Stejnosměrná nebo střídavá?

Pokusil bych se na tyto otázky stručně – když ne odpovědět, tak alespoň je soustředit do jednoho článku.




Chceme-li se tu zabývat napájecími soustavami, které mají význam pro dopravní výkony v České i Slovenské republice, není třeba začínat od Adama, ba ani od Křižíka, ale až od skončení druhé světové války. Do té doby byla elektrická trakce u nás v plenkách, jen na několika lokálních tratích a také na pražských nádražích a spojkách, a to převážně soustava 1,5 kV ss. 

Křižíkova Elinka EM 400.001 na první elektrifikované trati v Čechách © zelpage

Byly to tyto tratě:

• 1903: Tábor – Bechyně 24,2 km, původně dvouvodičová soustava 2x 700 V ss, od r. 1938 1,5 kV ss
• 1908 – 1912: Elektrická dráha ve Vysokých Tatrách, rozchod 1000mm, celková délka 35 km, napájení nejprve 550 V, od r. 1912 1500 V
• 1909: Trenčianská Teplá – Trenčianské Teplice, rozchod 760 mm, 5,9 km, původně 750 V ss, v r. 1942 zvýšeno na 950 V, v r. 1984 sníženo na 600 V
• 1911: Rybník – Lipno 22,7 km, původně 1 280 V ss, v r. 1955 přepojeno na 1,5 kV, v r. 2005 zahájen provoz na napájecím systému rekonstruovaném na ~25 kV 50 Hz
• 1928: Pražský železniční uzel, napájení 1,5 kV ss, v r. 1962 přepojeno na 3 kV ss

Z uvedeného přehledu je patrné, že pro dopravní výkony až do r. 1945 elektrická trakce významný vliv neměla. Bylo však jasné, že pro poválečnou obnovu i plánovaný rozvoj výstavby, průmyslu i celkového vývoje společnosti si s dosavadní parní trakcí nevystačíme. Nahradit ji nemohla ani trakce motorová – výkonné motorové lokomotivy dosud nebyly, motorové vozy pro osobní dopravu sice ano, některé i na špičkové úrovni (Slovenská strela M 290.0) jejich kapacita však nemohla obsáhnout vzrůstající objemy cestujících, jezdících za prací i rekreací. A naftu musíme kupovat ze zahraničí. Tedy tak jako v jiných vyspělých zemích se nesmělo otálet s elektrifikací hlavních tratí.

Které napětí?

Bylo jasné, že dosavadní u nás používané napětí 1500 V se na hlavních tratích neuplatní. Na vině je vzoreček, známý z fyziky pro 9. ročník:

P = U * I

Neboli: Příkon elektrického spotřebiče je roven součinu napětí na jeho svorkách a proudu, který jím protéká. Máme-li tedy k dispozici napětí 1500 V a požadujeme, aby mašinka dala výkon 2000 kW, musela by odebírat proud 1333 A (pro srovnání: tehdy nejvýkonnější parní lokomotiva 498.0 disponovala výkonem 1800 kW, pozdější nákladní údernice 556.x 1472 kW, nejvýkonnější elektrická lokomotiva E 467.0 jen 1100 kW). Jenže – čím vyšší proud, tím musí být i větší průřez vodiče, pro takovýto proud asi 300 mm², tomu odpovídající bytelné stožáry, aby to vedení unesly, krátké vzdálenosti mezi napájecími stanicemi atd. Zkrátka bylo třeba se raději přiklonit k některé z výkonných napájecích soustav, které se už ve světě na hlavních tratích provozovaly. V Evropě přicházely do úvahy dvě:

1. Střídavá 15 kV, 16 ²/₃ Hz. Soustava, zaváděná ve Švýcarsku již počátkem 20. století, později se rozšířivší i v Rakousku, Německu a Skandinávii.

