Elektrifikace železnice 25 kV AC - 25 kV AC railway electrification

Železniční elektrifikační systémy v Evropě:
  Neelektrifikovaná
  750 V DC
  1,5 kV DC
  3 kV DC
  15 kV AC
  25 kV AC
Vysokorychlostní tratě ve Francii, Španělsku, Itálii, Velké Británii, Nizozemsku, Belgii a Turecku fungují pod 25 kV , stejně jako vysokonapěťové linky v bývalém Sovětském svazu.

Celosvětově se používají železniční elektrifikační systémy využívající střídavý proud (AC) při 25 kilovoltech (kV) , zejména pro vysokorychlostní železnice .

Přehled

CSR EMU na Roca linky v Buenos Aires , s použitím 25 kV AC.

Tato elektrifikace je ideální pro železnice, které pokrývají dlouhé vzdálenosti nebo přepravují hustý provoz. Po nějakém experimentování před druhou světovou válkou v Maďarsku a ve Schwarzwaldu v Německu se rozšířilo v padesátých letech minulého století.

Jedním z důvodů, proč nebyl zaveden dříve, byl nedostatek vhodného malého a lehkého řídicího a rektifikačního zařízení před vývojem polovodičových usměrňovačů a související technologie. Dalším důvodem byly zvýšené vzdálenosti, které byly vyžadovány tam, kde vedly pod mosty a v tunelech, což by vyžadovalo velké stavební inženýrství , aby byla zajištěna zvýšená vůle živých částí.

Železnice používající starší stejnosměrné systémy s nižší kapacitou zavedly nebo zavádějí pro své nové vysokorychlostní tratě místo 3 kV DC/ 1,5 kV DC 25 kV AC .

Dějiny

První úspěšné operační a pravidelné používání systému 50 Hz se datuje do roku 1931, testy probíhaly od roku 1922. Byl vyvinut Kálmánem Kandóem v Maďarsku, který používal 16 kV AC při 50 Hz , asynchronní trakci a nastavitelný počet ( motorové) póly. První elektrifikovaná linka pro testování byla Budapest – Dunakeszi – Alag. První plně elektrifikovaná trať byla Budapešť – Győr – Hegyeshalom (součást trati Budapešť – Vídeň). Přestože Kandóovo řešení ukázalo cestu do budoucnosti, železniční provozovatelé mimo Maďarsko projevili o návrh nezájem.

První železnice používající tento systém byla dokončena v roce 1936 Deutsche Reichsbahn, který elektrifikoval část Höllentalbahn mezi Freiburgem a Neustadtem instalací 20 kV , 50 Hz AC systému. Tato část Německa byla po roce 1945 ve francouzské okupační zóně. V důsledku zkoumání německého systému v roce 1951 SNCF elektrifikovalo hranici mezi Aix-les-Bains a La Roche-sur-Foron v jižní Francii, zpočátku pomocí stejných 20 kV, ale převedených na 25 kV v roce 1953. Systém 25 kV byl poté přijat jako standard ve Francii, ale protože značné množství kilometrů jižně od Paříže již bylo elektrifikováno na 1 500 V DC , SNCF také pokračovalo v některých velkých nových projektech elektrifikace DC , dokud v 60. letech nebyly vyvinuty lokomotivy se dvěma napětími.

Hlavním důvodem, proč předtím nebyla použita elektrifikace při tomto napětí, byla nedostatečná spolehlivost usměrňovačů typu rtuťového oblouku, které by se vešly do vlaku. To zase souviselo s požadavkem na použití stejnosměrných motorů , které vyžadovaly převod proudu ze střídavého na stejnosměrný a k tomu je zapotřebí usměrňovač . Do počátku 50. let 20. století byly usměrňovače rtuťového oblouku obtížně provozovatelné i za ideálních podmínek, a proto nebyly vhodné pro použití v železničních lokomotivách.

Bylo možné použít střídavé motory (a některé železnice ano, s různým úspěchem), ale pro trakční účely mají méně než ideální vlastnosti. Důvodem je to, že řízení rychlosti je obtížné, aniž by se měnila frekvence a závislost napětí na regulaci otáček dává točivý moment při jakékoli dané rychlosti, která není ideální. Proto jsou motory řady DC nejlepší volbou pro trakční účely, protože je lze ovládat napětím a mají téměř ideální charakteristiku točivý moment vs. rychlost.

