Systemy zasilania linii kolejowych dużych prędkości jazdy

Transkrypt

1 Adam Szeląg, Leszek Mierzejewski Systemy zasilania linii kolejowych dużych prędkości jazdy W 2000 r. na ok. 950 tys. km linii kolejowych użytkowanych w świecie zelektryfikowanych było blisko 25% w różnych systemach prądu przemiennego (tabl. 1) i stałego (tabl. 2). Największy udział w długości linii zelektryfikowanych, na których wykonywane jest około 50% pracy przewozowej, mają kraje Europy (bez krajów WNP) ok. 46%, kraje WNP mają 24% udział, kraje Azji 19%, zaś kraje Afryki około 8%. Systemy prądu stałego: 750 V, 1,5k V i 3 kv oraz przemiennego 15 kv 16 2 /3 Hz zaczęto rozwijać w okresie intensywnej elektryfikacji przed II wojną światową. Od lat 50. XX w. rozpoczęto wprowadzanie systemu zasilania 50 Hz o napięciu 25 kv. Typowe parametry systemów zasilania zestawiono w tablicy 3. Docelowo linie kolejowe wszystkich krajów Europy ujęte w sieci transeuropejskiej niezależnie od przyjętego systemu elektryfikacji mają być dostępne dla każdego operatora (przewoźnika) dysponującego odpowiednim taborem. Ze względu na różne rozwiązania techniczne, w tym stosowane systemy zasilania, udostępnienie linii wymaga ujednolicenia i dostosowania parametrów technicznich poszczególnych systemów zasilania do jednolitych standardów skoordynowanych z wymaganiami obowiązującymi dla lokomotyw eksploatowanych w danym systemie. Zagadnieniom tym poświęcone są wydane w kolejnych latach akty prawne Unii Europejskiej: dyrektywa 96/48 o interoperacyjności kolei dużych prędkości, dyrektywa 2001/16 o interoperacyjności kolei konwencjonalnych, decyzja Komisji Europejskiej 2002/733/EC dotycząca specyfikacji technicznych interoperacyjności (TSI) transeuropejskiego systemu szybkiej kolei dla podsystemu energia zgodnie z dyrektywą 96/48/EC. Szczegółowe wymagania techniczne w odniesieniu do układów zasilania kolei dużych prędkości znajdują się w załącznikach do specyfikacji TSI [10, 11]. Według tej specyfikacji określa się typ linii na podstawie następujących parametrów: maksymalna prędkość linii określona w kilometrach na godzinę zaakceptowana prędkość dla danego odcinka; moc jednostki napędowej mierzona na pantografie maksymalna moc ciągła [MW] wymagana przez pociąg dla celów trakcyjnych i obwodów pomocniczych; minimalny możliwy odstęp przedział czasowy liczony w minutach między pociągami, dozwolony poprzez system sygnalizacji i sterowania ruchem na linii. Przy wyborze i projektowaniu układu zasilania trakcji elektrycznej podstawowym kryterium oceny jakości pracy takiego układu jest zagwarantowanie dostawy energii o wymaganej jakości do prowadzenia ruchu pojazdów trakcyjnych określonej mocy: z dostateczną dyspozycyjnością mocy, Tablica 1 Eksploatowane systemy zasilania prądu przemiennego Napięcie Częstotliwość Kraj [kv] [Hz] 6,5 25 Austria USA Japonia 25* 50 (ok. 41% długości linii) Bułgaria, Chiny, Republika Czeska, Słowacja, Dania, Finlandia, Francja, Wielka Brytania, Węgry, Indie, Japonia, Luksemburg, Nowa Zelandia, Pakistan, Portugalia, Rumunia, Republika Płd. Afryki, Hiszpania, Turcja, Serbia i Czarnogóra, Bośnia, Chorwacja, Zair, Zimbabwe, kraje b. ZSRR 50* 50 Republika Południowej Afryki Japonia 25* 60 Japonia, Korea Południowa 50* 60 USA, Kanada /3 (ok. 15% długości) Szwajcaria /3 (ok. 15% długości) Austria, Niemcy, Norwegia, Szwecja, Szwajcaria * Systemy uznawane za rozwojowe dla nowo budowanych linii. Eksploatowane systemy zasilania prądu stałego Napięcie Typ systemu Kraj [kv] transportowego Tablica 2 3 Koleje (ok. 35% długości Algieria, Belgia, Brazylia, Chile, linii zelektryfikowanych) Republika Czeska, Włochy, Luksemburg, Maroko, Polska, Słowacja, Republika Płd. Afryki, Hiszpania, USA, kraje b. ZSRR, Słowenia, Chorwacja 1,5 Koleje (ok. 7,8% długości Australia, Republika Czeska, linii zelektryfikowanych) Dania, Francja, Holandia, Indie, Wielka Brytania, Japonia, Nowa Zelandia, Portugalia, Hiszpania, USA 0,63 0,75 1,2 Koleje UK, Hiszpania 1,5* Kolej podmiejska Irlandia 0,75-0,9* Metro, kolej podmiejska 0,6 * Tramwaje, trolejbusy <0,6 Koleje kopalniane i przemysłowe * Systemy uznawane za rozwojowe dla nowo budowanych linii. o wymaganej wartości napięcia (tzw. napięcie użyteczne), bez niedozwolonych oddziaływań na sieć zasilającą i infrastrukturę linii, o dużej niezawodności. Ponadto uwzględnia się także uwarunkowania techniczne i finansowe (liczbę i koszt budowy podstacji, koszt sieci trakcyjnych i elektroenergetycznych, możliwość współpracy z systemem energetycznym ze względu na zakłócenia) oraz lokalne (np. istnienia dogodnych punktów przyłączeniowych do sieci elektroenergetycznej, system zasilania już istniejących linii). 80

