Vysokorychlostní železnice včr subsystém energie Vladimír Kudyn Česká železnice v roce 2030, 18.-19.6.2013 0strava
Vysokorychlostní tratě v rámci Evropy Cílem budování vysokorychlostních tratí v Evropě je mimo jiné rovněž potřeba přepravy velkého objemu zboží a cestujících k naplnění základní myšlenky: Zajištění volného pohybu osob, zboží a služeb. V následující tabulce je přehled provozovaných vysokorychlostních tratí v rámci Evropy. Belgie HSL 1 HSL 2 HSL 3 HSL 4 Francie LGV Sud-Est LGV Est LGV Atlantique LGV Rhône-Alpes LGV Nord LGV Interconnexion Est LGV Méditerranée Perpignan-Figueres LGV Rhin-Rhône Německo Cologne Düren Cologne Frankfurt Hanover Würzburg Mannheim Stuttgart Rastatt Offenburg Wolfsburg Berlin Nuremberg Ingolstadt Itálie Turin Milan Milan Bologna Bologna Florence Florence Rome Rome Naples Naples Salerno Nizozemí HSL-Zuid Norsko Gardermoen Line Španělsko Madrid Barcelona Madrid Sevilla Córdoba Malaga Madrid Valladolid Madrid Toledo Figueres Perpignan Madrid Valencia Motilla Albacete Velká Británie High Speed 1 2
Provozní a normativní požadavky Vlastní popis požadovaných parametrů vychází především z technických specifikací interoperability pro vysokorychlostní tratě subsystém energy (TSI HS ENE), vydáno jako rozhodnutí komise 2008/284/ES. Subsystém energetika se skládá z: trakčních napájecích stanic spínacích stanic trolejového vedení zpětného vedení K jednotlivým částem existují speciální normy zejména ČSN EN 50 163 ed.2, ČSN EN 50 122 3
Provozní a normativní požadavky Vzájemné vazby s ostatními subsystémy Souvislost se subsystémem Vysokorychlostní kolejová vozidla Napětí a kmitočet Instalovaný výkon Rekuperační brzdění Ochrana před zkratem Elektrické oddělení fází + Řízení a zabezpečení Elektrické rušení a emise harmonických + Infrastruktura Výška trolejového drátu Boční výkyv vozidel a sběračů 4
Výkonnost systému a instalovaný výkon traťová rychlost (stanoveno IM v registru) nejkratší interval mezi vlaky (mezidobí) maximální proud vlaku (stanoveno IM v registru) power factor = opravdový účiník (λ) vlaku jízdní řád a plán dopravní obslužnosti střední napětí Výkonnost systému rovněž úzce souvisí s vlastní konstrukcí napájecí soustavy a dostupností výkonu v nadřazené energetické síti (distribuční). 5
Přehled základních provozních požadavků Systém energetického napájení elektrické trakce vyžaduje zejména: Dostatečné výkonové dimenzování předávací bod mezi distributorem (např. ČEZ) a manažerem infrastruktury (SŽDC) geografické rozložení napájecích bodů vzhledem k energetické infrastruktuře volba vhodného trakčního systému Kvalitně vybudovanou infrastrukturu technologie TNS konstrukce a dimenzování TV eliminace synergických efektů (koroze bludnými proudy, nesymetrie, zajištění EMC atd.) 6
Volba trakční soustavy Schopnost přenést dostatečný výkon na dostatečnou vzdálenost je základní podmínkou pro výběr. Existuje několik variant řešení: 3 kv DC, výkonové omezení do rychlosti 200 km/h (těžké vedení, proudová náročnost) 15 kv 16 2/3 Hz AC, německý model 25 kv, 50/60 Hz AC. Jednoznačnou volbou v rámci celého evropského železničního prostoru je systém 25 kv, 50 Hz AC. I tento systém však produkuje synergické jevy, které je nezbytné vyřešit. (kvalita odběru, nesymetrie apod.) Hlavními klady tohoto systému jsou: Výkonost, lehká konstrukce TV i sběrače, vysoká přenosová schopnost, možnost uzemnění a zlepšení ochrany před nebezpečným dotykovým napětí 7
