Trakčné vedenie, ktorým sa privádza elektrická energia z trakčných napájacích staníc k elektrickým HDV je rozdelené na jednotlivé navzájom elektricky izolované úseky, tzv. napájacie úseky. Dĺžka napájacieho úseku závisí na druhu použitej trakčnej napájacej prúdovej sústavy (od výšky napájacieho napätia, frekvencii) a na spôsobe napájania.
Na našich železniciach sú použité tieto hlavné napájacie trakčné prúdové sústavy:
3 kV js (trate: Horní Lideč – Púchov – Žilina; Svrčinovec – Žilina – Vrútky/Martin – Kysak – Košice – Čierna nad Tisou; Plaveč – Prešov – Kysak; Haniska pri Košiciach – Košice; Čaňa – Košice; Kalša/Michaľany Trebišov – Bánovce nad Ondavou; ŠRT Maťovce – Haniska pri Košiciach)
Schéma napájania jednosmerných TNPS
25 kV, 50 Hz (trate: Brodské – Bratislava – Rusovce; Bratislava – Galanta – Palárikovo – Nové Zámky – Štúrovo – Szob MÁV; Bratislava – Trnava – Leopoldov – Dolné Kočkovce; Kúty – Jablonica – Trnava, Galanta – Sereď – Trnava, Sereď – Leopoldov, Bratislava – Galanta – Palárikovo – Nové Zámky – Zvolen – Banská Bystrica; Nové Zámky – Komárno)
Schéma napájania jednofázovej sústavy 25 kV, 50 Hz
15 kV, 16 2/3 Hz (žst. Bratislava-Petržalka – štátna hranica/ÖBB)
Schéma napájania jednofázovej sústavy 15 kV, 16 2/3 Hz
Na vedľajších tratiach sa používajú tieto napájacie trakčné sústavy:
1,5 kV js (Poprad-Tatry – Starý Smokovec – Štrbské Pleso; Starý Smokovec – Tatranská Lomnica; Štrba – Štrbské Pleso; všetky s rozchodom 1000 mm)
600 V js (trať Trenčianska Teplá – Trenčianske Teplice s rozchodom 760 mm)
Pre jednosmerné trakčné napájacie sústavy sa používa napájanie jednostranné, dvojstranné alebo štvorstranné.
Jednostranné napájanie sa používa často pre mestskú dopravu. Keď je elektrický prúd z jednej napájacej stanice privedený elektrickými káblami k viacerým napájacím úsekom ide o sústredené napájanie. Ak napájacia stanica napája len dva susedné napájacia úseky ide o rozložené napájanie. Nevýhodou tohto spôsobu napájania je malá dĺžka napájacieho úseku a dlhé káble pri sústredenom napájaní. Výhodou je jednoduchá a spoľahlivá lokalizácia prípadných porúch, prehľadnosť prúdových ciest a dobré využitie prierezu vedenia, na dvojkoľajných tratiach sa obe súbežné trolejové vedenia prepájajú priečnymi spojkami.
Jednostranné sústredené napájanie
Dvojstranné napájanie sa realizuje spravidla ako rozložené napájanie. Jednotlivé napájacie úseky sú napájané z dvoch strán, takže vzhľadom na úbytok napätia a prúd je možné predĺžiť dĺžku úseku na dvojnásobok pri rovnakom odbere a rovnakom odpore trakčného vedenia oproti jednostrannému napájaniu. Dvojstranné rozložené napájanie dvojkoľajnej trate s oddeleným napájaním pravej a ľavej koľaji umožňuje vykonávať výluku napájania jednej koľaji pri oprave alebo poruche a uľahčuje lokalizáciu prípadných porúch. Najväčší úbytok napätia v tomto prípade vzniká pri pohybe jediného hnacieho dráhového vozidla uprostred napájacieho úseku. Oproti jednostrannému napájaniu môže byť v tomto prípade prúdový odber dvojnásobný a úbytok napätia je pritom polovičný.
