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 mi: 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 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 a přípustné meze jejich hodnot a trvání
Trakční proudová soustava Jmenovité Nejnižší nestálé Nejnižší stálé Nejvyšší stálé Nejvyšší nestálé U n min2 min1 max1 max2 (V) Doba trvání max. 2 min. max. 5 min. Stejnosměrná (střední hodnoty) Střídavá (efektivní hodnoty) 600 400 400 720 800 750 400 500 900 1 000 1 500 1 000 1 000 1 800 1 950 3 000 2 000 2 000 3 600 3 900 15 000 11 000 12 000 17 250 18 000 25 000 17 500 19 000 27 500 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 mm 2, 100 mm 2, 107 mm 2, 120 mm 2 a 150 mm 2. 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 80 mm 2 100 mm 2 107 mm 2 120 mm 2 150 mm 2 Pevnost v tahu [MPa] 310-355 Teplotní součinitel odporu [Ω/K] 3,81 10-3 Součinitel délkové teplotní roztažnosti 17,0 10-6 [m/k] Hmotnost [kg/m] 733 916 980 1099 1374 Odpor [Ω/km] 0,229 0,183 0,171 0,153 0,122 Tvary používaných vodičů jsou na obrázku Obr. E.4.
a) b) Obr. E.4: Průřez trolejovým vodičem o průřezu 150 mm 2. 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 S r γ l = 1000 q [Ω/km] kde: r [Ω/km mm 2 ] měrný odpor oceli S [mm 2 ] průřez kolejnice γ [kg/km/mm 2 ] hustota oceli l [m] délka vedení q [kg/m] 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.
Tab. E.3: Hodnoty činných odporů rozvodů trakčního proudu pro nový stav vedení. Průřez trolejového vedení Odpor troleje [Ω/km] Hmotnost kolejnice [kg/m] Odpor kolejnice [Ω/km] 45 56 65 0,0284 0,0236 0,0204 Cu 100 mm 2 0,180 0,210 0,204 0,200 Cu 120 mm 2 0,150 0,180 0,174 0,170 Cu 150 mm 2 0,120 0,150 0,114 0,110