V devadesátých letech začaly vysokorychlostní vlaky používat lehčí třífázové indukční motory na střídavou údržbu . N700 Shinkansen používá převodník třístupňové převést 25 kV jednofázový až 1,520 V AC (přes transformátor) do 3000 V DC (přes fázově řízený usměrňovač s tyristorem) na maximálně 2300 V třífázový (prostřednictvím proměnné napětí, frekvenční měnič využívající IGBT s pulzně šířkovou modulací ) k chodu motorů. Systém pracuje opačně pro rekuperační brzdění .

Volba 25 kV souvisela s účinností přenosu energie jako funkcí napětí a nákladů, nikoli na základě úhledného a uklizeného poměru napájecího napětí. Pro danou úroveň výkonu umožňuje vyšší napětí nižší proud a obvykle lepší účinnost při vyšších nákladech na vysokonapěťová zařízení. Bylo zjištěno, že 25 kV je optimálním bodem, kde by vyšší napětí stále zlepšovalo účinnost, ale ne o značné množství ve vztahu k vyšším nákladům, které vznikly v důsledku potřeby větších izolátorů a větší vzdálenosti od struktur.

Aby se zabránilo zkratům , musí být vysoké napětí chráněno před vlhkostí. Povětrnostní události, jako například „ špatný typ sněhu “, způsobily v minulosti selhání. Příklad atmosférických příčin nastal v prosinci 2009, kdy se v tunelu pod Lamanšským průlivem porouchaly čtyři vlaky Eurostar .

Rozdělení

Elektrická energie z výrobny je přenášena do rozvoden pomocí třífázového distribučního systému.

V rozvodně rozvodné sítě je přes dvě ze tří fází vysokonapěťového zdroje připojen stupňovitý transformátor . Transformátor snižuje napětí na 25 kV, které je dodáváno do železniční napájecí stanice umístěné vedle kolejí. SVC se používají pro vyrovnávání zátěže a řízení napětí.

V některých případech byla do rozvoden s jednofázovými střídavými transformátory postavena vyhrazená jednofázová střídavá napájecí vedení. Takové linky byly stavěny pro zásobování francouzského TGV .

Standardizace

Elektrifikace železnice pomocí 25 kV , 50 Hz AC se stala mezinárodním standardem. Existují dva hlavní standardy, které definují napětí systému:

  • EN 50163: 2004+A1: 2007 - "Železniční aplikace. Napájecí napětí trakčních systémů"
  • IEC 60850 - „Železniční aplikace. Napájecí napětí trakčních systémů“

Přípustný rozsah povoleného napětí je uveden ve výše uvedených normách a zohledňuje počet vlaků odebírajících proud a jejich vzdálenost od rozvodny.

Elektrizační
systém 		Napětí
Min.
dočasný 		Min.
trvalý 		Nominální Max.
trvalý 		Max.
dočasný
25 000 V , AC, 50 Hz 17 500 V 19 000 V. 25 000 V. 27 500 V 29 000 V.

Tento systém je nyní součástí transevropských standardů evropské interoperability železniční dopravy (1996/48/ES „Interoperabilita systému transevropských vysokorychlostních železnic“ a 2001/16/ES „Interoperabilita transevropského konvenčního železničního systému ").

Variace

Byly použity systémy založené na této normě, ale s určitými obměnami.

25 kV AC při 60 Hz

Viz také: Seznam železničních elektrizačních systémů: 25 kV AC, 60 Hz

V zemích, kde je 60 Hz normální frekvence síťového výkonu, se pro elektrifikaci železnice používá 25 kV při 60 Hz .

20 kV AC při 50/60 Hz

V Japonsku se to používá na stávajících železničních tratích v oblasti Tohoku , Hokuriku , Hokkaido a Kyushu , z nichž Hokuriku a Kyushu jsou na 60  Hz .

12,5 kV AC při 60 Hz

Některé linky ve Spojených státech byly elektrifikovány při 12,5 kV 60 Hz nebo převedeny z 11 kV 25 Hz na 12,5 kV 60 Hz . Použití 60 Hz umožňuje přímé napájení z rozvodné sítě 60 Hz, ale nevyžaduje větší vzdálenost vodičů pro 25 kV 60 Hz nebo vyžaduje schopnost dvojího napětí pro vlaky provozované také na tratích 11 kV 25 Hz . Příklady jsou:

12 kV při 25 Hz

6,25 kV AC

Počáteční elektrizace železnice 50 Hz střídavého proudu ve Spojeném království byla plánována pro použití sekcí při 6,25 kV AC, kde byla omezená vůle pod mosty a v tunelech. Kolejová vozidla byla duálního napětí s automatickým přepínáním mezi 25 kV a 6,25 kV . Sekce 6,25 kV byly převedeny na 25 kV AC v důsledku výzkumných prací, které prokázaly, že vzdálenost mezi živým a uzemněným zařízením může být snížena z původně předpokládané potřeby.