Dvojstranné rozložené napájanie dvojkoľajnej trate
Štvorstranné napájanie je možné použiť na dvojkoľajnej trati s dvojstranným napájaním tak, že uprostred úseku sa umiestni úsekový delič a spínacia stanica, ktorá umožní vzájomné prepojenie všetkých častí trolejového vedenia v úseku. Pri zopnutí vypínačov S1 až S4 je každé hnacie dráhové vozidlo napájané cez všetky napájačové vypínače 1, 2, 1´, 2´. Zväčší sa tak vodivý prierez vedenia a znížia úbytky napätia. Ďalšou výhodou je, že pri poruche možno vyradiť z prevádzky vedenie len na polovici dĺžky úseku a na jednej koľaji. Medzi dvomi napájacími stanicami môže byť aj viac spínacích staníc, ktoré môžu byť dodatočne doplnené meniarňami. To sa využíva na dopravou veľmi zaťažených tratiach s veľkým stúpaním.
Štvorstranné napájanie dvojkoľajnej trate so spínacou stanicou
Najpoužívanejšie trakčné napájacie stanice (TNS) u nás sú meniarne pre 3 kV js a trakčné transformovne pre trakčnú napájaciu prúdovú sústavu 25 kV, 50Hz.
Trakčné meniarne pre trakčnú napájaciu prúdovú sústavu 3 kV js sú napájané z 3-fázovej siete VVN 110 kV, 50 Hz. Kvôli kompenzácii úbytkov v sieti VVN 110 kV sa používa napájanie meniarní s medzistupňa, ktorý tvorí transformovňa zo 110 kV na 22 kV. Táto zároveň slúži aj na napájanie verejnej siete. Výstavba transformátorovej stanice a rozvodne 110/22 kV má zvyčajne usporiadanie, ktoré umožňuje nerušené napájanie meniarne pri poruche na jednom z prívodov 110 kV aj pri výpadku jedného z transformátorov 110/22 kV. V meniarni je transformátor 22/3 kV a diódový usmerňovač. Diódový usmerňovač je šesť alebo dvanásť pulzný, aby zvlnenie usmerneného napätia bolo minimálne.
Napájanie meniarne pre TNPS 3 kV js
Trakčná napájacia sústava pre sústavu 25 kV, 50 Hz má transformátory napájané priamo z 3-fázovej siete 110 kV. Okrem toho sú jej výhody aj v tom, že ide o jednoduchú jednofázovú transformáciu napätia, vzhľadom na napätie 25 kV môže byť ich vzdialenosť až 50 km a činné straty transformovien sú nízke. Možno ich vybudovať ako vonkajšie, čo znižuje investičné náklady, ich ovládanie je jednoduché a môžu byť riadené diaľkovo. Nevýhody sú v nesymetrickom zaťažovaní 3-fázovej siete VVN, nesínusový priebeh prúdu odoberaného hnacími vozidlami s usmerňovačmi, ktorý spôsobuje vznik vyšších harmonických v trakčnom vedení a napájacej sústave. Ďalšou nevýhodou je premenlivý fázový posun základnej harmonickej prúdu proti napätiu v trakčnom vedení, ktoré sťažuje kompenzáciu účinníka. Aby účinok nepriaznivých vplyvov na sieť 110 kV bol minimálny, musí mať napájacia 3-fázová VVN sieť dostatočne veľký skratový výkon, aby nesymetrické zaťaženie nespôsobovalo nedovolenú uhlovú a napäťovú nesúmernosť medzi fázami. Ďalšou podmienkou je, aby výkonová záťaž bola čo najrovnomernejšie rozdelená na všetky tri fázy napájacej sústavy VVN. Jedno z riešení je napájanie pomocou jednofázových transformátorov, pripojených postupne na všetky tri združené napätia sústavy 110 kV. Pokiaľ je zaťaženie transformovien napájaných z toho istého vedenia VVN približne rovnaké, vzniká malá asymetria v sieti 110 kV. Na železniciach sa však používa zapojenie dvoch jednofázových transformátorov do V.