Rakouská lokomotiva 1020 na 15 kV 16,7 Hz (původně 16 a 2/3 Hz) © Václav Vyskočil

Trolej je napájena buď z rotačních měničů, kde trojfázový šestipólový synchronní motor, napájený z veřejné sítě, pohání jednofázový dvoupólový alternátor, vyrábějící proud o frekvenci 16 ²/₃ Hz, a ten napájí trolej; nebo z vlastní drážní elektrárny, kde generátor vyrábí přímo tu požadovanou frekvenci, rovnající se třetině běžné síťové 50 Hz.  Lokomotiva má transformátor, který snižuje napětí na hodnotu přijatelnou pro izolaci vinutí motorů. Přepínáním odboček na primárním vinutí se reguluje napětí na motoru, a tím i výkon. Proč používají tuto nízkou frekvenci, si povíme za chvíli.

Hydroelektrárna produkující 15 kV 16 a 2/3 Hz © Luděk Šimek (klikněte pro plné rozlišení)

Měnírna, která třífázový proud o frekvenci 50 Hz z veřejné sítě přetváří na 15 kV 16 a 2/3 Hz
a napájí trolej. © Luděk Šimek (klikněte pro plné rozlišení)

Výstroj lokomotivy na 15 kV 16 a  2/3 Hz © Luděk Šimek (klikněte pro plné rozlišení)

2. Stejnosměrný 3 kV. Průkopníkem tohoto systému byla Itálie ve dvacátých letech. K napájení jsou potřeba měnírny – v nich se proud z veřejné sítě transformoval na potřebných 3000 V a usměrňoval rtuťovými diodami (ignitrony). Výkonové polovodiče tehdy ještě nebyly. Lokomotiva pak byla jednodušší než ta na střídavý proud – stejnosměrný proud z troleje procházel přes regulační odporové děliče napětí přímo do motorů, které jsou vždy po dvou trvale spojeny do série (při rozjezdu, aby se snížil záběrový proud, se i tyto dvojice spojí do série). To proto, že neumíme izolaci vinutí i vzájemné odizolování lamel komutátorů udělat na vyšší napětí než 1500 V. A protože stejnosměrný proud nelze transformovat, platí, že jaké napětí je v troleji, takové musíme připojit na svorky té sériové dvojice motorů. Napětí je v podstatě limitujícím faktorem výkonů, které si lze na stejnosměrných tratích dovolit. Výkon motorů je regulován jednak zmíněným odporovým děličem napětí, podobně jako když potenciometrem nastavujeme hlasitost rádia – to především při rozjezdu; při dosažení rychlosti pak odbuzováním buzení – paralelně k ní jsou zařazovány odpory, čímž část proudu buzení obchází. Říká se tomu šuntování buzení.

Principiální schéma měnírny usměrňující proud pro napájení troleje 3 kV =. Pro přehlednost
jsem nakreslil dnešní jednodušší, vybavenou křemíkovými diodami.
© Luděk Šimek (klikněte pro plné rozlišení)

Proč jsme ale už dávno nenapájeli trolej rovnou vysokým střídavým napětím 50 Hz? Může za to komutátorový motor s buzením, zapojeným do série s kotvou. To byl totiž jediný druh elektromotoru, schopný pohánět vozidla v širokém rozsahu rychlosti i zátěže, schopný reagovat na změny zatížení (s kopce – do kopce), vyvinout velkou sílu při rozjezdu a dosahovat vysokých rychlostí. Má totiž trakčně výhodnou momentovou charakteristiku – závislost točivého momentu, tedy síly, kterou motor pohání kola, na rychlosti otáčení.