Výzkum byl proveden pomocí parního stroje pod mostem v Crewe . Sekce trolejového vedení 25 kV byla postupně přibližována k uzemněnému kování mostu, přičemž byla vystavena páře z komína lokomotivy. Byla změřena vzdálenost, ve které došlo k přeskoku, a to bylo použito jako základ, ze kterého byly odvozeny nové vzdálenosti mezi stropním zařízením a strukturami.

50 kV AC

Občas se 25 kV zdvojnásobí na 50 kV, aby se získal větší výkon a zvýšila vzdálenost mezi rozvodnami. Takové čáry jsou obvykle izolovány od ostatních linek, aby se předešlo komplikacím s přerušením. Příklady jsou:

2 x 25 kV systém autotransformátoru

1. Napájecí transformátor
2. Napájení
3. Nadzemní vedení
4. Pojezdová kolej
5. Podávací vedení
6. Pantograf
7. Lokomotivní transformátor
8. Nadzemní vedení
9. Autotransformátor
10. Pojezdová kolejnice
Systém trolejového vedení 2 × 25 kV ve Francii mezi Paříží a Caen

Systém autotransformátoru 2 × 25 kV je systém s rozdělenou fázovou elektrickou energií , který dodává vlakům energii 25 kV, ale přenáší energii při 50 kV, aby se snížily energetické ztráty. Nesmí být zaměňováno se systémem 50 kV. V tomto systému je proud přenášen hlavně mezi trolejovým vedením a napájecím vedením místo kolejnice. Nadzemní vedení (3) a podavač (5) jsou na opačných fázích, takže napětí mezi nimi je 50 kV, ale napětí mezi trolejovým vedením (3) a pojezdovými kolejnicemi (4) zůstává na 25 kV. Periodické autotransformátory (9) odvádějí zpětný proud z neutrální kolejnice, zvyšují jej a odesílají podél napájecího vedení. Tento systém používají indické železnice , ruské železnice , italské vysokorychlostní železnice, britské vysokorychlostní železnice-1, většina hlavní trati západního pobřeží a příčná kolej, přičemž některé části starších tratí se postupně převádějí, francouzské tratě (linky LGV a některé další tratě), většina španělských vysokorychlostních železničních tratí, Amtrak a některé z finských a maďarských tratí.

Zvýšené napětí

Při běhu světového rychlostního rekordu TGV ve Francii bylo napětí dočasně zvýšeno na 29,5 kV a 31 kV v různých časech.

25 kV na širokorozchodných tratích

25 kV na úzkokolejných tratích

Jiná napětí na elektrizaci 50 Hz

Vícesystémové lokomotivy a vlaky

Hlavní článek: Multi-system (rail)

Vlaky, které mohou pracovat na více než jednom napětí, řekněme 3 kV/25 kV, jsou zavedené technologie. Některé lokomotivy v Evropě jsou schopné používat čtyři různé napěťové standardy.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Keenore, Garry. Elektrifikace trolejového vedení pro železnice.
  • Boocock, Colin (1991). Elektrifikace východního pobřeží . Ian Allan. ISBN 0-7110-1979-7.
  • Gillham, JC (1988). The Age of the Electric Train - Electric Trains in Britain since 1883 . Ian Allan. ISBN 0-7110-1392-6.
  • Glover, John (2003). Eastern Electric . Ian Allan. ISBN 0-7110-2934-2.
  • Machefert-Tassin, Yves; Nouvion, Fernand; Woimant, Jean (1980). Histoire de la Traction Electrique, sv . 1 . La Vie du Rail. ISBN 2-902808-05-4.
  • Nock, OS (1965). Nová britská železnice: Elektrifikace hlavních tratí Londýn-Midland z Eustonu do Birminghamu, Stoke-on-Trent, Crewe, Liverpoolu a Manchesteru . Londýn: Ian Allan. OCLC  59003738 .
  • Nock, OS (1974). Electric Euston do Glasgow . Ian Allan. ISBN 0-7110-0530-3.
  • Proceedings of the British Railways Electrification Conference, London 1960 - Railway Electrification at Industrial Frequency . Londýn: British Railways Board. 1960.
  • Semmens, Peter (1991). Elektrifikace trasy na východním pobřeží . Patrick Stephens Ltd. ISBN 0-85059-929-6.