Železničné.info pro PDA Železničné.info pro PDA - 28.03. 2024
Home | Top 10 | Vyhľadávanie |
Trate
Elektrifikovať železničné trate, alebo nie?
Peter, 28.07.2010 (13402 prečítané)

Nasledujúci článok je krátkym zamyslením nad uvedenou otázkou. Nechcem však vyjadriť len svoj osobný názor, ale pri hľadaní odpovede budem vychádzať z odbornej literatúry, z porovnania prevádzky na elektrifikovanej a neelektrifikovanej trati a porovnania konštrukcie a prevádzky hnacích koľajových vozidiel.

Na našich koľajach sa denne pohybujú vlaky, ktoré sú ťahané motorovými, alebo elektrickými rušňami, a okrem toho tu na osobných vlakoch chodia aj elektrické a motorové jednotky a vozne. Rozdeliť hnacie koľajové vozidlá (rušne, vozne, jednotky) možno podľa rôznych kritérií, alebo parametrov. Existuje tiež jedno základné delenie podľa druhu trakcie, teda hnacie koľajové vozidlá sa delia na vozidlá závislej trakcie, alebo vozidlá nezávislej trakcie. Slovo trakcia pochádza z latinčiny a od neho odvodené sloveso „trahere“ znamená ťahať.
 
Medzi vozidlá závislej trakcie patria všetky elektrické rušne, s výnimkou elektrických akumulátorových rušňov, patria sem aj elektrické jednotky a vozne. Tieto koľajové vozidlá sú závislé od dodávky energie zvonka prostredníctvom trolejového (trakčného) vedenia.
 
Medzi vozidlá nezávislej trakcie patria všetky motorové rušne, motorové vozne a motorové jednotky. Patria sem aj parné rušne a parné vozne, ale s tými nebudem uvažovať. Tieto koľajové vozidlá nie sú závislé od dodávky energie zvonka, ale zdroj trakčnej energie je ich súčasťou. Vozidlá nezávislej trakcie sa ďalej delia podľa spôsobu prenosu výkonu od zdroja trakčnej energie na hnacie dvojkolesie. Prenos výkonu môže byť napr. mechanický, hydromechanický, hydraulický, či elektrický. Mechanický prenos výkonu sa použil napr. pri menších rušňoch určených pre posun, alebo pri niektorých motorových vozňoch. Pri výkonnejších rušňoch určených pre traťovú službu sa použil elektrický prenos výkonu. Elektrický prenos výkonu je použitý napr. aj v novších motorových jednotkách radu 840. Vzhľadom na počet vyrobených a do prevádzky nasadených rušňov sa dá konštatovať, že typickým predstaviteľom rušňa nezávislej trakcie u nás, sa stal motorový rušeň s elektrickým prenosom výkonu, ktorý sa nazýva tiež dieselelektrický rušeň.
 
Rušeň nezávislej trakcie
 
Vozidlo nezávislej trakcie
 
Pozrime sa teraz na energetickú bilanciu jedného radu rušňov, ktoré boli u nás dosť rozšírené, a doteraz sú v prevádzke. Ide o rušeň radu 753 (ex T 478.3). Výkon motorového rušňa sa udáva podľa výkonu použitého spaľovacieho motora, v tomto prípade naftového motora ČKD K 12 V 230 DR, ktorý má výkon 1325 kW (1800 HP). Naftový motor je spriahnutý s trakčným generátorom (dynamom) ČKD TD 802 Et, s ktorým tvorí jeden celok. Od naftového motora sú poháňané aj ďalšie pomocné zariadenia, ktoré sú potrebné pre chod samotného naftového motora a tiež rušňa. Všetky tieto zariadenia odoberajú príkon z naftového motora.
 
