Jednotná napájecí soustava trakčního vedení v ČR

Ing. Petr Lapáček mě však svojí přednáškou 24. května v informačním pracovišti Dopravní fakulty Jana Pernera přesvědčil, že otázka je aktuální v obou zemích.

V pozvánce Přednáška na téma „Jednotná napájecí soustava trakčního vedení v Česku?“ bylo možno si přečíst ve stručném curriculu vitae Ing. Lapáčka, že je odborníkem fundovaným, a protože mě zajímá vše, co se týká elektrické trakce, neváhal jsem a vypravil jsem se 24. května do informačního pracoviště, nacházejícího se v pražské ulici Pod výtopnou hned za autobusovým nádražím Praha-Florenc.

Jménem pořadatele přednášky Dopravní fakulty Jana Pernera nás krátce uvítal prof. Ing. Vlastislav Mojžíš, CSc. a pak už předal slovo Ing. Lapáčkovi.

Ing. Petr Lapáček, Ing. Vlastislav Mojžíš, CSc. (vpravo)

Ing. Petr Lapáček (KOMOVIA s.r.o) vycházel ve svém výkladu ze studie „Koncepce přechodu na jednotnou napájecí soustavu ve vazbě na priority programového období 2014-2020 a naplnění požadavků TSI ENE“, kterou vypracoval spolu s Ing. Jaroslavem Peroutkou (SUDOP PRAHA, a. s.) s použitím externích zdrojů: Ing. Vladivoj Výkruta, 50 let elektrizace tratě Česká Třebová – Praha; Ing. František Palík CsC, Elektrické lokomotivy, kterýžto materiál nám formou prezentace promítal. Protože nechci čtenáře VLAKY.NET ochudit o kompletnost tohoto materiálu, ale zároveň jej ani unavit jeho rozsahem 41 stran, zvolil jsem následující postup. Stručně vám přetlumočím, co jsem zde slyšel, co mne zaujalo, jaké postřehy jsem si vyvodil, a odkazem vás hned dovedu na příslušnou stránku prezentace, kde se o tom píše. Můj článek je tedy takovým malým průvodcem studií o přechodu na jednotnou soustavu a dovolil jsem si výklad doplnit vysvětlivkami pro ty čtenáře, kteří nejsou v oboru trakční energetiky natolik vzděláni jako posluchači v sále.

Tak tedy začínáme:

Nejprve o historii elektrické trakce u nás. Po první světové válce rozhodlo Ministerstvo železnic ČSR připravit elektrizaci tratí nově vzniklých ČSD. Zvolilo přitom stejnosměrné napětí 1,5 kV. Proč právě to? Proč ne již existující systém našich západních (tehdy dokonce severozápadních) a jižních sousedů – 15 kV, 16 a ⅔ Hz? Tady si Ing. Lapáček trochu zavtipkoval o tvrzení těch, kteří neznají technické podmínky a hodnotí věci čistě politicky, že jsme tehdy opovrhli soustavou poražených mocností, v područí jednéž jsme 300 let úpěli, proto jsme zvolili soustavu nám spřátelené Francie, a totéž že se opakovalo po 2. světové válce při zavádění 3 kV. Dál se tím přednášející nezabýval, neboť předpokládal, že v sále sedí odborníci. Protože se však na VLAKY.NET o tom před časem diskuse rozpoutala, pokusím se to vysvětlit blíže:

Alpské země mají silné prudké vodní toky, na nichž hydroelektrárna vyjde levně. Již od počátku elektrizace si švýcarské dráhy postavily vlastní vodní elektrárny. Vodní turbína pracuje o mnohem nižších otáčkách než parní, čili ty jejich bez problémů poháněly generátor dodávající třetinový kmitočet oproti našim 50 Hz.