Momentová charakteristika komutátorového motoru se sériovým buzením © Luděk Šimek

Jeho otáčky jsou na rozdíl od jiných elektromotorů nepřímo úměrné momentu. Tedy při rozjezdu, kdy jsou otáčky nulové, táhne motor maximální silou. Jakmile se vozidlo rozjede, otáčky rostou, tažná síla a s ní i spotřeba proudu klesá, strojvedoucí nemusí „šaltrovat“ (řadit převody), stále sledovat tón motoru a udržovat řazením otáčky na optimu jako řidič auta. Jedno nebezpečí motor se sériovým buzením má a vyčteme ho přímo z přiloženého grafu: Když motor odlehčíme, pustíme ho naprázdno, zatížení je nulové, otáčky rostou nade všechny meze, a motor nakonec exploduje. Naštěstí u kolejového vozidla, napájeného z troleje, toto nebezpečí nehrozí – dokud jede po kolejích, je motor zatížen alespoň vlastní váhou vozidla, a pokud leží na náspu pod tratí, tak už do něj nejde proud.

Komutátorový motor se sériovým buzením tehdy i dlouho potom poháněl všechno, co jezdilo na elektřinu: tramvaje, metro, trolejbusy, akumulátorové vozíky i výkonnější motorové vozy s elektrickým přenosem a tehdy již vznikající motorové lokomotivy. Všechny ale jezdí na stejnosměrný proud, v některých zemích lokomotivy na  16 ²/₃ Hz, což ovšem vyžaduje speciální napájecí stanice. Už zmíněným problémem je, že stejnosměrný proud nelze transformovat, takže nemůžeme trolej napájet vyšším napětím, než poberou motory.

A proč ho nemůžeme napájet padesáti Hertzi? Vždyť doma máme v mixéru i vysavači také komutátorový motor, a na 50Hz frekvenci funguje. Problém spočívá v tom, že běží na napětí pouhých 230 V, proud dosahuje nejvýš 5 A. My však potřebujeme jezdit na 1500 V, proud při rozjezdu je v kiloampérech. A při těchto hodnotách má tento motor nectnost – v rotoru vzniká tzv. transformační napětí, mezi lamelami se vytahuje oblouk, vznikají ztráty, opalují se lamel a uhlíky. Jednoduše, velké komutátorové motory se s frekvencí 50 Hz nesnesou. A to je důvod, proč tehdy v polovině století nebylo možno pohánět vlaky normálním průmyslovým kmitočtem.

 
Přibližné rozložení železničních napájecích soustav v Evropě. Každá má svoje pro a proti,
dohromady však jejich roztříštěnost omezuje dálkovou dopravu jak osob, tak zboží.
© bahnstatistik.de

Porovnejme si teď výhody a nevýhody obou soustav, které v polovině století kandidovaly na zavedení u ČSD:

Schopnost vysokých výkonů: 15kV soustava přenáší výkon pětkrát vyšším napětím než 3kV, měla by to tedy jednoznačně vyhrát. Jenže je tu jiný limitující faktor: hmotnost transformátoru a motorů. Magnetický tok má třetinovou frekvenci, na přenesení stejného výkonu potřebuje tedy třikrát větší průřez jádra, což znamená ²√3 = 1,73x větší všechny rozměry a pětkrát větší objem, tedy i hmotnost trafa, než je potřeba při 50 Hz k přenesení téhož výkonu. Přitom už transformátor na běžných 50 Hz je velmi těžký.

Úspornost regulace: Polovodičová regulace v polovině minulého století ještě nebyla, stejnosměrný proud se dal regulovat jedině odpory, tedy ztrátově. V tomto ohledu vítězí střídavé napájení, regulované odbočkami transformátoru. K nectnostem stejnosměrné sítě je nutné přičíst ještě jeden úkaz: Bludné proudy způsobují elektrolýzu kovových předmětů v zemi, a tím podporují korozi potrubí, stavebních konstrukcí apod., které je nutno proti bludným proudům chránit.