2 Obecnie za rozwojowe, tzn. rekomendowane do stosowania na nowo elektryfikowanych odcinkach, uznaje się systemy: 25 i 50 kv Hz oraz 15 kv 16 2 /3 Hz (w krajach, gdzie ten system jest stosowany). Odnosi się to zwłaszcza do linii przewidzianych do ruchu z prędkościami powyżej 250 km/h, ze względu na wymóg dostawy do pociągów dużych mocy (powyżej 10 MW). W niekonwencjonalnych systemach dużych prędkości z pojazdami na poduszce magnetycznej problem poboru dużych mocy rozwiązano dzięki zastosowaniu silnika liniowego, co pozwala na zasilanie torowiska (w którym umieszczony jest stator silnika liniowego), a nie pojazdu i eliminuje napowietrzną sieć trakcyjną. System zasilania prądu stałego Dobrze nam znany system prądu stałego (rys. 1) pozwala, szczególnie w wariancie stosowanym w Polsce (3 kv DC), na prowadzenie ruchu pojazdów z prędkościami do km/h o mocach do 6 8 MW [5, 10, 11, 12, 13, 17]. Większe obciążenia (moce pojazdów i gęstość ruchu) powodują jednak znaczne spadki napięcia i duże prądy obciążenia, co wymaga: zwiększenia przekroju sieci trakcyjnej (nawet do ponad 600 mm 2 Cu), mniejszych odległości między podstacjami (nawet co km), większych mocy zainstalowanych w podstacjach (powyżej 10 MW). Wymusza to zwiększenie nakładów inwestycyjnych i jest kosztowne w eksploatacji. Ponadto zwiększone obciążenia i pobór harmonicznych powoduje konieczność przeniesienia punktu wspólnego przyłączenia podstacji do sieci elektroenergetycznej na poziom wysokiego napięcia, czyli stosowania transformacji jednostopniowej (fot. 1). Były także próby podniesienia napięcia w sieci trakcyjnej do 6 18 kv DC, ale podstawowym problemem była wyłączalność zwarć, co ograniczyło praktyczne zastosowanie tych napięć. Sieć trakcyjna w systemie prądu stałego stwarza wiele problemów zarówno konstrukcyjnych (duże przekroje, współpraca odbierak sieć trakcyjna), jak i eksploatacyjnych (szybkie zużycie), szczególnie dla dużych prędkości. Przykładem linii zasilanych napięciem stałym, po których prowadzony był ruch z prędkościami powyżej 200 km/h, jest system 1,5 kv DC we Francji (tabl. 4), 3 kv DC we Włoszech (tabl. 5, fot. 2 i 3). Dla porównania w tablicy 5 zestawiono także parametry sieci trakcyjnej przewidzianej do zastosowania na trasach o prędkościach do 200 km/h w Polsce (tj. linia CMK). Moce zespołów projektowanych do zainstalowania w podstacjach linii Rzym Neapol, w rozpatrywanym tu wariancie zasilania 3 kv DC (ostatecznie wybrano do elektryfikacji napięcie 2 25 kv 50 Hz), dla przewidywanego ruchu pociągów o prędkości 300 km/h wynosiły 2 10 MVA (moce transformatorów) z dodatkowym zespołem re- System energetyczny 110 kv 110 kv Typowe parametry systemów zasilania System trakcji Długości sekcji Przekroje sieci Zasilanie zasilanych trakcyjnej z jednej [mm2 Cu] podstacji [km] Tablica 3 0,6 kv DC 0,5 2, jednostronne trzecia szyna (stalowa, 0,8 kv DC 1,0 4,0 stalowo-aluminiowa, dwustronne stopy metali) 1,5 kv DC dwustronne, dwustronne z kabiną 3,0 kv DC dwustronne, dwustronne z kabiną 15 kv 16 2/3 Hz AC jednostronne/dwustronne 25 kv 50 Hz AC jednostronne 2 25 kv 50 Hz AC jednostronne Tablica 4 Przykładowe parametry sieci trakcyjnych szybkich linii kolejowych eksploatowanych w systemie prądu stałego 1,5 kv Napięcie 1,5 kv DC 1,5 kv DC na linii TGV (przęsło zawieszenia 50 m) Element Przekrój Siła naciągu Przekrój Siła naciągu [mm 2 ] [N] [mm 2 ] [N] Przewód jezdny Cu F c = Cu F c = Lina nośna (główna) 116 Br F m = KB181 mm 2 F m = Lina nośna (dodatkowa) 143 Cu F m2 = 8100 Cu262 mm 2 Siła statyczna docisku pantografu kv 15 kv 15 kv 15 kv Rys. 1. Przykładowe rozwiązanie kolejowego systemu zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego 3 kv Fot. 1. Rozdzielnia 110 kv podstacji trakcyjnej z transformacją jednostopniową w podstacji trakcyjnej Huta Zawadzka (linia CMK) 81

3 zerwowym, co dawało okład mocy linii powyżej 1,1 MW/km. Przewidywano zastosowanie: zasilania dwustronnego z podstacji oddalonych co 12 km bez kabiny sekcyjnej, zespołów prostownikowych 12-pulsowych z filtrami typu LC oraz wyłączników szybkich o zdolności wyłączania prądów powyżej 50 ka. Zasilanie podstacji wydzieloną linią 132 kv 50 Hz zapewniać miało wysoki poziom niezawodności w układzie n-1 (wyłączenie z pracy jednej podstacji pozwala na utrzymanie prognozowanego ruchu), jednocześnie eliminując negatywne oddziaływanie podstacji na sieć zasilającą. Dla porównania po przewidywanej modernizacji linii CMK zainstalowany okład mocy wyniósłby ok kw/km. Fot. 2. Widok odcinka trasy Rzym Florencja linii Dirretissima System 15 kv 16 2 /3 Hz System ten wymaga wytworzenia napięcia o obniżonej częstotliwości 16 2 /3 Hz w elektrowniach lub za pomocą jednofazowych przetwornic elektromaszynowych albo statycznych (rys. 2), które zasilają podstacje indywidualnie lub ze specjalnego scentralizowanego systemu linii jednofazowych 110 kv (rys. 3). Obciążenie trakcyjne stanowi zatem dla systemu elektroenergetycznego odbiór symetryczny 3-fazowym, zakłócenia mogą wprowadzać rozruchy maszyn wirujących o mocach rzędu 10 MVA lub harmoniczne wprowadzane przez przetwornice statyczne (rys. 3). Dzięki obniżonej częstotliwości impedancja zwarciowa sieci trakcyjnej jest mniejsza niż w przypadku 50 Hz, co wpływa korzystnie na warunki wyłączalności