Ruseň radu 753: rozdelenie výkonu
 
Pomocné zariadenia rušňa radu 753 a ich príkony:
 
- ventilátor vodného chladenia
7,2 kW
- ventilátor pre chladenie trakčného motora
13,3 kW
- kompresor
29,4 kW
- budič
17,9 kW
- pomocné dynamo
11,5 kW
- dynamo 24 V
0,5 kW
 
Účinnosti jednotlivých pohonov:
 
- hydrostatický motor ventilátora
0,95
- hydrostatické čerpadlo ventilátora
0,95
- prevod ozubenými kolesami
0,98
- prevod klinovými remeňmi
0,9
- účinnosť trakčného dynama
0,92
- účinnosť trakčného motora
0,912
- ozubený prevod motor - náprava
0,97
 
 Odoberaný výkon z naftového motora pre pomocné pohony možno spočítať podľa vzťahu (pozn. x je násobenie, / je delenie, + je súčet):
 
- na strane voľného konca naftového motora:
 
P1 = (4 x 7,2/0,95 x 1/0,95 x 1/0,98) + 13,3/0,9 = 47,4 kW
 
- na strane trakčného dynama:
 
P2 = 29,4 + (0,5/0,9 + 11,5/0,9 + 17,9) x 1/0,9 + 13,3/0,9 = 78,9 kW
 
Z naftového motora sa pre pomocné pohony celkom odoberá výkon:
 
P1 + P2 = 47,4 + 78,9 = 126,3 kW
 
Zostávajúci výkon (1325 – 126,3) = 1198,7 kW je vstupný výkon pre trakčné dynamo. Jeho účinnosť je 0,92, čo znamená výkon 1102 kW na jeho svorkách. Tento výkon sa delí pre štyri trakčné motory. Uvažovaný výpočet platí pre situáciu, keď všetky pomocné pohony odoberajú plný výkon. Táto situácia však za normálnej prevádzky nastáva výnimočne. Z tohto dôvodu sa vychádza z predpokladu, podľa ktorého sa počíta len s časťou výkonu (%).
 
- ventilátor vodného chladenia
66%
- ventilátor pre chladenie trakčných motorov
100%
- kompresor
0%
- budič
70%
- pomocné dynamo
15%
 
Za týchto predpokladov je veľkosť odoberaného výkonu pre pomocné pohony celkom 36,4 + 31,4 kW, a pre trakciu ostane 1325 – 67,8 = 1257,2 kW. Výkon na svorkách generátora je 1153 kW a celkový výkon na obvode kolies je 1020 kW.
 
Ruseň radu 753: rozdelenie výkonu
 
V predchádzajúcom výpočte sa neuvažovalo s odoberaním výkonu pre vykurovanie vozňov osobných vlakov. V týchto rušňoch bol totiž pôvodne nainštalovaný parný generátor, ktorý predstavoval autonómny zdroj pary pre vykurovanie. Parný generátor využíval pre svoju činnosť zásoby paliva zo spoločnej nádrže rušňa a zásoby vody určenej pre vykurovanie. Ako je známe, tieto rušne boli rekonštruované pre elektrické vykurovanie osobných vozňov. Parný generátor bol vymontovaný a namiesto neho bol pre vykurovanie osobných vlakov do rušňa namontovaný vykurovací alternátor TA 403 s výkonom 320 kW, ktorý je poháňaný taktiež naftovým motorom. Pri prevádzke vo vykurovacom období tak znižuje trakčný výkon o výkon potrebný pre vykurovanie. Pri rušňoch radu 754 (ex T 478.4) bol z tohto dôvodu zvýšený výkon naftového motora na 1472 kW. Do týchto rušňov sa montoval alternátor A 403 s výkonom 420 kW, ktorý v sebe združuje pomocný a vykurovací alternátor.
 
Vozidlá nezávislej trakcie sú síce nezávislé od zdroja energie zvonka, ale ich nevýhodou je, že pomocné zariadenia nevyhnutné pre ich prevádzku a pre vykurovanie osobných vozňov znižujú trakčný výkon.
 