U nás ovšem tyto podmínky nemáme, elektřina se tehdy produkovala převážně v tepelných elektrárnách a parní turbína, aby pracovala s nízkými ztrátami, musí jet rychlostí vyšší, než je 1000 ot./min, potřebnou k tomu, aby dvoupólový elektrický stroj dával 16 a ⅔ Hz. Zatímco ve vodní elektrárně vyššího kmitočtu docílit umíme – tím, že dáme 3×8pólový generátor a turbína jím točí 750 ot./min, obráceně z vysokých otáček nízkou frekvenci neuděláme. Frekvencí 50 Hz se tehdejší trakční motory krmit nedaly, jediná možnost, jak si opatřit 16 a ⅔ Hz tedy tehdy byla rotačním měničem motor-generátor, což bylo složité a ztrátové. Zvolili raději stejnosměrný proud, vytvářený v měnírnách z veřejné sítě 50 Hz usměrňováním ve rtuťových diodách. (vysvětlení doplnil Luděk Šimek)

Další stránky –

- nás provedou elektrizací Prahy. Nejprve to bylo Wilsonovo nádraží především proto, aby pod jeho klenbami neobtěžoval cestující kouř. Elektrický provoz zde byl zahájen 23. dubna 1928. Následovaly pražské spojky - z Wilsonova nádraží do Nuslí (dnešní Praha-Vršovice), na Smíchov, do Vysočan, do tehdejší Libně horního nádraží přes Hrabovku (trať Hrabovka – Libeň horní nádraží a spojky Vyšehrad – Nusle a Vítkov – Libeň horní nádraží).

Pro napájení celého pražského uzlu byla na Křenovce poblíž severního zhlaví Wilsonova nádraží postavena měnírna. Její budova ve funkcionalistickém slohu od Ing. arch. Jana Rokose a Ing. Václava Proška je natolik architektonicky hodnotná, že ji prohlásili v roce 2003 za kulturní památku. Technologii měnírny 22 kV stř. na 1,5 kV ss dodala firma Českomoravská-Kolben-Daněk.

lokomotiva E423.0 před měnírnou Křenovka

Jaké elektrické lokomotivy tu jezdily?

• Rekonstruovaná původní Křižíkova lokomotiva E 225.001 byla až do roku 1967 používána pro posun na hlavním nádraží.

E 225.0

• Adamovské strojírny vyrobily dvě lokomotivy E 423.0.
• Škodovy závody – dvě lokomotivy E 424.0, tři E 466.0 a později ještě dvě E 467.0

E 467.0

• Breitfeld, Daněk – dvě lokomotivy E 424.1 s elektrickou částí od firmy Siemens a dvě E 465.0 s elektrickou částí firmy Křižík
• ČKD – čtyři lokomotivy E 436.0 a jedna E 466.1

E 466.1

Tak se v roce 1928 ocitly pražské koleje pod dráty – a elektrizace ČSD tím na 20 let skončila, prosadit další rozšíření el. trakce se nepodařilo. Kdo ji zařízl? Majitelé uhelných dolů. Pro ně byla parní lokomotiva, vyžadující kvalitní uhlí a potřebující ho na vyprodukování jedné kWh mnohem víc, zajímavějším zákazníkem než tepelná elektrárna, v níž shoří kdeco a s mnohem vyšší účinností.

Z hlediska naší otázky mužeme teď klidně přeskočit Protektorát i Slovenský štát

rovnou do května 1946, kdy bylo vládním usnesením rozhodnuto o elektrizaci 1000 km hlavních tratí ČSD stejnosměrnou trakční soustavou 3 kV.

Elektrický provoz z Prahy do České Třebové byl slavnostně zahájen 7. 11. 1957. V té době už ale půldruhého roku jezdily elektrické vlaky ze Spišské Nové Vsi do Žiliny.

O výstavbě stejnosměrné soustavy 3 kV letech 1951 – 1958 si jistě se zájmem přečteme na stránkách -

Zopakujme si ale technické možnosti té doby:

• Trakční motory nebylo možno použít jiné než stejnosměrné se sériově zapojenou kotvou a buzením. (nebo na kmitočet 16 a ⅔ Hz, ten ale u nás nebyl).
• Výkon elektrického spotřebiče je dán součinem napětí a proudu – P=U*I. Potřebuji-li tedy zvyšovat výkon, musím zvýšit buď napětí, nebo proud.
• Vzhledem k tomu, že stejnosměrné napětí nemůžeme transformovat, musíme lokomotivě trolejí dodávat jen tak vysoké napětí, jaké snese izolace její výstroje, především vinutí motoru, kde nelze použít příliš tlustou izolaci. Jako stropní se tu tedy ukázala hranice 3 kV.
• Soustava stejnosměrná 3 kV tedy v té době dávala možnosti přenosu největších výkonů, které však bylo možno zvyšovat jen zvyšováním hodnoty proudu, což znamená silnější průřezy vodičů a krátké úseky mezi měnírnami.