minimalnych prądów zwarciowych. Ponadto w porównaniu z systemem 25 kv 50 Hz jest możliwość łączenia wzdłużnego poszczególnych odcinków sieci trakcyjnej zasilanych z różnych podstacji w przypadku przerw w pracy jednej z podstacji. Ułatwia to zasilanie w stanach awaryjnych, gdyż można zrezygnować z rezerwowania mocy dla zasilania sąsiednich odcinków linii, co jest konieczne w systemach 25 kv 50 Hz ze względu na fakt, że transformatory podstacji systemu 25 kv przyłączone są do różnych źródeł napięć oraz do różnych faz. Linie szybkie zasilane napięciem o częstotliwości 16 2 /3 Hz, to przede wszystkim trasy pociągów ICE w Niemczech, ale także w Szwajcarii, czy Szwecji. Sieci trakcyjne w systemach prądu przemiennego są znacznie lżejsze niż w systemach prądu stałego. Parametry stosowanych sieci trakcyjnych w tym systemie zestawione są w tablicy 5, w porównaniu z siecią dla linii TGV Atlantique zasilanej napięciem 25 kv. Sieć trakcyjną tego systemu przedstawiono na fot. 4, 5 i kv 50 Hz kv 50 Hz ~ 6 10 kv M ~ 15 kv 16 2 /3 Hz G ~ 110 kv 16 2 /3 Hz G ~ M ~ 15 kv 16 2 /3 Hz 15 kv 16 2 /3 Hz Sieć trakcyjna Szyny Fot. 3. Sieć trakcyjna na linii Dirretissima Rys. 2. Schemat dostawy energii elektrycznej dla systemu 15 kv 16 2/3 Hz Zestawienie parametrów sieci trakcyjnej kolei włoskich i sieci 2C120-2C-4 Tablica 5 Parametr Sieć dla linii szybkich we Włoszech Sieć dla linii szybkich we Włoszech Sieć dla linii szybkich w Polsce 3 kv DC, przekrój 460 mm 2 Cu 3 kv DC, przekrój 610 mm 2 Cu 2C120-2C-4 przewody jezdne 2 Cu 150 mm 2, przewody jezdne 2 Cu 150 mm 2, przewody jezdne 2 Cu 100 mm 2 Typ przewodów, siła naciągu dan dan dan lina nośna CuCd 160 mm 2, 2750 dan liny nośne 2 Cu155 mm 2, dan liny nośne 2 Cu120 mm 2, dan Długość przęsła zawieszenia [m] Zwis wstępny przewodów jezdnych [ ] 1 1 Współczynnik Doplera 0,21 0,21 0,35 (200 km/h), 0,27 (250 km/h) Współczynnik odbicia fali zakłóceniowej 0,41 0,53 0,58 [mm/dan] e min = 1,1 e min =1,6 e min = 2,6 Elastyczność sieci e [mm/dan] e max = 2,7 e max =2,4 e max = 3,83 [mm/dan] e śr = 1,9 e śr =2,0 e śr = 3,21 Nierównomierność elastyczności e [%] ,1 82

4 Rys. 3. Schemat obwodu przetwornicy statycznej 3~ 50 Hz/1~ 16 2/3 Hz 15 kv Fot. 5. Sieć trakcyjna na stacji linii ICE Fot. 6. Sieć trakcyjna na stacji linii ICE Fot. 4. Sieć trakcyjna ICE na odcinku Manheim Stuttgart [7] Tablica 6 Parametry sieci trakcyjnej stosowanej na linii ICE i kolei szwajcarskich w porównaniu z parametrami linii TGV Atlantique Parametr Sieć dla linii szybkich w Niemczech szybkich w Niemczech szybkich w Szwajcarii do 200 km/h TGV_Atlantique we Francji do 250 km/h 15 kv 16 2/3 Hz powyżej 250 km/h 15 kv 16 2/3 Hz 2x25 kv 50 Hz 15 kv 16 2/3 Hz Typ przewodów, siła naciągu przewody jezdne CuAgRi 120 mm 2, 15 N CuAg0,1 120 mm 2, 15,3 kn CuRi 150 mm 2, 20 kn lina nośna BzII 70 mm 2, 15 kn CuAg0,1 70 mm 2, 10,8 kn BzII 65 mm 2, 14 kn Przewód wzmacniający Maksymalna długość przęsła zawieszenia [m] stalowo-aluminiowy 260/23 mm 2 Y BzII 35, 2,8 kn Współczynnik Doplera 0,26 0,337 (250 km/h) 0,275 (250 km/h) 0,115 (400 km/h) 0,048 (400 km/h) Współczynnik odbicia fali zakłóceniowej 0,433 0,392 0,363 elastyczność sieci e [mm/n] e min = 0.5 e min = 0.44 [mm/n] e max = 0.6 e max = 0.52 e max = 0.53 Prędkość propagacji fali [km/h]

5 a) b) WN System energetyczny WN PT PT PT c) WN System 50/60Hz Obecnie stosowane są różne rozwiązania systemu zasilania prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej 50 lub 60 Hz (rys. 4). Najprostszy schemat zasilania w tym systemie przedstawiono na rysunku 4a, ale ze względu na upływ prądu w ziemi i zakłócenia w obwodach telekomunikacji jest on praktycznie nie stosowany. W wersji zmodyfikowanej stosuje się system z tzw. transformatorami odsysającymi (booster transformers BT), włączonymi co kilka kilometrów między sieć szynową i dodatkowy przewód powrotny (rys. 4b). Ich zadaniem jest wymuszenie przepływu prądu z szyn jezdnych do przewodu powrotnego. Najnowszym rozwiązaniem jest tzw. system 2 25 kv (rys. 4d). W tym układzie zasilania w podstacji znajduje się transformator, który ma dwa uzwojenia wtórne o napięciach nieco wyższych od napięcia znamionowego 27,5 kv, których środek połączony jest uziemiony i połączony przewodem powrotnym z szynami (SZ). Koniec jednego z uzwojeń wtórnych podłączony jest do sieci trakcyjnej (ST), koniec drugiego do dodatkowego przewodu zasilającego (DZ). Przy takim połączeniu napięcie między siecią jezdną a szynami wynosi 27,5 kv, zaś na wyjściu transformatora 55 kv. Przewody sieci trakcyjnej i dodatkowy zasilacz (DZ) są zawieszone na tych samych słupach, tworząc system 2-fazowy 50 kv. Na odcinku między kolejnymi podstacjami rozmieszczone co 7 25 km znajdują się autotransformatory (AT), które są podłączone między sieć trakcyjną (ST) a dodatkowy zasilacz (DZ), zaś ich środki są wyprowadzone na zewnątrz i podłączone do szyn jezdnych (SZ). Podczas przemieszczania się pojazdu wzdłuż odcinka autotransformatory