Limitní parametry Maximální dovolený proud vlaku včetně pomocných zařízení pro stávající evropské sítě. Úrovně platí jak v trakčním, tak rekuperačním režimu. Vyšší nebo nižší hodnoty proudu vlaku musí být uvedeny v registru infrastruktury pro každou trať (ČSN EN 50 388 ed.2). 8
Limitní parametry Dalším limitujícím parametrem je trakční napětí (ČSN EN 50 163 ed.2). 9
Konkretizace návrhu Vzorový napájený úsek Praha - Brno, vstupy: Vzdálenost 200 km Rychlost 300 km/h Počet jednotek v jednom směru 8 Čas dojezdu 1h => průměrná rychlost 200 km/h Dvojkolejná trať max. příkon vozidla délky 200m je 10MW (ustálená jízda cca 5 MW) Z uvedeného vyplývá: V současné chvíli se na trati pohybuje 8 jednotek v jednom směru Průměrná vzdálenost mezi jednotkami je 25 km Průměrný příkon všech vozidel v úseku Praha-Brno 2x8x5=80 MW 10
Rozložení spotřeby energie Elektrická energie je přenášena prostřednictvím sběrače do motorů elektrického hnacích vozidla. U vozidel, která by se mohla v budoucnu pohybovat na infrastruktuře vysokorychlostních tratí lze předpokládat podle zahraničních zkušeností max. výkon cca 10 MW (využití ve fázi rozjezdu a zrychlování). Zhruba ½ tohoto výkonu (cca 5 MW) by pak byla využitelná pro vlastní jízdu jednotky. Šipky označují rozložení odběru energie jednotlivými vozidly v úsecích, červené šipky potom označují schopnost využít rekuperačního brzdění. 11
Rozložení zdrojů ve smyslu ČSN EN 50 388 ed.2 Technické rozložení napájecích stanic tak jak je pro vysokorychlostní tratě stanoveno v normě ČSN EN 50 388 ed.2 limituje vzdálenost TNS na max. 30 km. Toto omezení platí při použití systému 25 kv, 50 Hz. V případě využití systému 2x25 kv, 50 Hz je toto omezení posunuto na 45 km 50 km. 12
Rozložení zdrojů ve smyslu ČSN EN 50 388 ed.2 Rozložení TNS při využití soustavy 25 kv, 50 Hz a 2 x 25 kv, 50 Hz 13
Realizace TNS - technologie Pro vlastní realizaci trakčních napájecích stanic je možno využít několik technologických řešení. 1. 25 kv, 50 Hz standardní koncepce (transformace 110/27 kv, s využitím sdruženého napětí, silné negativum je nesymetrie) 2.25 kv, 50 Hz s využitím IGBT měničů (aktivního prvku) s jehož pomocí je zajištěno symetrické chování připojené zátěže (TNS) vůči distribuční síti (3x110 kv, 50 Hz) 3.2x25 kv, 50 Hz systém umožňuje snížit počet napájecích bodů (nutnost využití dalších technologických prvků - autotransformátorů, neřeší problém nesymetrie připojení transformátoru na sdružené napětí) 4.Kombinace řešení navržených v bodě 2. a 3. 14
Principiální schéma systému 2 x 25 kv Konstrukce vozidla je standardního řešení jako pro 25 kv, 50 Hz 15
Souhrn Volba napájecího systému je jednoznačně dána => 25 kv, 50 Hz (2x25 kv, 50 Hz). Místa připojení napájecích bodů jsou závislá na kapacitě regionálních distribučních sítí (ČEZ, EON, PRE). Technologie vlastní konstrukce TNS je záležitostí technického vývoje (možno využít měničové techniky DB využívá měniče SIEMENS pro napájení VRT). Vhodná konstrukce trakčního vedení (aplikace na zkušebním okruhu VUŽ do 250 km/h pro DC trakci, prototypovářešení EŽ 300, využitelnost technologie zavedených zahraničních výrobců např. SIEMENS) Vlastní dimenzování napájení a přesná lokalizace trakčních napájecích stanic bude výstupem energetických výpočtů 16
Závěr Děkuji za pozornost!!! 17
Správa železniční dopravní cesty, státní organizace www.szdc.cz