Úplně jiné možnosti by byly, kdyby si lokomotiva mohla vézt s sebou vlastní měnírnu. Trolej by se napájela vysokým střídavým napětím, na lokomotivě by byl transformátor, snižující jej na napětí snesitelné izolaci motorů, usměrňovalo by se... Jenže usměrňovače existovaly jen rtuťové, a ty nesnášejí otřesy při jízdě.

V padesátých letech se však podařilo uvést do výroby výkonné křemíkové diody – a ta možnost, nastíněná předchozím odstavcem, se ukázala reálnou: Tedy napájet trolej 8x vyšším napětím, a to střídavým, tím přenášet stejný výkon 8x nižším proudem, tím snížit ztráty ve vedení. Na lokomotivě napětí transformovat, pak teprve usměrňovat pro motory. A výkon a rychlost jízdy neregulovat pálením proudu v odpornících, ale změnou napětí přepínáním odboček trafa. V tom je hlavní úspora oproti provozu stejnosměrných lokomotiv.

(vsuvku jsem si opět dovolil vsunout proto, že ing. Lapáček se nezdržoval vysvětlováním věcí triviálních odborníkům v sále)

Střídavý systém byl všeobecně považován za hospodárnější než stejnosměrný a byl v té době uznán jediným systémem perspektivním. Proto rozhodlo ministerstvo dopravy na základě vládního usnesení č. 279 ze dne 8. dubna 1959, že se vybrané tratě budou elektrizovat jednofázovým střídavým proudem 25 kV, 50 Hz.

Podoba naší střídavé trakce je dílem prof. Ing. Dr. Františka Jansy, DrSc. a vytvořil ji v roce 1960.

Jako zkušební byla vybrána trať z Plzně do Horažďovic předměstí, kde vzápětí, 29. září 1961, začaly elektrizační práce. Následovala elektrizace hlavní trati přes Vysočinu Kutná Hora – Havlíčkův Brod – Jihlava a Havlíčkův Brod – Brno (na jejichž náročných sklonech s tehdejšími dlouhými nákladními soupravami měly parní lokomotivy co dělat a problémy by tu měla i trakce 3 kV – poznámka L.Š.).

První zkušební střídavé lokomotivy měly ještě klasickou plechovou skříň a značení E.

Nová trakce se však posléze představila i v zcela novém kabátě na úrovni doby.

Bylo rozhodnuto, že celé území tehdejší ČSSR bude rozděleno podélně. Severní část bude pokračovat pod stejnosměrnou trakcí, jih bude střídavý. Stykových míst tak vznikne co nejméně.

Rozdělení sítě SŽDC na „zelený“ sever a „červený“ jih

Již v době zavádění střídavé soustavy se mělo téměř za jisté, že bude brzy přestrojena na střídavou i stávající stejnosměrná síť. Bylo zpracováno několik studií, které řešily sjednocení soustav, ale k realizaci nebylo přikročeno. S příchodem řízených polovodičových prvků, které umožňují hospodárně regulovat i stejnosměrný proud, ten problém přestával být palčivý. V současné době se však opět ukazuje jako aktuální, zabývá se jím ŽSR i SŽDC a my si hned vysvětlíme, co je k tomu vede:

Shrňme si, co z této odkázané stránky plyne:

Soustava 3 kV byla dimenzována pro tehdejší bobiny. Rychlíky jezdily 100-120 km/h, náklaďáky 60 km/h, stačil měrný výkon 4 kW/t. Pro dopravu nákladních vlaků stačil měrný výkon 1 kW/t, tedy pro dopravu rychlíků hmotnosti 500 t i nákladních vlaků jejich výkon 2MW postačil.

1953 – „bobina“, 2032 kW © Václav Vyskočil

S poněkud vyššími nároky na napájení přišla až koncem sedmdesátých let E 499.2 (dnes 150).