kolejno przejmują zasilanie pociągu, a prąd pobierany przez pojazd płynie tylko na odcinku między najbliższymi autotransformatorami. Dzięki temu zmniejsza się spadki napięcia i wydłuża odcinki zasilania, a podstacje mogą być rozmieszczone 2 2,5 razy rzadziej niż w przypadku układu 1 25 kv, przy zapewnieniu tych samych warunków pracy. System ten stanowi alternatywę do wprowadzanego w niektórych krajach systemu 50 kv, ale musi być zasilany z linii WN o napięciu 220 kv lub wyższym. Umożliwia jednak budowę kolei tam, gdzie słaby rozwój linii WN wymusza duże odległości między podstacjami. System 2 25 kv w porównaniu do systemu 1 25 kv zmniejsza upływ prądu powrotnego do ziemi i oddziaływania zakłócające na obwody niskoprądowe. Wadą tego systemu jest większa złożoność i potrzeba dodatkowego wyposażenia w celu zapewnienia odpowiedniego układu zabezpieczeń. Różnice wyposażenia systemu 2 25 kv w stosunku do 1 25 kv to przede wszystkim typy transformatorów w podstacjach WN (2 25 kv) i dodatkowo autotransformatory na linii (50/25 kv), co znacznie zwiększa koszty inwestycyjne. Napięcie zasilania transformatorów zależne jest od ich mocy i np. dla linii TGV, gdzie stosuje się olejowe transformatory o mocy 60 MVA, jest to napięcie 225 lub 400 kv. Autotransformatory mają moce od 5 MVA na liniach konwencjonalnych do 10 MVA na liniach TGV i 15 MVA na linii Rzym Neapol. W podstacjach systemu 1 25 kv, rozmieszczonych co km (w systemie 2 25 kv nawet km), występują przeważnie dwa zasilacze 25 kv, każdy z nich podwójny, i niezależny, będący w stanie indywidualnie przenieść całkowite obciążenie trakcyjne w normalnych warunkach ruchowych, co zapewnia dużą niezawodność (100% rezerwowania). Każdy z zasilaczy ma własny wyłącznik mocy po stronie 25 kv. Transformatory 110/ /25 kv są zasilane z dwóch, niezależnych źródeł sieci WN. System zasilania 25 kv sieci napowietrznej stanowi jednobiegunowy system dostawy energii z uziemionym punktem zerowym podstacji (rys. 4). Jedna z szyn każdego toru stanowi szynę powrotną (SZ-Z) dla prądu trakcyjnego, połączoną z dodatkowym przewodem powrotnym (PP) w celu zmniejszenia spadków napięć w szynach (SZ) rys. 5. Szyny te są ze sobą połączone IZ LN DZ d) PP IZ ST SZ-Z SZ Uziom Rys. 4. Układ zasilania systemu 50 Hz 25 kv a) schemat ogólny, b) wariant z transformatorami odsysającymi (booster transformers BT); c) zasilanie z wykorzystaniem specjalnych transformatorów; d) system 2 25 kv Rys. 5. Rozmieszczenie przewodów sieci trakcyjnej w systemie 25 kv DZ - dodatkowy zasilacz (typowo w systemie 2 25 kv), PP - przewód powrotny, SZ-Z - szyna ziemia systemu trakcyjnego, IZ - izolator, LN - lina nośna, ST - sieć trakcyjna 84

6 i przyłączone do konstrukcji wsporczych sieci trakcyjnej. Podstawowym parametrem, branym pod uwagę przy rozpatrywaniu systemu uziemień, jest poziom napięcia na konstrukcjach metalowych w stosunku do ziemi. W systemie prądu przemiennego stosowane są złożone układy zabezpieczeń, których zadaniem jest zapewnienie bezpieczeństwa ludzi i ograniczenie zagrożeń, które mogą być wywołane przez zwarcia lub przeciążenia. Na układ zabezpieczeń w systemie prądu przemiennego składają się: 1) zabezpieczenia transformatora (rys. 6a): zabezpieczenie nadprądowe, którym jest przekaźnik wyłączający obwód przy przekroczeniu przez prąd zadanej wartości; przekaźnik taki musi mieć układ rozróżniający prąd pobierany przy rozruchu (który może być nawet 10 razy większy od znamionowego) od prądu zwarciowego; zabezpieczenie od zwarć doziemnych, podobne do nadprądowego, ale chroni transformator przed zwarciami do rdzenia lub obudowy; zabezpieczenie Buchholza zabezpieczenie przed uszkodzeniem (zwarciami międzyfazowymi) uzwojeń, reagujące na wzrost gazowania oleju w kadzi transformatora; ma ono dwa stopnie zadziałania: pierwszy wykrywa niski poziom gazowania i wysyła jedynie sygnał ostrzegawczy, drugi zaś działa przy dalszym wzroście gazowania i oddziałując na wyłącznik powoduje jego zadziałanie (wyłączenie); zabezpieczenie termiczne uzwojeń, które chroni przed skutkami nadmiernego obciążenia lub w przypadku awarii układu chłodzenia; zabezpieczenie termiczne medium chłodzącego mające, podobnie jak zabezpieczenie Buchholza, dwa stopnie: alarm i wyłączenie; zabezpieczenie różnicowe; 2) ochrona sieci trakcyjnej (rys. 6b): zabezpieczenie odległościowe, porównuje prądy wejściowe i wyjściowe w każdej sekcji; dla trakcji, gdzie obciążenie zmienia swoje położenie, stosuje się trójstrefowe zabezpieczenie odległościowe; zabezpieczenie termiczne obciążeniowe, jest to typowe zabezpieczenie czasowo-prądowe, pozwala na wyłączenie prądów zwarciowych zbyt małych by zadziałało zabezpieczenie odległościowe, ale utrzymujących się przez dłuższy czas i mogących spowodować uszkodzenie sieci; zabezpieczenie zanikowo-napięciowe, zabezpiecza od zwarcia międzyfazowego na podstacji lub w kabinie sekcyjnej i powoduje wyłączenie, gdy nastąpi zanik napięcia zasilającego transformatora; zabezpieczenie minimalno-czasowe; 3) ochrona kabli zasilających (rys. 6b): zabezpieczenie od wyładowań atmosferycznych, którym jest odgromnik rożkowy umieszczany między siecią trakcyjną a ziemią; układ porównywania prądów wejściowych oraz wyjściowych. Ponadto wymagane jest stosowanie baterii zasilających z układami ładowania do dostarczania zasilania dla cewek w obwodach wyłączników i systemu nadzoru pracy przekaźników. a) b) technika Rys. 6. Zabezpieczenia aparatury podstacji i sieci trakcyjne w systemie 25 kv 50 Hz [22] Fot. 7. Transformator 220/25 kv podstacji metra w New Delhi (Indie) 85