Napájanie siete 25 kV, 50 Hz V - transformátorom
Napájanie trakčnej siete 25 kV, 50 Hz jednofázovými transformátormi
pripojenými striedavo na všetky fázy
Primárne vinutia transformátorov sú zapojené na rozdielne združené napätia. Pri rovnakom odbere v oboch napájacích úsekoch a pri rovnakom napätí a účinníku na sekundárnej strane vzniká prúdová a výkonová nesymetria 50%, ale pri iných podmienkach sa môže prúdová nesymetria meniť v rozsahu od 0 do 100%. Táto nesymetria spôsobená nevyváženým trakčným odberom má nepriaznivé účinky na 3-fázovú sieť 110 kV. Z týchto dôvodov sa pri napájaní trakčnej siete 25 kV , 50 Hz budujú transfornovne na miestach s veľkým skratovým výkonom siete 110 kV, aby účinky nevyváženého trakčného odberu boli minimálne. Napájanie úsekov siete 25 kV, 50 Hz je spravidla jednostranné, keďže susedné úseky bývajú napájané z rôznych fáz. Pri výpočtoch úbytkov napätia v troleji je potrebné do úvahy brať aj indukčnosť slučky trolej – koľaj, pretože ide o obvod napájaný striedavým prúdom.
Prípustné hodnoty napätia pri trakčnej napájacej prúdovej sústavy 25 kV, 50 Hz:
- Najvyššie napätie v troleji: 27,5 kV
- Najnižšie napätie v troleji: 19 kV (krátkodobo 17,5 kV)
- Menovité napätie TNS naprázdno: 27 kV
Paralelná spolupráca trakčných transformovien 25 kV, 50 Hz, ktorá je bežná pri jednosmerných napájacích sústavách, vyžaduje u sústavy jednofázovej niektoré technické a organizačné opatrenia. Napriek tomu bude dochádzať k vzájomnému ovplyvňovaniu trakčnej sústavy a napájacej VVN siete cez trakčný transformátor. Na železniciach sa paralelná spolupráca trakčných transformovien v praxi nerealizovala a nepoužíva sa.
Trakčné vedenie
Trakčné vedenie môže byť jedno alebo dvojpólové. Jednopólové trakčné vedenie je také, pri ktorom je spätné vedenie tvorené koľajnicami (železnice, koľajová mestská doprava).
Zosilňovacie vedenie na TNPS 3 kV js
Trakčné vedenie sa delí na prívodné s potenciálom trakčnej sústavy, ktoré vedie od prípojníc TNS po zberač hnacieho dráhového vozidla, a spätné, vodiace prúd spätného potenciálu od hnacieho dráhového vozidla k druhej prípojnici TNS. Prívodné vedenie pozostáva z trolejového vedenia, napájacieho, zosilňovacieho, obchádzacieho a spínacieho vedenia. Spätné vedenie je tvorené koľajnicami pozdĺžne prepojenými vodivými spojkami, odvádzacím vedením a pri trolejbusoch aj spätným trolejovým vedením.
Koľajnice pozdĺžne prepojené vodivými spojkami
Trolejové vedenie musí zabezpečiť nepretržitú dodávku elektrickej energie do idúceho hnacieho dráhového vozidla. Kontakt zabezpečuje odpružený prúdový zberač na vozidle, ktorý sa šmýka po trolejovom vodiči. Pritom nesmie dochádzať k odskokom ani kmitaniu zberača, ktoré by spôsobovalo opaľovanie trolejového vodiča v dôsledku vznikajúcich elektrických oblúkov. Preto musí byť trolejový vodič vedený vodorovne, s istou horizontálnou kľukatosťou tak, aby sa rovnomerne opotrebovávali plochy zberača. Trolejové vedenie sa konštruuje ako trolejové vedenie prosté alebo reťazovkové. Prosté (nenapínavé) trolejové vedenie je bez nosného lana. Trolejový vodič sa vlastnou tiažou sformuje medzi podperami do tvaru reťazovky. Tepelná dilatácia spôsobuje, že priehyb vodiča je v lete väčší ako v zime. Tento druh vedenia je vhodný len pre nižšie rýchlosti a používa sa na električkových a trolejbusových tratiach, prípadne na železnici pre vedľajšie staničné koľaje. Reťazovkové vedenie je tvorené nosným lanom v tvare reťazovky a vodorovným trolejovým vodičom.