1978 – „krysa“, 4000 kW (zdroj: Wikipedia)

V současnosti už rychlíky jezdí 160 km/h, nákladní 100-120 km/h, svět (možná i cestující) na nás tlačí, aby se rychlosti zvyšovaly a aerodynamický odpor roste s třetí mocninou rychlosti. K překonávání takového odporu už ale 4 MW nestačí, jsou potřeba lokomotivy 6MW, jenže výkon, přenášený napětím 3 kV už by se dal zvyšovat jedině zvyšováním průřezu drahých měděných drátů a i s tím by byly problémy. (Ing. Lapáček to přirovnal k situaci ve Francii, kde větší část je dosud zatrolejována 1,5 kV a síť nad každou stanicí nazval měděným dolem.)

2008 – Emil Zátopek, 6400 kW (zdroj: Wikipedia)

Chcete-li si prostudovat podrobněji problémy, které jsou s rostoucími výkony na síti 3 kV, - najdete je zde –

A tyto výkony se zvyšovat budou, bude-li se plnit usnesení vlády ČR č. 362 /2015. Do roku 2030 má být snížena spotřeba ropných paliv z 59 miliard kWh/rok na 50 miliard kWh/rok a zvýšeno využití elektrické energie v dopravě z 2,4 miliard kWh/rok na 4,3 miliard kWh/rok.

Názorně nám to ukáže koláč –

Viz podrobnosti:

Následující str. 16 nám vyčíslí délkový podíl napájecích soustav na tratích SŽDC.

Při zápisu vzorce pro výpočet ztrát energie v prezentaci bohužel utekly mocniny do základní velikosti číslic, čímž se stal špatně srozumitelným. Proto si dovoluji jej přepsat:

p = ΔP / P = RI² / UI = R . P / U² = r . L . P / U²

p ... poměrné ztráty přenosem energie
ΔP ... ztráty přenosem energie
P ... přenášený výkon
R ... odpor vedení
r ... gradient odporu vedení
L ... délka vedení
U ... napětí
I ... proud

Z toho všeho plyne, že napětí 3 kV už brzy přestane stačit na přenos zvyšujících se výkonů v osobní i nákladní dopravě, na plánovaných VRT jej nelze uvažovat vůbec, čili přechod na střídavou soustavu je nevyhnutelný.

Konečně se zde

a následujících stranách dostáváme k řešení energetické situace.

Budu dále upozorňovat a odkazovat na ty body Koncepce přechodu, které potřebují blíže vysvětlit a u nichž se též autor na přednášce zastavil.

- při přechodu napájení z DC trakce na AC trakci využívat stávající napájecí body z distribuční soustavy – tedy přebudovat měnírny na transformovny, pokud možno bez potřeby budovat další distribuční liniová vedení.

Tento požadavek je jistě snadno splnitelný proto, že síť měníren 3 kV je hustší než napájecích stanic 25 kV. Takže je třeba spíš rozhodnout, které se budou rušit.

- při použití aktivních balancérů bude zajištěna symetrie odběru a lze tedy tato odběrná místa využít, a to (v rámci dovoleného výkonového limitu) ze sítě 110 kV v místech nízkého zkratového výkonu. Balancéry zajistí rozložení jednofázového odběru do všech tří fází distribuční sítě.

Balancér je silnoproudé polovodičové zařízení, které z třífázového napájení vyrábí jednofázový výstup. Zatěžuje přitom všechny tři fáze rovnoměrně. Není tedy třeba prostřídávat výstupní fáze do troleje, jako je tomu u dosavadních trafostanic, je možno dosáhnout toho, že všechny koleje a navazující úseky budou soufázní, netřeba děličky.

Jistě vás již napadla otázka, jestli je možno stávající trolej 3 kV včetně izolátorů přepnout bez úprav na 25 kV nebo jestli ji bude nutné zcela snést a nahradit novou. Odpověď je – bez úprav ne, ale zcela nahradit také ne. Naštěstí přecházíme z většího proudu na menší, takže měděný trolejový vodič jej bez problému snese. A izolátory se v současnosti používají jednotné, s pevností pro 25 kV. Určité úpravy a opatření:

S postupným přechodem na novou soustavu budou vznikat dočasně nové styky mezi stejnosměrnou a střídavou –

Jisté úpravy se nevyhnou ani stávajícímu zabezpečovacímu zařízení. Naštěstí je tu podobná výhoda jako v případě proudové zatížitelnosti troleje: Kolejové transformátory, dimenzované na přenos trakč. proudů soustavy 3 kV, jsou mnohem mohutnější než ty pro střídavou trakci, čili mohou zůstat. Výměnu budou potřebovat některé kabely zab. zař. jednak kvůli stáří, jednak se podél střídavých tratí používá stíněný kabel TCEKEZE, opředený hliníkovými dráty.