7 Zakłócenia powodowane przez system 25 kv i sposoby ich ograniczania System zasilania 25 kv 50 Hz stanowi, z punktu widzenia oddziaływania na sieć elektroenergetyczną, odbiór jednofazowy. W celu zminimalizowania tego zakłóceniowego oddziaływania, przyłączenia dokonuje się do sieci o napięciach 110 kv lub wyższych. Kolejne, sąsiadujące ze sobą podstacje podłączane są zwykle do różnych faz, tak by system WN miał równomierne rozłożenie obciążeń między trzy fazy (rys. 4a). Innym rozwiązaniem jest stosowanie specjalnych transformatorów w podstacjach (np. Scotta, Woodridga, Le Blanca), które zmniejszają asymetrię wprowadzaną do systemu elektroenergetycznego lub gdy jest to konieczne stosowanie symetryzatorów (rys. 7). Niezbędne jest też określenie wielkości asymetrii przez wyznaczenie wektora składowej przeciwnej oraz ustalenie limitów tej wielkości. Do obliczenia współczynnika asymetrii [11] można się posłużyć jednym ze wzorów: U max U śr nps= 100 [%] U śr lub U max% U min% nps= [%] 1,7 gdzie: U max%, U min% maksymalna i minimalna wartość skuteczna napięcia fazowego wyrażona w procentach wartości znamionowej, U max, U śr maksymalna i średnia wartość napięcia fazowego. W przypadku obciążeń trakcyjnych przyłączonych do dwóch faz transformatora zasilającego wartość nps można oszacować jako: S obc.tr. nps= 100 [%] ks zw3 faz a) b) c) a b c C Cp L a b c Cp Rys. 7. Układy symetryzacji statycznej z transformatorami Scotta (a, b) i symetryzatory statyczne w układzie transformatora Y/d L a b c L C C C gdzie: S obc.tr. moc obciążenia trakcyjnego przyłączonego do dwóch faz [MVA]; obciążenie to oblicza się dla warunków obciążenia szczytowego 10-sekundowego lub jednominutowego przy największej impedancji systemu zasilającego; praktycznie przyjmuje się często obciążenie szczytowe 30-minutowe; S zw3 faz moc zwarciowa 3-fazowa w punkcie zasilania podstacji trakcyjnej; k = 1,2 współczynnik uwzględniający możliwość przekroczenia asymetrii. Ze względu na fakt, że podstacja trakcyjna wprowadza do systemu energetycznego jednocześnie asymetrię i wyższe harmoniczne, oba te zakłócenia powinny być rozpatrywane łącznie, gdyż ich oddziaływanie na odbiorniki elektryczne i generatory w elektrowniach się kumuluje. Inne zakłócenia pochodzące od tego systemu to: wahania napięć powodowane wahaniami obciążeń trakcyjnych, oddziaływanie na linie telekomunikacyjne i obwody niskoprądowe oraz pobór mocy biernej. Przykładem systemu, w którym zaistniała konieczność zastosowania układów do symetryzacji i filtracji jest linia pod kanałem La Manche [2]. Na etapie projektu przyjęto moce lokomotyw rzędu 15 MVA, a spodziewany łączny pobór mocy całego odcinka 120 MVA (przewidziano dwa transformatory po 60 lub 75 MVA). Minimalne moce zwarciowe na poziomie 132 kv w Folkestone (Wielka Brytania) były poniżej 1000 MVA, zaś po stronie Francji powyżej MVA. Stąd w podstacji w Folkestone przewidziano zastosowania symetryzatorów-filtrów (rys. 8) z przełączalnymi bateriami kondensatorów i tyrystorowo regulowanymi indukcyjnościami. Znacznie podniosło to koszt wyposażenia podstacji. W systemie 50 Hz sieci trakcyjne mają zbliżone parametry do sieci systemu 16 2/3 Hz (tabl. 6, 7). Przykładami szybkich linii kolejowych zasilanych napięciem 25 kv mogą być linie Madryt Sewilla (1 25 kv), Shinkansen (Japonia), czy TGV (pierwsze zastosowanie systemu 2 25 kv na linii 163 km TGV South East w 1981 r. do zasilania pociągów o mocy 6,4 MW, a na linii TGV Atlantique pociągów o mocy 8,8 MW z następstwem co 4 min). Linia Madryt Sewilla [4] Linia długości 465 km i maksymalnym wzniesieniu 12% uruchomiona w latach 90. XX w. miała projektowane zapotrzebowania na moc na poziomie 500 MVA, którą dostarcza 12 podstacji trakcyjnych (odległości między podstacjami poniżej 50 km) zasilanych napięciem 132 (3 podstacje) i 220 kv (9 podstacji). Tak duże zapotrzebowanie wynikało z przewidywanego ruchu pociągów AVE (typu TGV, maksymalna prędkość 300 km/h) o mocy znamionowej 8,8 MW oraz lokomotyw do ruchu mieszanego o mocy Przykładowe parametry sieci trakcyjnej systemu 25 kv 50 Hz linii szybkich [4, 5] Tablica 7 Linia Madryt-Sevilla 1 25 kv Linia Rzym-Neapol 2 25 kv Element Przekrój [mm 2 ] Siła naciągu [N] Przekrój Naciąg Rys. 8. Symetryzator-filtr w jednej z faz zasilania trakcyjnego po stronie 25 kv w Folkestone [2] Przewód jezdny RiS 120 F c = 1500 dan mm 2 Cu dan BzII70 Cu Lina nośna przewód powrotny: Al240 mm 2 F m = 1500 dan 120 mm 2 Cu 1375 dan dodatkowy zasilacz: Al240 (wzmacniający) Statyczna siła nacisku odbieraka