Cenové porovnání: Tady jsme asi u jádra věci. Stejnosměrná lokomotiva je jednodušší a levnější, neboť nemá trafo. Naopak pevná trakční zařízení jsou nákladnější – tlustší měděný trolejový drát, hustší síť napájecích stanic,  protože v dlouhých úsecích troleje jsou větší ztráty. Také je nutno posoudit, čemu celá trať slouží. Platí pravidlo, že tam, kde je hustá doprava, vyžadující hodně vozidel, vyplatí se mít levná vozidla a nákladnější pevná trakční zařízení. Naopak tam, kde je menší hustota vlaků, ale vyšší náročnost na výkony strojů (např. doprava těžkých nákladů po tratích s náročnými sklonovými poměry), je výhodnější mít dražší vozidla a levnější pevná zařízení. Proto bylo v Alpách výhodné mít ten systém, který tam zavedli – složitější lokomotivy, dlouhé úseky mezi trafostanicemi či spíše trakčními elektrárnami. Na škodu nebyl ani atypický kmitočet, který se vyráběl s využitím mechanické energie prudkých vodních toků bez nutnosti stavět přehrady.

Se vzrůstajícím napětím (a klesajícím proudem) se zmenšují ztráty ve vedení. Velice účinně
tohoto jevu využívá běžná distribuční síť a napájecí soustava na železnici by se od ní
měla inspirovat. © geocaching.com

Co tedy rozhodlo u nás? Soudobý populista by tu otázku shodil se stolu prohlášením, že to byla tehdejší orientace na Sovětský svaz, kde také zvolili 3 kV ss. To ale v tomto případě asi nehrálo důležitou roli. Byla tu mnohem „tvrdší“ bariéra rozdílného rozchodu, takže pro vzájemný styk bylo úplně jedno, jaké má kdo napájení. Spíše sehrálo roli, že i odborníky na západ od nás byl tehdy stejnosměrný systém hodnocen jako modernější, že páteř republiky Děčín – Praha – Ostrava - Košice, kde se s elektrifikací začalo, představoval spíš model husté dopravy – levná vozidla a drahá pevná zařízení. Zkrátka byla zvolena soustava 3 kV =.

Počátky elektrifikace ČSD

Po dalších rozborech a studiích v rámci železniční sítě celé republiky rozhodlo v polovině roku 1946 ministerstvo dopravy o elektrizaci Československých státních drah v té době nejmodernějším systémem 3000 V – praví se v publikaci Lokomotivy a historie, kterou vydalo NADAS v r. 1989 u příležitosti 150. výročí první parostrojní železnice na našem území. Zároveň potvrdilo, že prvním elektrizovaným úsekem bude slovenský úsek Žilina – Spišská Nová Ves a druhým úsekem, na němž bude práce probíhat částečně paralelně, úsek Praha – Česká Třebová.

Namítnete, že právě ten první úsek je dosti v rozporu s mým předchozím tvrzením o vhodnosti 3000 V pro dané sklonové poměry a hustotu provozu, ale byla zvolena jednotná soustava pro celou páteř republiky od Děčína po Čiernou nad Tisou a úsek mezi Tatrami byl nejnáročnější na výkony strojů, proto se s ním začalo. O to smutnější je, že tam dodnes na tahání těžkých nákladních souprav nemají nic novějšího než dvojičky řady 131 se ztrátovou odporovou regulací.

Když slavná „bobina“ vyjela v r. 1955 na tratě ČSD, nebyla to žádná troškařka. Dovede zabrat
silou 112 kN a pak to třeba rozpálit 120 km/h, což byl úctyhodný výkon. © prototypy.cz

Výstavbu zahájili slavnostním výkopem pro první trakční stožár 12. června 1949 ve Varíně. První vlaky, vedené dnes již legendárními bobinami E 499.0, vyjely na 167 km dlouhý úsek Žilina – Spišská Nová Ves v roce 1955. Provoz na skoro stejně dlouhém (164 km) úseku Praha – Česká Třebová byl zahájen o rok později. Po zavedení troleje na celém tahu Praha – Ostrava - Košice – Čierná nad Tisou se výstavba soustředila opačným směrem – na mosteckou hnědouhelnou pánev a její napojení na hlavní tah přes Ústí nad Labem a Nymburk. A sluší se uvést zde jedno jméno, významné pro zavedení měděné pavučiny nad československé koleje: Dr. ing. František Jansa. (* 7. VI. 1903 – † 3. VI. 1998).