Trolejové vedenie môže byť:
Nenapínavé, ktoré má nosné lano a trolej pevne ukotvené, ale priehyb vplyvom zmeny teploty je podstatne menší, ako u prostého vedenia.
Hore prosté trolejové vedenie
Dolu reťazovkové nenapínavé trolejové vedenie
Dopínavé, pri ktorom sa teplotná dilatácia môže na jar a jeseň kompenzovať skrutkovými napínačmi.
Polokompenzované s pevne kotveným nosným lanom a trolejovým vodičom napínaným závažím alebo pružinami.
Hore reťazovkové trolejové vedenie polokompenzované
Dolu reťazovkové trolejové vedenie kompenzované
Kompenzované so samočinným napínaným nosným lanom i trolejovým vodičom. Ťah vo vodičoch je pri všetkých teplotách rovnaký. Je vhodné pre rýchlosti do 150 km/hod a použité je na našich železničných tratiach.
Kompenzované trolejové vedenie so samočinným
napínaným nosným lanom i trolejovým vodičom
Na našich železničných tratiach sa pre obe hlavné TNPS 3 kV js aj 25 kV 50 Hz používa plne kompenzované reťazovkové vedenie. Len vzhľadom na podstatne vyššie napätie v trakčnom vedení má trolejové vedenie pre TNPS 25 kV 50 Hz menší prierez.
Vodivý profil trolejového vodiča
Trolejový vodič má prierez so zárezmi vo vodiči, ktoré slúžia pre jeho uchytenie vešiakovou svorkou. Vodič je medený a vyrába sa vo viacerých vyhotoveniach. V prevádzke sa postupne opotrebováva a jeho výmena sa vykonáva pri znížení vodivého prierezu o 30%. Nosné lano je buď medené, bronzové alebo AlFe 6 (pletené hliníkové lano s oceľovým stredným vodičom pre zvýšenie pevnosti). Zosilňovacie vedenie umožňuje zvýšenie prúdového zaťaženia trolejového vedenia na úsekoch s veľkým stúpaním trate alebo na prevádzkou silne zaťažených úsekoch. Umiestnené je na nosných stožiaroch trolejového vedenia a v určitých vzdialenostiach je s ním vodivo prepojené. Väčšinou ide o lano AlFe 6. Používa sa najmä pri sústave 3 kV js, kde sú často použité aj dve až tri laná 240 mm2 AlFe 6. Rovnaké vodiče sa používajú aj pre obchádzacie vedenia slúžiace na vodivé preklenutie izolovaných úsekov trakčného vedenia, a pre vedenie spínacie, ktoré spájajú trakčné vedenia so spínacími stanicami.
Najčastejšie používané zostavy trolejového vedenia na železničných tratiach
|
Trolejový vodič
(mm2)
|
Nosné lano
(mm2)
|
Zosilňovacie
vedenie (mm2)
|
Menovitý prúd
(A)
|
TNPS
|
|
150 Cu
|
120 Cu
|
|
1401
|
3 kV js
|
|
150 Cu
|
120 Cu
|
1x240 AlFe 6
|
2131
|
|
150 Cu
|
210 AlFe 6
|
1x240 AlFe 6
|
2165
|
|
|
|
|
|
|
|
100 Cu
|
70 Fe
|
|
638
|
25 kV, 50 Hz
|
|
80 Cu
|
50 Fe
|
|
535
|
|
100 Cu
|
70 AlFe 6
|
|
943
|
|
100 Cu
|
95 AlFe 6
|
|
848
|
|
100 Cu
|
50 bronz
|
|
780
|
|
100 Cu
|
70 Fe
|
1x120 hliník
|
1027
|
Cieľom tohto viac menej teoretického článku bolo stručne priblížiť spôsoby napájania eketrifikovaných tratí a opísať niektoré technické zariadenia. Záujemcom o podrobnejšie informácie z tejto oblasti môžem odporúčať odbornú literatúru.
Literatúra:
-
Prof. Ing. Karel Horák, CSc., Ing. Jiří Drábek, CSc., Ing. Josef Paleček, CSc., Ing. Michal Pokorný: Energetika a trakce, Alfa Bratislava 1983
redakčného systému napísaného v PHP jazyku 
Infoblok