8 5,6 MW (maksymalna prędkość 220 km/h). W celu zmniejszenia asymetrii zastosowano zasilanie podstacji z przełączeniem faz. Sieć trakcyjna obu torów została połączona równolegle, przewidziano także zastosowanie wstawek neutralnych długości 300 m w miejscu kabin sekcjonujących odcinki zasilania sąsiednich podstacji. Pociągi wyposażone zostały w układy automatyki do wyłączenia poboru prądu trakcyjnego przed wjazdem na wstawkę neutralną aby uniknąć łuku elektrycznego. Układy zdalnego sterowania łącznikami sieci trakcyjnej (30 lokalnych centrów sterowaia) umożliwiają automatyzację dokonywania przełączeń i zapewniają bezpieczeństwo. Zastosowano dodatkowy przewód powrotny AL240 mm 2 połączony z uziemioną szyną oraz cyfrowe układy zabezpieczeń ze sterownikami mikroprocesorowymi. Schemat rozmieszczenia urządzeń w podstacji trakcyjnej przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Uproszczony schemat aparatury podstacji trakcyjnej linii Madryt Sewilla [4] Linia TGV Atlantique [6, 13] Linia ta ma długość 256 km i jest zelektryfikowana w systemie 2x25 kv z 14 km połączeniem z konwencjonalnymi liniami zelektryfikowanym w systemie 1,5 kv DC. Linię zasilają cztery podstacje 2 25 kv zasilane dwiema liniami linii o napięciu 225 lub 400 kv, co było wymagane ze względu na dużą moc zapotrzebowaną i wysoką niezawodność zasilania. Stąd rezerwowane są nie tylko linie zasilające, lecz także transformatory w podstacjach (dwa zainstalowane, jeden pracuje) poza podstacją rozmieszczoną w środku linii, gdzie pracują dwa 60 MVA olejowe transformatory 225 (400)/50 kv z automatyczną regulacją napięcia. Układy automatyki transformatorów zawierają zabezpieczenia: ziemnozwarciowe, Buchholza, nadprądowe, wykrywanie uszkodzenia automatycznej regulacji napię- cia. Wyłączniki mocy zabezpieczają zasilacze sieci trakcyjnej, w której występują odcinki neutralne. Kabiny sekcyjne znajdują się w środku odcinków międzypodstacyjnych, a odcinki sieci przy kabinach są również wyposażone we wstawki neutralne. Punkty połączeń poprzecznych znajdują się między podstacjami i kabinami sekcyjnymi. Każda z kabin sekcyjnych i każdy z punktów połączeń poprzecznych wyposażone są w dwa 10 MVA autotransformatory o niskim napięciu zwarcia (1,2%) przyłączone do sieci trakcyjnej obu torów poprzez odłączniki wyposażone w sterowanie podnapięciowe. Wyłączniki zasilaczy (o prądzie znamionowym 1250 A) wyposażone są w mikroprocesorowo sterowane przekaźniki impedancyjne do wykrywania zwarć w sieci trakcyjnej. Układ zasilania sterowany jest z centralnej dyspozytorni w Paryżu. Rys. 10. Rozmieszczenie urządzeń na terenie podstacji linii Madryt Sewilla OWN - odłacznik WN 2-biegunowy, TN - przekładnik napięciowy, SZWN - szyny WN, WM - wyłącznik mocy, PP - przekładnik prądowy, OP - ochronnik przepięciowy [4] Fot. 8. Widok dwubiegunowego wyłącznika 220 kv [4] 87

9 Linia Rzym Neapol [5] Dla linii Rzym Neapol, mimo pozytywnych doświadczeń z eksploatowanym systemem 3 kv DC, koleje włoskie wybrały system 2 25 kv 50 Hz ze względu na przewidywane perspektywiczne prędkości ruchu km/h pociągów o mocy 12 MW z następstwem co 5 min, co przekracza zdolność dostawy mocy przez system 3 kv DC. Przyjęto średnie odległości między podstacjami 50 km, a każda z podstacji wyposażona jest w dwa jednofazowe transformatory o mocy 60 MVA każdy. Przewidziano 100% rezerwowanie, co spowodowało konieczność zastosowania sieci trakcyjnej 320 mm 2 Cu (lina nośna: 120 mm 2 Cu, naciąg 1375 dan, przewody jezdne: mm 2 Cu o naciągu 1250 dan każdy) i dało okład mocy zainstalowanej 2,2 MVA/km linii. Linia 132 kv przeznaczona do zasilania 3 podstacji trakcyjnych poprowadzona została z autotransformatorów systemowych 380/132 kv. Między podstacjami trakcyjnym zainstalowano po 3 autotransformatory trakcyjne 50/25 kv o mocy 15 MVA każdy, znajdujące się w odległości co 12 km od siebie. Każdy z transformatorów podstacji zasila odcinek ok. 25 km z wykorzystaniem połowy swojej mocy znamionowej, co pozwala, w warunkach awaryjnych (odłączenie jednej podstacji) na zasilanie całości trasy bez konieczności zmniejszenia nawet szczytowego ruchu. Przeciążalność transformatora wynosi: 50% przez 15 min i 100% przez 5 min. Dla każdego z torów zastosowano także podziemny przewód powrotny 2 95 mm 2 Cu i napowietrzny mm 2 ze stopu Al. W wyniku analiz stwierdzono, że obciążenia linii nie będą powodować istotnej asymetrii do systemu elektroenergetycznego, podobnie wyeliminowany będzie wpływ harmonicznych. Jednakże w trakcie uruchamiania linii okazało się, że pojawiały się zakłócenia w przebiegającej w pobliżu i krzyżującej się w wielu miejscach starej linii Rzym-Neapol, zasilanej napięciem 3 kv DC. Linia 3 kv DC wyposażona była w obwody torowe zasilane napięciem 50 Hz. Pociąg Shinkansen (Japonia) [14] Linia Tokyo Osaka była pierwszą (1964 r.) linią, po której poruszały się pociągi o mocy 11,8 MW z prędkością powyżej 200 km/h. Stosowany system zasilania to 50/60 Hz o napięciu 25 kv z booster transformatorami rozmieszczonymi co 1,5 3 km. Podstacje rozmieszczone były w odstępach co 20 km. Na nowej linii San-yo Shinkansen system ten został zastąpiony przez system 2 25 kv z autotransformatorami rozmieszczonymi co 10 km, zaś podstacjami co ok km. Okazało się także, że system 2 25 kv jest tańszy o około 15% niż klasyczny system 1 25 kv i o około 40% w porównaniu do Rys. 11. Podstacja trakcyjna na linii TGV Atlantique DZ - dodatkowy zasilacz, ST - sieć trakcyjna Rys. 12. Schemat obwodu kabiny sekcyjnej na linii TGV Atlantique Fot. 9. Sieć trakcyjna na odcinku Rzym Neapol 88