Co se týče dálkových sdělovacích kabelů – je třeba přejít na optické kabely. Ty nejsou ohroženy vysokým napětím ani indukcí-

Návrh budoucích elektrizací

V současné době se již vážně uvažuje o vybudování vysokorychlostních tratí. Ty mají spojovat mimo jiné i města Ústí nad Labem, Praha, Přerov a Ostrava, nacházející se v oblasti, která je dosud napájena napětím 3 kV. Vysokorychlostní železnice je však nutno napájet napětím 25 kV, neboť jízda vysokou rychlostí (kolem 300 km/h) vyžaduje vysoké výkony, které již nejsou stejnosměrné systémy schopny zajistit. Zaústění vysokorychlostní trati napájené napětím 25 kV do železničního uzlu napájeného napětím 3 kV by bylo velmi nešťastným řešením z těchto důvodů:

- v průběhu rozjezdu, kdy vlak potřebuje co nejradikálněji akcelerovat, aby co nejdříve získal traťovou rychlost, musí při změně systému 3 kV na 25 kV přerušit tažnou sílu. Tím dochází k nepříjemné ztrátě času, kterou je možno kompenzovat jedině následnou jízdou vyšší rychlostí, tedy s vyšší spotřebou energie,

- velkou komplikací je přejíždění mezi konvenční tratí a tratí VRT. Na těchto přechodech musí být nainstalováno klasické dělení mezi napájecími systémy. Vlaky při pomalém najíždění z konvenční tratě na VRT budou blokovat provoz na této hlavní trati. Proto je přeměna napájení železničních uzlů Ústí nad Labem, Praha, Přerov a Ostrava ze 3 kV na 25 kV velmi racionálním přípravným krokem (vkladem) pro integraci ČR do evropské sítě vysokorychlostních železnic.

Řešení návaznosti uzlů na vysokorychlostní tratě

Časový průběh sjednocování napájecích soustav

Zatímco stykových míst obou soustav během postupující přestavby bude muset být víc a postupně se budou posouvat, konečným výsledkem bude, že přestanou existovat.

Je již zpracován i postup přepínání jednotlivých úseků.

Mapa postup přepínání na 25 kV 50 Hz

a zde je i plánovaný harmonogram:

Postup přepínání od hranic s Německem

Postup přepínání od hranic se Slovenskem

Z navrženého harmonogramu tedy plyne, že začít s výstavbou prvního úseku by se mělo již v r. 2019, celá konverze by měla být ukončena v r. 2040, a to tam, kde elektrizace kdysi začala – v Praze.

Pan Ing. Lapáček nám též prozradil, který úsek chtějí konvertovat jako první: Ústí nad Labem-Střekov – Všetaty, v další etapě pokračovat na Nymburk, Hradec Králové a Nymburk – Kolín. Vznesl jsem hned dotaz, jak se přemostí Kolín, aby se nepletly do sebe obě soustavy po dobu, než se přikročí i ke konverzi koridoru. Dostal jsem odpověď, že naštěstí v Kolíně to není problém: Stanici lze rozizolovat podélně, zhlaví Pražské a Nymburské je jasně odděleno, na východním zhlaví je dokonce přesmyk – mimoúrovňové křížení tratí na Pardubice a na Kutnou Horu.

O přednášku byl velký zájem.

Přednáška trvala pouhou hodinu, pan Ing. Petr Lapáček mluvil velmi srozumitelně, a to i pro mne, který již 25 let v oboru nepracuje. Škoda, že na zodpovídání dotazů bylo jen půl hodiny, že pak jsme museli opustit pronajatou učebnu. Odnesl jsem si poznatky, o nichž jsem dosud neměl buď tušení nebo o nich neuvažoval, odnesl jsem si přesvědčení, že

přechod na jednotný napájecí systém 25 kV 50 Hz je nejen v SR ale i v ČR nutný.