Dr. ing. František Jansa, průkopník elektrické trakce na ČSD © odbornecasopisy.cz

Střídavý systém 25 kV 50 Hz

Mezitím konstruktérům stále nedala spát možnost napájet vozidla střídavým proudem o běžné frekvenci 50 Hz, a přenášet tak velké výkony vysokým napětím, v lokomotivě jej pak transformovat a usměrňovat do podoby stravitelné pro trakční motory. Prvně se napájení 50 Hz uvedlo do praxe v Maďarsku již ve 20. letech, jeho průkopníkem byl Kálmán Kandó (* 10. VII. 1869 – † 13. 1. 1931).

Maďarský vynálezce střídavé napájecí soustavy Kálmán Kandó © Wikipedia

Jeho lokomotivy měly ale asynchronní motory, napájené z rotačního měniče fází. Lokomotiva obsahovala tedy transformátor, měnič a motory, a tak musela být hmotnost strojů pro odpovídající výkon trojnásobná oproti stejnosměrným lokomotivám.

Maďarská lokomotiva V40, poháněná proudem průmyslového kmitočtu 50 Hz © Wikipedia

U nás se začalo s vývojem střídavých lokomotiv dřív než s elektrizací tratí touto soustavou. Dva prototypy vyjely z plzeňské Škodovky v r. 1957, nesly označení E 479.0 (později přeznačené na S 479.0), ten první měl ignitronové, tedy rtuťové usměrňovače, ten druhý už polovodičové křemíkové. Právě křemíkové polovodiče byly tou stěžejní součástkou, na kterou se čekalo a která způsobila revoluci v elektrické trakci. Ony rtuťové se na lokomotivách příliš neosvědčily – mechanické namáhání je může snadno poškodit. Teprve díky křemíkovým se mohlo přistoupit k zavádění té výkonnější a zároveň hospodárnější soustavy.

Principiální schéma napájecí stanice 25 kV 50 Hz a lokomotivy tohoto systému
© Luděk Šimek (klikněte pro plné rozlišení)

V roce 1959 rozhodla vláda o zavedení druhého napájecího systému 25 kV 50 Hz. První provozuschopný úsek Plzeň – Horažďovice byl dokončen v r. 1963. Pak se přikročilo k výstavbě na trati Kutná Hora – Havlíčkův Brod – Jihlava (1965) a dále z Havlíčkova Brodu do Brna (1966). Elektrifikoval se tedy druhý hlavní tah z Prahy do Brna a dále do Bratislavy i Břeclavi (1967). Právě tady, na průtahu Vysočinou, střídavá trakce ukázala, co dovede. Vždyť jsem tu již párkrát zmiňoval, že jsem jako chlapec s oblibou sledoval, jaké problémy mají parní lokomotivy zdolávat s těžkým nákladem stoupání 12 ‰. Na témže úseku si později dvě fešné laminátky, jedna vpředu, druhá vzadu, jely s nákladem jak na výlet.

Jenže na laminátky S 489.0 si bohužel vozba musela pár let počkat, než je z Plzně dodají. Trolej už byla hotová, ale jezdily pod ní stále páry a svým horkým kouřem ničily izolátory. Až v polovině roku 1967 se tu objevily žlutočervené krasavice, jak je pan designér Diblík vystrojil, se světově unikátní, elegantní lokomotivní skříní ze sklolaminátu.

