Elektrifikace české železnice

V roce 2015 evidovala Správa železnic (dříve Správa železniční dopravní cesty) 9 470 km kolejí, z nichž zhruba třetina z toho byla elektrifikovaná. Elektrifikace je doménou především 20. století, proces ale začal již v 19. století. [4]

Vývoj napájení železnice

První pokus o elektrifikaci trakce nastaly ještě v období parních lokomotiv. Původní myšlenka však byla vcelku vzdálená od dnešní podoby, leč se k ní mnoho výrobců dnes vrací v rámci dekarbonizace. Prvním pokusem o elektrifikaci byla tzv. nezávislá trakce. Jedná se o systém, kdy je vozidlo stejně jako parní lokomotiva nezávislá na železniční dráze a disponuje vlastním zdrojem elektrické energie. Zdrojem byly galvanické články, umístěné ve vozidle. [4]

Od nezávislé trakce se však záhy upustilo a vývoj se zaměřil na trakci závislou. Prvním systémem se závislou trakcí vytvořil Werner von Siemens v roce 1879. Tedy již systém shodný s dnešní podobou, lokomotiva získává elektrickou energii z trakčního vedení. Siemensovo řešení využívalo stejnosměrný proud k napájení, jednalo se tedy o stejnosměrnou trakci. [4]

Vzhledem k tomu, že ve stejné době vznikala také elektrizační soustava, která alespoň v Evropě byla převážně střídavá, existovala motivace vytvořit trakci střídavou. Nejvíc se o vznik střídavé trakce přičinil maďarský technik Kálmán Kandó. První vozidla a úseky využívající střídavou trakci vznikly již v roce 1892, velký nástup střídavé trakce přišel až o více jak půl století později s nástupem polovodičových součástek okolo roku 1950. [4]

Typy trakce

Vývoj elektrické trakce probíhal v různých zemích Evropy, a proto se dnes z historických a geopolitických důvodů setkáme s různými parametry napájecí trakce, stejně tak jako s různými kolejovými dráhami.

• Stejnosměrné (DC)

  • 0,75 kV
  • 1,5 kV
  • 3 kV

• Střídavé (AC)

  • 25 kV; 50 Hz
  • 15 kV; 16,7 Hz (16 + 2/3 Hz)

V případě stejnosměrné trakce (DC) je kolejové napájecí vedení, tzv. trolej napájená z elektrických stanic, tzv. měníren stejnosměrnou elektrickou energií. Měnírny jsou rozprostřeny podél železniční dráhy a udržují danou hodnotu stejnosměrného napětí v troleji.

Střídavá trakce (AC) kolejové napájecí vedení, trolej, napájí střídavou elektrickou energií. Energii pro trolej zajišťují transformační stanice, které zajišťují požadovanou hodnotu střídavého napětí v troleji. Jak je zřejmé, trolej je pouze jednofázová. Vzhledem k tomu, že máme střídavou trakci, uvádíme efektivní hodnotu napětí a napájecí frekvenci, s jakou se hodnota střídá.

Stejnosměrná (DC) trakce

Stejnosměrná trakce se vyznačuje jednodušší regulací pohonu. Ve stejnosměrné trakci jsou k pohonu lokomotiv a trakčních jednotek využívány stejnosměrné motory bez potřeby usměrňovače. Regulace u stejnosměrných motorů je mnohem jednodušší z konstrukční podstaty a nevyžaduje polovodičové součástky společně s řídícím obvodem. V současné době jsou již polovodičové měniče pro regulaci střídavě napájených asynchronních a synchronních motorů tak rozšířené, že jejich použití převažuje. [5]

Mezi nevýhody stejnosměrné trakce patří velké hodnoty proudu dané transformací požadovaného výkonu v měnírnách. Vedení tak musí být dimenzováno na větší hodnoty proudu, ať už z hlediska oteplení nebo izolace. Stejnosměrné napájení vyžaduje mnohem hustší síť elektrických stanic, měníren a jejich konstrukce je značně složitější ve srovnání s transformačními stanicemi v AC trakci. [5]

Zdaleka nejrozšířenější stejnosměrnou soustavou v Evropě je DC 3 kV.

Střídavá (AC) trakce

Střídavá trakce dnes představuje nejrozšířenější soustavu železničního napájení v Evropě. Nejčastěji se setkáme se soustavou AC 25 kV 50 Hz. Soustava 25 kV, 50 Hz je ze všech dosud provozovaných soustav nejjednodušší a nejúspornější. Jedná se o jednofázové napájení trakčních vozidel. V případě lokomotivy se stejnosměrným motorem je třeba energii usměrnit, u lokomotivy s třífázovým asynchronním motorem naopak převést jednofázový systém na třífázový. V kontextu rozšíření řízených polovodičových součástek se dnes běžně využívá řízených polovodičových měničů, které zajišťují plynulou regulaci pohonu i v případě využití asynchronních motorů. [6]

Mezi výhody střídavé trakce patří nízké ztráty v trolejovém vedení. Z důvodu nižších hodnot proudů není třeba tak velký průřez vedení jako v případě stejnosměrné trakce. Díky nižším ztrátám mohou být vzdálenosti mezi transformačními stanicemi větší. Transformace střídavé trakce nevyžaduje usměrnění energie, a proto je provedení stanic jednodušší. [5]

Velkou nevýhodou střídavé trakce jsou zpětné účinky na třífázovou elektrizační soustavu, ze které je energie odebírána. Problém souvisí s nesymetrickým zatížením sítě v důsledku toho, že trakce je pouze jednofázová a nestálým účiníkem vůči elektrické síti. [5]