10 systemu z booster transformatorami (BT). Stosowana w systemie 2 25 kv sieć trakcyjna to: lina nośna: Fe 180 (lub Cu 150) mm 2, przewód jezdny 170 mm 2 Cu, zasilacz dodatkowy 300 mm 2 Al. Aktualnie na linii Sanyo pociągi osiągają prędkość 300 km/h. Projekt szybkiej kolei Sydney Melbourne (867 km) [21] W projekcie nowej linii na tym odcinku założono ruch pociągów z maksymalną prędkością 350 km/h. Z rozpatrywanych opcji: 1 25 kv, 2 25 kv, 50 kv i 2 50 kv zaproponowano wariant z napięciem 50 kv (w systemie BT rys. 4b) i 2 50 kv (ze względu na brak infrastruktury energetycznej, rys. 4d), siedmioma podstacjami oraz trzema autotransformatorami, rozmieszczonymi między podstacjami co 60 km na odcinku 250 km. Podsumowanie Każdy z omówionych systemów zasilania dla dużych prędkości jazdy ma specyficzne zalety, wady i ograniczenia. System 3 kv prądu stałego ma najniższe z omawianych systemów zdolności przesyłowe, a jego możliwości dostawy wymaganej energii dla ruchu szybkich pociągów kończą się przy prędkościach rzędu 250 km/h. Budowa nowych linii, czy przygotowania do zmiany systemu na linii Dirretissima we Włoszech wynikają także z czynników eksploatacyjnych dużego zużycia przewodu jezdnego przy gęstym ruchu pociągów szybkich. Uzasadniona jest także budowa linii szybkich zasilanych napięciem 25 kv 50 Hz we Francji czy Holandii, gdyż dla systemu 1, 5 kv osiąganie prędkości powyżej 160 km/h stanowiło dla tego mało efektywnego technicznie systemu wyzwanie. System prądu stałego ze względu na spadki napięć w sieci i wprowadzanie wyższych harmonicznych prądu do sieci zasilającej wymaga gęstego rozmieszczenia podstacji, które powinny być zasilane z punktów o dużej mocy zwarciowej, czyli o wysokim napięciu. Zaletą systemu prądu stałego jest zaś symetria obciążeń. Z kolei system 25 kv 50 Hz, ze względu na wprowadzaną asymetrię, wymaga przyłączenia do linii wysokich napięć za pośrednictwem wydzielonych linii. Jest to niezmiernie kosztowne i nie w każdych warunkach możliwe do realizacji. Wymagania dotyczące mocy zwarciowych mogą być spełnione jedynie przy napięciach powyżej 110 kv z własnym podłączeniem do sieci napięć. systemowych, dlatego niekiedy zachodzi konieczność stosowania kosztownych układów do symetryzacji obciążeń trakcyjnych. Wpływa to na korzyści techniczno-ekonomiczne z zastosowania tego systemu (większe odległości między podstacjami, lżejsza sieć, mniejsze zużycie energii, zwykle ok % mniejsze nakłady inwestycyjne). Aby można było utrzymywać duże odległości międzypodstacyjne, przy dużych mocach pobieranych stosowane są układy do kompensacji indukcyjnych spadków napięcia lub napięcie 2 25 kv (50 kv). System zasilania o obniżonej częstotliwości (16 2 /3 Hz) wymaga utworzenia własnej wydzielonej sieci zasilającej i poza krajami, w których jest stosowany od lat i silnie już rozbudowany nie ma większych szans na ekspansję do innych krajów. Chociaż jego oddziaływanie na sieć zasilającą (w przypadku podłączenia do sieci publicznej) jest 3-fazowe, to mogą pojawić się zapady napięcia przy rozruchach maszyn wirujących lub wyższe harmoniczne przy zasilaniu z przetwornic statycznych. Fot. 10. Sieć trakcyjna na linii Liege Bruksela, zasilanej napięciem 25 kv 50 Hz Fot. A. Massel Fot. 11. Punkt styku systemu 25 kv 50 Hz z systemem 3 kv DC na linii Liege Bruksela Fot. A. Massel Biorąc pod uwagę specyficzne cechy przedstawionych systemów, w tablicy 8 zestawiono porównawczo ich właściwości w odniesieniu do zasilania szybkich linii kolejowych, zwłaszcza można je odnieść do linii kolejowych w Polsce. Dla dostawy energii do prowadzenia pociągów o prędkościach km/h wystarczający jest istniejący w Polsce system zasilania 3 kv DC, wybrany przed II wojną światową przez prof. Romana Podoskiego. Należy podkreślić, że w ówczesnych czasach był to system nowoczesny i jak się okazało w wieloletniej perspektywie, wystarczający dla Polski. Wybór dość dobrze rozwiniętego wtedy systemu 1,5 kv DC wymusiłby, podobnie jak we Francji lub Holandii, konieczność jego zmiany lub uzupełnienia o linie zelektryfikowane w systemie prądu przemiennego. Należy zatem oddać, w 85-lecie rozpoczęcia przez prof. Romana Podoskiego w Politechnice Warszawskiej wykładów z trakcji elektrycznej, hołd przenikliwości i wiedzy Profesora. Ta decyzja umożliwiła Polsce utrzymanie jednego systemu elektryfikacji linii kolejowych i związanych z tym korzyści, co jest obecnie w Europie rzadkością. Oczywiście nie wyklucza to sytuacji, że w przyszłości gdy pojawi się uzasadniona przewozami i polityką transportową potrzeba budowy linii tranzytowej o prędkościach km/h doczekamy się systemu zasilania 25 kv 50 Hz (bo oryginalnego 89