Vozidlo závislej trakcie
 
Elektrifikácia železníc v bývalom Československu sa začala v roku 1954, pričom sa použil jednosmerný systém 3 kV. Rovnako aj prvé elektrické rušne boli jednosmerné. V tomto prípade sa napätie do rušňa privádzalo cez trolejový zberač a koľajnice. Riadenie výkonu rušňov bolo odporové, t.j. pri rozbehu sa časť výkonu v predradených odporoch menila na stratové teplo. Takéto rušne sú dodnes v prevádzke, napr. rušne radu 183, ktorých výkon je 2790 kW. O pár rokov neskôr sa začala pri elektrifikácii železníc používať striedavá jednofázová sústava s napätím 25 kV s priemyselnou frekvenciou 50 Hz. Prvé rušne pre reguláciu výkonu začali využívať prepínanie odbočiek autotransformátora, čím sa ich prevádzka oproti spomínaným jednosmerným rušňom zefektívnila. Po usmernení za autotransformátorom, sa napätie privádzalo priamo k jednosmerným trakčným elektromotorom. Neskôr sa začali vyrábať rušne pre obe trakčné napájacie sústavy, rad 350, ktoré majú taktiež odporovú reguláciu výkonu. Nástupom polovodičovej techniky sa aj v oblasti riadenia výkonu rušňov začali používať nové polovodičové súčiastky, takže ich regulácia je oproti odporovej podstatne efektívnejšia a výhodnejšia. Na jednosmernej trakčnej sústave sa v zjednodušenej schéme prúd privádza cez zberač na regulátor výkonu a odtiaľ na svorky trakčných motorov. Na striedavej trakčnej sústave sa napätie privedie na primárny vstup transformátora, zo sekundárnej strany transformátora na regulátor výkonu a odtiaľ na svorky trakčných elektromotorov. Oproti jednosmerným rušňom musíme na striedavej trakčnej sústave počítať aj so stratami v transformátore.
 
Rušeň závislej trakcie
 
Kvôli objektívnosti budeme uvažovať nielen so stratami v elektrickom rušni, ale aj v rozvode, t.j. od výroby v elektrárni. Nasledujúci diagram zobrazuje energetickú bilanciu strát jednosmernej sústavy 3 kV.
 
Elektrický jednosmerný ruseň: rozdelenie výkonu
 
- straty v trojfázovom generátore 3,5%
- straty v transformátore (2,5 x 0,965) = 2,4%
- straty v trojfázovom vedení (110kV x 0,941) = 9,41%
- straty v transformátore (110/3kV x 0,847) = 2,54%
- straty v usmerňovači (2 x 0,822) = 1,64%
- straty v trakčnom vedení (10 x 0,806) = 8,06%
- straty v elektrickom rušni (10 x 0,726) = 7,26%
- celková účinnosť 65,3%
 
Na ďalšom diagrame je zobrazená energetická bilancia pre jednofázovú striedavú trakčnú sústavu 25 kV, 50Hz. Údaje platia pri rovnakom pomernom zaťažení pri oboch prúdových sústavách (napr. pri rovnakom výkone hnacích vozidiel a napájacích staníc).
 
Elektrický striedavý ruseň: rozdelenie výkonu
 
- straty v trojfázovom generátore 3,5%
- straty v trojfázovom transformátore (2,5 x 0,965) = 2,4%
- straty v trojfázovom vedení 110kV (10 x 0,941) = 9,41%
- straty v jednofázovom transformátore (4 x 0,857) = 3,38%
- straty v trakčnom vedení (5 x 0,831) = 4,065%
- straty v elektrickom rušni (15 x 0,77) = 11%
- celková účinnosť 66,24%
 