S 489.0001 nepotřebuje komentář © prototypy.cz

Střídavá síť začínala v Kutné Hoře hl. n. (respektive ve směru kilometráže tam končila) a dál do Kolína pokračovala stejnosměrná napájecí soustava, navazující na hlavní tah přes Kolín. Kutná Hora je první stykovou stanicí obou soustav, další nalezneme v Nedakonicích na Uherskohradišťsku. Všude jinde je styk na širé trati. Dvojsystémové lokomotivy ještě nebyly, každý vlak tu tedy musel přepřáhnout, což znamenalo v grafikonu pobyt 12 minut.

Tak se republika rozdělila podélně na dvě pomyslné části: „zelený“ sever a „červený“ jih. Tehdy, při zavádění nového střídavého systému, se bralo za téměř jisté, že budoucnost má jedině střídavá, že postupně i sever sítě na ni bude rekonstruován, předpokládaly se jeho výrazně nižší investiční i provozní náklady. Toto se však v praxi nijak výrazně nepotvrdilo. V osmdesátých letech vstupuje do hry i technický prvek, s kterým původní kalkulace o úsporách střídavého systému oproti stejnosměrnému nepočítaly. Jde o pulsní regulaci, uplatňující se i na nových stejnosměrných či na vícesystémových strojích při jízdě pod stejnosměrným napětím. Stejnosměrný provoz se tím zbavuje svého největšího hendikepu a uplatňuje se výrazněji pravidlo, že v oblasti s hustým provozem vyjde výhodněji mít levnější vozidla a dražší pevná zařízení.

Mapa elektrické trakce v České republice © Ing. Pavel Krýže, Ph.D (kliknutí do náhledu ji
otevře ve formátu PDF)

Mapa elektrické trakce ve Slovenské republice © OLTIS (klikněte pro plné rozlišení)

Po rozdělení státu v roce 1993 je ovšem situace v ČR a SR značně odlišná. V Česku skutečně odpovídá tomu, že hustě obydlené a průmyslové aglomerace s hustou dopravou jsou obsluhovány stejnosměrnou trakcí, ty řidčeji osídlené s náročnějšími sklonovými poměry jako Vysočina mají tratě střídavé. Na Slovensku je tomu ale přesně naopak: Stejnosměrný sever představuje trať Žilina – Košice, vedoucí úvalem mezi Tatrami, kdežto v nížině podél Dunaje, kolem Bratislavy je střídavé napájení. Je mi zřejmé, že větší budoucnost má soustava střídavá, že časem opravdu snad dojde k tomu, že stejnosměrné tratě budou postupně rekonstruovány na střídavé. Zatímco však na Slovensku by mělo smysl přejít na střídavou co nejdřív, v Česku to může počkat, SŽDC má zatím naléhavější priority, kam je třeba vrhnout investice. Pokud se ovšem do té doby neobjeví a neuplatní nějaký jiný druh pohonu, který nebude potřebovat dráty nad kolejemi.

A ještě slovo k laskavému čtenáři, zejména k tomu, který má elektrotechnické vzdělání i letitou praxi s prací na elektrické trakci a který se na má schémata bude koukat jako na dětské říkanky. Já vím, chybí tam skoro všechno – jištění, hlavní spínače, měření, ovládání, pomocné pohony a mnoho dalšího, je to zkrátka zjednodušené. Nákresy jsou totiž určeny pro laickou veřejnost. Najde se jistě i dost čtenářů Vlaky.net, kteří nemají elektrotechnickou kvalifikaci. I jim jsem chtěl vysvětlit, proč máme dvě napájecí soustavy. Jako se mi to nikdy nepodařilo osvětlit brblajícím cestujícím v dobách, kdy se v Kutné Hoře přepřahalo (a kdy naopak těch 12 minut pobytu přišlo vhod kuřákům a žíznivcům, obléhajícím stánek).

Úvodní foto: Napájecí stanice ŽZO Velim je mnohosystémová (25. 6. 2015) © PhDr. Zbyněk Zlinský