11 Ocena porównawcza systemów zasilania stosowanych na liniach szybkich Tablica 8 Rodzaj systemu Maksymalne Asymetria Szacunkowy Harmoniczne Sieć Zakłócenia Spadki Prądy Liczba Moce prędkości obciążeń koszt wprowadzane trakcyjna w obwodach napięć błądzące podstacji zwarciowe jazdy [km/h]/ elektryfikacji do sieci telekomu- w sieci i wymagany /moce pojazdów [%] zasilającej nikacji trakcyjnej poziom napięć 3 kv DC 250/6 MW Największy ± Duża >1000 MVA przekrój, 110 kv duże zużycie 1 25 kv 50 Hz 250/10 MW 80 Sieć lekka + Średnia 50 moc transformatorów w podstacji >110 kv 2 25 kv 50/60 Hz Sieć lekka Mała 50 moc transformatorów w podstacji >110 kv 50 kv i więcej 50/60 Hz Sieć lekka ± + + Najmniejsza 50 moc transformatorów w podstacji >110 kv 15 kv 16 2/3 Hz 350 +? ± Sieć lekka Mała Własny system przesyłowy lub przetwornice statyczne zasilane z sieci 50 Hz + Nie dotyczy. Dotyczy. ± Dotyczy w małym stopniu. systemu 16 2 /3 Hz nie należy rozszerzać poza kraje już go eksploatujące). Podobnie można przeanalizować, w przypadku elektryfikacji linii LHS alternatywę z zasilaniem tej linii (wydzielonej ze względu na szeroki tor z systemu kolei w Polsce) napięciem 25 kv 50 Hz. Literatura [1] Altus J., Novak M., Otcenasova A., Pokorny M., Szelag A.: Quality parameters of electricity supplied to electric railways. Scientific Letters of the University of Żilina-Communications, No 2-3/2001. [2] Barnes R., Wong K.T.: Unbalance and harmonic studies for the Channel Tunnel railway system IEE Proc. B vol. 138, No 2., March [3] Bauer K.H., Gerichten F., Kiessling F., Lerner F.: The Use of Aluminium for the Overhead Catenary System on German Federal Railway s New High Speed Lines. [4] Beaun E.: Powering the New High-speed Rail Link between Madrid and Seville. [5] Capasso A., Morelli V.: Elektryfikacja nowych linii kolejowych wysokich prędkości we Włoszech. Technika Transportu Szynowego 2/1996. [6] Gourdon C., Herce C.: The overhead system for the TGV Atlantique. [7] Harprecht W., Seifert R.: Tractive power supply at German Federal Railway s 400k/h runs. [8] Kotelnikov A.V.: Elektrifikacija Żeleznych Dorog mirowyje tendencii i perspektywy. VNIIZT, Moskva [9] Maciołek T.: Problemy zasilania linii kolejowych 3 kv o prędkościach do 250 km/h. Seminarium Naukowe Sekcji Trakcji Elektrycznej Komitetu Elektrotechniki PAN Warszawa maj 2004 (materiały seminaryjne). [10] Mierzejewski L., Szeląg A.: Infrastruktura elektroenergetyczna układów zasilania systemu 3 kv DC linii magistralnych o znaczeniu międzynarodowym. Technika Transportu Szynowego 1-2/2004. [11] Mierzejewski L., Szeląg A.: Infrastruktura elektroenergetyczna układów zasilania systemu 3 kv DC linii magistralnych o znaczeniu międzynarodowym (2) projektowanie efektywnego układu zasilania zlk. Technika Transportu Szynowego 3/2004. [12] Mierzejewski L., Szeląg A.: Koncepcii i metody analiza variantov modernizacii pitanija skorostnych magistralnych linij meżdunarodnogo znaczenija. Seminar OSŻD/UIC po teme Podchody po razrabotke reszenija dla obespieczenija tokosjoma na suszczestvujuszich transportnych koridorach. Warszawa, r. [13] Mierzejewski L., Szeląg.A., Jankowski P.: Electrical energy quality studies in DC electric traction systems for different ways of connection traction substation to power system. Advances in Electrical and Electronic Engineering No.2 Vol. 3/2004 Żilina Slovakia. [14] Nogi T.: Feeding system for AC on the San-yo Shin Kansen. Rail International 6/1971. [15] Roussel H.: Power supply for the Atlantic TGV high speed line. [16] Surland R.W.: Traction power supplies. [17] 50 kv Autotransformer traction supply systems the French experience. Half-day colloquium, IEE, 9 Nov [18] Szeląg A.: Railway electric traction in Poland. Technika Transportu Szynowego, Special English Edition Innotrans-Berlin/2004. [19] Szeląg A.; Mierzejewski L.: Application of computer techiques in introduction of a new power supply system with 110 kv/3 kv DC rectifiers. 4th Int. Conference ELEKTRO 2001, University of Żilina, Slovakia, May [20] Szeląg A., Mierzejewski L.: Ground transportation systems. Artykuł monograficzny w 22-tomowej Wiley Encyclopaedia of Electrical and Electronic Engineering, Nowy Jork, Supplement I, [21] Woodhead G.E., Anthon G.D.: Power supply options for the proposed Sydney-Melbourne Very Fast Train Project. [22] Fourth Vacation School on Electric Traction Systems. IEE Power Division, Autorzy dr hab. inż. Adam Szeląg profesor PW dr inż. Leszek Mierzejewski Zakład Trakcji Elektrycznej Politechniki Warszawskiej 90