Autori uvedených diagramov boli precízni a najmä, mali aj iný cieľ, preto uvažovali so stratami už pri výrobe elektriny. Pre naše potreby stačí, ak budeme uvažovať so stratami od odberného miesta. Vychádzam z toho, že ŽSR ako odberateľ má v odbernom mieste fakturačné meradlo a platí za skutočne odobratú elektrickú energiu. Takže nebudeme v našom prípade uvažovať so stratami na strane výrobcu a prenosovej sústavy, i keď sa tieto straty môžu premietnuť v cene elektriny. V našom prípade tak bude celková účinnosť pre jednosmernú trakčnú sústavu 3 kV 80,61% a pre jednofázovú striedavú trakčnú sústavu 25 kV, 50 Hz 81,55%. Je to vyššia účinnosť, ak to porovnáme s účinnosťou dieselelektrického rušňa radu 753 (1020/1325 x 100)= 77% a to v prípade, ak neuvažujeme s vykurovaním. Ak budeme uvažovať aj s vykurovaním, bude účinnosť motorového rušňa ešte nižšia.
 
Zhrňme si to, čo je pre motorové a elektrické rušne v hrubých rysoch spoločné zhľadiska pomocných zariadení, bez ohľadu na to, či sú napájané na úkor trakčného výkonu. Je to predovšetkým:
 
- chladenie trakčných motorov,
- výroba stlačeného vzduchu pre brzdovú sústavu a ovládanie pneumatických prístrojov a ventilov,
- pieskovanie,
- mazanie okolesníkov,
- vonkajšie a vnútorné osvetlenie,
- klimatizácia resp. vykurovanie stanovíšť rušňovodiča.
 
Motorové rušne pre svoju prevádzku navyše potrebujú najmä:
 
- spaľovací motor, trakčný generátor, pomocné generátory/dynamá pre budenie a pod.,
- vodný chladiaci okruh s čerpadlom vrátane ventilátorov pre chladenie vodného okruhu naftového motora,
- dopravu a čistenie paliva z nádrže do naftového motora,
- olejový okruh pre mazanie naftového motora s čerpadlom.
 
Elektrické rušne v závislosti od druhu napájacej trakčnej sústavy pre svoju prevádzku potrebujú najmä:
 
- transformátorové stanice,
- meniarne pre jednosmerné elektrické rušne,
- chladenie odporníkov pre riadenie výkonu v rušňoch s odporovou reguláciou,
- usmerňovač, resp. riadiacu jednotku výkonu,
- trakčný transformátor v rušňoch pre striedavú trakčnú sústavu,
- trolejové vedenie, koľajové prepojky a pod.
 
Zhrňme si nevýhody a výhody elektrifikácie tratí vo všeobecnosti.
 
Nevýhody sú predovšetkým tieto:
 
- investičné náklady na výstavbu pevných elektrických zariadení, (výstavba napájacích staníc, meniarní, trolejového vedenia),
- vynútené investičné náklady pri dodatočnom elektrifikovaní tratí z dôvodu rozširovania prejazdného profilu elektrických rušňov v tuneloch, mostoch a pod. 
- závislosť na dodávke elektrickej energie (napr. výpadky pri búrkach, alebo nezaplatení faktúr),
- použitie elektrických rušňov len na elektrifikovaných tratiach,
- zraniteľnosť trolejového vedenia napr. pri poškodeniach izolátorov, pri nepriaznivom vplyve počasia (popadané stromy), pri nehodách a pod.,
- potreba chrániť kovové predmety uložené pozdĺž trate pred korozívnymi účinkami blúdivých prúdov na jednosmernej trakčnej sústave, ochrana proti rušeniu zabezpečovacích zariadení na striedavej trakčnej sústave,
- zvýšená náročnosť údržby trolejového vedenia z dôvodu potreby výluky prevádzky, čo platí napr. aj pri dodatočnom zelektrifikovaní trate,
- potreba disponovať príslušnou technikou a pracovníkmi pre potreby prehliadok, údržbu a opravy trakčného vedenia,
- staršia odborná literatúra uvádza aj vyššie ceny elektrických rušňov,
- všetko ostatné, na čo som zabudol.
 
