové s průmyslovým kmitočtem – 6, 10, 25, 50 kV, 50 (60) Hz na drahách železničních a báňských c. vícefázových – 3 x 1,5 kV, 16 2/3 Hz na drahách železničních (historie) 3 x 10 kV, 50 Hz Příklad principu jednofázového napájecího systému 25 kV, 50 Hz je na obrázku Obr. E.2. Použití napájecích systémů se vyvíjelo i z hlediska historického na základě rozvoje poznatků z elektrotechnika a elektroniky: 1885 – 1926
DC systémy 500 až 1500 V;
1895 – 1928
AC systémy 3 × 3,4 kV až 3 × 10 kV různých kmitočtů;
1918 – dosud
DC systémy 1,5 kV;
1918 – dosud
DC systémy 2,0 kV;
1910 – dosud
AC systémy 10 kV, 15 kV 16,7 Hz
1930 – dosud
AC systémy 10 kV, 25 kV 50 Hz
1975 – dosud
AC systémy 50 kV 50 (60) Hz
Obr. E.2: Princip střídavého jednofázového napájecího systému 25 kV, 50 Hz. Přehled používaných napájecích systémů v Evropě je na obrázku Obr. E.3 [ŠKODA, 2008].
Obr. E.3: Přehled používaných napájecích systémů v Evropě.
Jmenovitá a mezní napětí trakčních napájecích soustav jsou stanoveny mezinárodními předpisy pro interoperabilitu železničních systémů (2002/735/ES). Přehled jejich hodnot je v tabulce Tab. E.1. Tab. E.1: Jmenovitá napětí a přípustné meze jejich hodnot a trvání
Trakční proudová soustava
Jmenovité napětí U (V) n
Nejnižší nestálé napětí U
min2
(V)
Doba trvání Stejnosměrná (střední hodnoty) Střídavá (efektivní hodnoty)
Nejnižší stálé napětí U
min1
(V)
max. 2 min. 600 750 1 500 3 000 15 000 25 000
400 400 1 000 2 000 11 000 17 500
Nejvyšší stálé napětí U
max1
Nejvyšší nestálé napětí
(V)
U
max2
(V)
max. 5 min. 400 500 1 000 2 000 12 000 19 000
720 900 1 800 3 600 17 250 27 500
800 1 000 1 950 3 900 18 000 29 000
Trolejové vedení Vodič trolejového vedení (vrchního vedení) je speciálně tvarovaný tažený vodič z elektrolytické mědi popř. se slitin mědi pro zvýšení tvrdosti a pevnosti. Podle proudového zatížení se používají pro trolejové vedení dráty v pěti průřezech: 80 mm2, 100 mm2, 107 mm2, 120 mm2 a 150 mm2. Základní mechanické a elektrické vlastnosti materiálu měděného vodiče jsou v tabulce Tab. E.2 [ČSN EN 50149]. Hodnoty jsou uvedeny pro teplotu 20°C. Tab. E.2: Základní mechanické a elektrické vlastnosti materiálu měděného vodiče. Parametr
Pevnost v tahu [MPa] Teplotní součinitel odporu [Ω/K] Součinitel délkové teplotní roztažnosti [m/K] Hmotnost [kg/m] Odpor [Ω/km]
80 mm2
100 mm2
107 mm2
120 mm2
150 mm2
1099 0,153
1374 0,122
310 - 355 3,81·10-3 17,0·10-6 733 0,229
Tvary používaných vodičů jsou na obrázku Obr. E.4.
916 0,183
980 0,171
a)
b)
Obr. E.4: Průřez trolejovým vodičem o průřezu 150 mm2. a) vodič kruhového tvaru, b) vodič zploštělého tvaru
Zpětným vodičem proudu v trakčním napájecím systému bývá u kolejových drah pojížděná kolejnice. Pokud jsou její styky šroubované, pak se přemosťují přivařenými měděnými kolejnicovými spojkami. Pro odpor kolejnicového vedení platí: R=
r r ⋅γ ⋅l = S 1000 ⋅ q
[Ω/km]
kde: r S
γ
l q
[Ω/km·mm2] [mm2] [kg/km/mm2] [m] [kg/m]
měrný odpor oceli průřez kolejnice hustota oceli délka vedení hmotnost kolejnice na 1 m
Pro výpočet činných odporů rozvodu trakčního proudu trolejovým a zpětným kolejnicovým vedením se počítá je s jednou kolejnicí z důvodů reálných kolejnicových styků se spojkami, která zvyšují odpory. Pro orientaci jsou hodnoty činných odporů rozvodů trakčního proudu pro nový stav vedení v tabulce Tab. E.3.
Cu 100 mm2 Cu 120 mm2 Cu 150 mm2
[Ω/km]
Průřez trolejového vedení
Odpor troleje
Tab. E.3: Hodnoty činných odporů rozvodů trakčního proudu pro nový stav vedení. Hmotnost kolejnice [kg/m] Odpor kolejnice [Ω/km]
0,180 0,150 0,120
45
56
65
0,0284
0,0236
0,0204
0,210 0,180 0,150
0,204 0,174 0,114
0,200 0,170 0,110