Výhody elektrifikácie vo všeobecnosti možno zhrnúť do týchto bodov:
 
- zvýšenie dopravného výkonu, pretože elektrické rušne majú vyšší výkon, vyššie zrýchlenie, čo sa prejavuje v skrátení cestovného času a vo zvýšení priepustnosti železničných staníc a tratí (v niektorých prípadoch bez potreby zdvojkoľajnenia celej trate),
- vysoká energetická hospodárnosť, celková účinnosť je vyššia ako pri nezávislej trakcii,
- vysoký akčný rádius a jednoduché prevádzkové ošetrenie bez potreby dopĺňania paliva a vody,
- vysoká pohotovosť v prevádzke,
- ekologickejšia prevádzka elektrických rušňov, pretože nie sú splodiny zo spaľovania a nižšia je i hladina hluku,
- zvýšená hygiena práce v prevádzke a údržbe rušňov,
- jednoduché využitie elektrickej energie pre vykurovanie osobných vlakov v zime a napájanie klimatizácie v osobných vozňoch v lete,
- oproti nezávislej trakcii nie je potrebná nákladná a zložitá údržba naftových motorov, 
- stabilnejšie ceny elektrickej energie, ktorú je možné vyrábať v rôznych typoch elektrární, oproti cenám ropy, resp. nafty,
- všetko ostatné, na čo som pozabudol.
 
Nakoniec tohto porovnania zhrniem niektoré nevýhody nezávislej trakcie, ktoré z predchádzajúceho textu vyplývajú:
 
- potreba čerpacích (tankovacích) staníc v niektorých depách, z čoho vyplýva potreba (ekologických) zásobovacích nádrží, čerpadiel pohonných látok a obsluhy, ktorá zabezpečuje prísun paliva, jeho prečerpávanie do zásobovacích nádrží a výdaj do motorových rušňov,
- potreba udržiavať zásoby vody, úpravu jej parametrov (demineralizáciu) pre použitie do chladiaceho okruhu motorových rušňov,
- potreba olejového hospodárstva, t.j. príjem, skladovanie a výdaj oleja,
- z uvedeného ďalej vyplývajú napr. zvýšenie požiadavky na priestor v depe oproti depám pre elektrické rušne, zvýšené protipožiarne opatrenia,
- potreba tzv. vodného odporu pre nastavovanie prevádzkových parametrov motorových rušňov, meranie izolačného odporu a pod.
 
Záver
 
Uviedol som v tomto článku podrobnejší rozbor výhod a nevýhod prevádzky hnacích koľajových vozidiel závislej aj nezávislej trakcie. V podstate sa oplatí elektrifikovať všetky tie trate, kde je vyššia hustota prevádzky. To sú hlavné a významnejšie vedľajšie trate. Prvotné investičné náklady do elektrifikácie na týchto tratiach majú najvyššiu návratnosť. Ďalší význam elektrifikácie niektorých tratí na Slovensku spočíva aj v tom, že je viacero „styčných“ staníc tratí, kde sa (elektrické/motorové) rušne na nákladných aj osobných vlakoch prepriahajú, a elektrifikovaním tratí by sa dali aj tieto nedostatky odstrániť. Táto nezanedbateľná skutočnosť by v osobnej doprave znamenala ďalšie a výraznejšie skrátenie cestovného času, čo je pre cestujúcich podstatné a mohlo by to prispieť k vyššiemu počtu cestujúcich vlakmi.
 
Použité literárne zdroje: 
  • Prof. Ing. Dr. František Jansa, DrSc.: Elektrická trakcia I., Alfa Bratislava 1976,
  • Ing. Jiří Mizerovský: Motorová lokomotiva T 478.3, Nadas Praha 1975,
  • Ing. František Palík a kol.: Jednofázová elektrická lokomotiva S 489.0, Nadas Praha 1968.

Home