Napajanje El Vuce 32str

Sadraj

Predgovor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX 1. El Elek ektri trifik fikac acij ija a želje željezn znič ički kih h pruga pruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1. 1.1. 1.2.. 1.2 1.3.. 1.3 1.4.. 1.4

Povije Povi jest st elektri elektrifi fika kaci cije je . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Elektrif Ele ktrifika ikacij cijaa prug prugaa u svi svijet jetu u................................................... 6 Elektrif Ele ktrifika ikacij cijaa hrvatsk hrvatskih ih željez željeznic nica a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Razlozi Razl ozi elektrif elektrifika ikacij cijee željezni željeznički čkih h pruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.1. Ekol Ekološki oški i prost prostorni orni kriteriji kriteriji i uvjeti uvjeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.4.2. 1.4 .2. Ek Ekono onomski mski kriteri kriteriji ji i uvjeti uvjeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.3. 1.4 .3. Ene Energe rgetsk tskii razlozi razlozi i uvjeti uvjeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4. 1. 4.4. 4. Pr Prom omet etni ni uvjeti uvjeti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.5. 1.4 .5. Tehn ehničk ičkii uvje uvjeti ti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5.. Ana 1.5 Analiz lizaa izvodlj izvodljivo ivosti sti prije prije elektrif elektrifikac ikacije ije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.6. 1. 6. Pre Predn dnost ostii elek elektri tričn čnee vuče vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2. Razvoj Razvoj i ka karak rakte teristi ristike ke susta sustava va za za napaj napajanje anje elektrificiranih pruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1. 2.2.. 2.2 2.3. 2. 3. 2.4.. 2.4 2.5. 2. 5. 2.6. 2. 6.

Trofazni susta Trofazni sustavv snižene snižene frekvenci frekvencije je 3,3 kV kV,, 15 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednof Jed nofazn aznii susta sustavv 15 kV kV, 16 2/3 2/3 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Istos Ist osmje mjerni rni su sust stav av 3 00 000 0 V i 1500 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jednof Jed nofazn aznii susta sustavv 25 kV kV,, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jedn Je dnof ofaz azni ni sust sustav av 2× 25 kV kV, 50 Hz Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sust Su stav avii vel velik ikih ih brzi brzina na . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28 29 31 33 35 36 V

Napajanje električne vuče

3. Int Intero eroper perabi abilno lnost st sustav sustava a elektri električni čnih h željez željeznic nica a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1. Europsk 3.1. Europskaa prometn prometnaa politik politikaa za budućno budućnost st Europe Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2. Položa Položajj željezničk željezničkog og sustava sustava u prometn prometnom om sustavu sustavu Europske Europske unije unije . . . . . . . . 41 3.3. Uvođe Uvođenje nje novih novih tehnologi tehnologija ja u željez željeznički nički prome prometni tni sustav sustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1. 3.3 .1. Uvo Uvođen đenje je int intero eroper perabi abilno lnosti sti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.2. Tehnič ehničke ke specifikaci specifikacije je za interoperab interoperabilnost ilnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.3.3. Tehnič ehničke ke specifikaci specifikacije je za podsustav podsustav energije energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4. Konta tak ktna mre režža . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.1. 4.1. 4.2.. 4.2 4.3.. 4.3 4.4.. 4.4 4.5. 4. 5. 4.6.. 4.6

Vrste kontak Vrste kontaktne tne mreže mreže prema prema načinu načinu ovješ ovješenja enja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Napaja Nap ajanje nje vučni vučnih h vozila vozila iz konta kontaktne ktne mreže mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Povra Po vratni tni vod ko konta ntaktne ktne mre mreže že . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Uzemlje Uze mljenje nje kon kontak taktne tne mrež mrežee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Zate Za tezn zno o polje polje i prek preklo lopi pi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Konstru Kon strukci kcija ja i izvedb izvedbaa konta kontaktne ktne mreže mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.6.1. Konta Kontaktna ktna mreža mreža za otvore otvorenu nu prugu prugu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.6.2. 4.6 .2. Kon Kontak taktna tna mreža mreža za kolodv kolodvore ore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.7.. Ele 4.7 Električ ktrične ne karakte karakterist ristike ike kont kontaktn aktnee mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.7.1. Imped Impedancij ancijaa kont kontaktne aktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.7.1.1. 4.7.1. 1. Prorač Proračun un jedinične jedinične impedan impedancije cije kontaktn kontaktnee mreže . . . . . . . . . . 77 4.8.. Meh 4.8 Mehani aničk čkee karakteri karakteristik stikee kontaktn kontaktnee mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8.1. Opt Optereće erećenje nje vodova vodova kont kontaktne aktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.8.1. 4.8 .1.1. 1. Fizi Fizička čka tež težina ina vod vodova ova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.8.1. 4.8 .1.2. 2. Sil Silee napre naprezan zanja ja vodo vodova va . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.8.1.3. 4.8.1. 3. Opte Opterećen rećenje je uzrok uzrokovano ovano vjetro vjetrom m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.8.1.4. 4.8.1. 4. Opte Opterećen rećenje je prouz prouzročeno ročeno zaleđ zaleđivanjem ivanjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.8.1. 4.8 .1.5. 5. Jed Jednad nadžba žba stan stanja ja vodič vodiča a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5. Nap Napaja ajanje nje i sekc sekcioni ionira ranje nje ko kontak ntaktne tne mre mreže že . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1. Napajanje Napajanje elektro elektrovučne vučne podsta podstanice nice 25 kV, kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.1.1. Izved Izvedbe be i karakteris karakteristike tike vučnih transf transformatora ormatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.. Sek 5.2 Sekcio cionir niranj anjee kont kontaktn aktnee mrež mrežee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.2.1. Dvostr Dvostrano ano napajanje napajanje kontak kontaktne tne mreže 25 25 kV, kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6. Elektro Elektroene energe rgetsk tskii pror proraču ačun n stab stabiln ilnih ih postrojenja napajanja električne vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.1. 6. 1. Simul Simulac acij ijaa elektr električ ične ne vuče vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. 6.1 .1. Fizi Fizikal kalna na slika slika kretan kretanja ja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. 6. 1.1. 1.1. 1. St Stal alni ni otp otpori ori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1. 6.1 .1.2. 2. Po Povre vremen menii ot otpori pori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. 6. 1.1. 1.3. 3. Ot Otpo porr ubrza ubrzanja nja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. 6. 1.2. 2. Ad Adhe hezi zija ja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3. 6.1 .3. Po Potreb trebna na snaga snaga za vuču vozila vozila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.4. Mate Matematičk matičkii model za prora proračun čun kretanja kretanja vlaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.5. 6.1 .5. Re Režimi žimi vož vožnje nje vla vlaka ka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.6. Algorit Algoritam am za simula simulaciju ciju kret kretanja anja vlaka vlaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI

108 108 108 109 110 111 112 113 114 115

Sadržaj

6.2. Formiranje električne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Proračuni u kontaktnoj mreži . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1. Proračun električnih prilika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Proračun zagrijavanja vodova kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3. Proračun kratkog spoja u kontaktnoj mreži . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122 123 124 126 128

7. Relejna zaštita stabilnih postrojenja za napajanje električne vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.1. Relejna zaštita kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 7.2. Relejna zaštita elektrovučne podstanice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.2.1. Zaštita transformatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8. Elektromagnetska kompatibilnost u elektrovučnom sustavu . . . . . . . . . . . . . . . 145 8.1. Postojeće norme i propisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.2. Utjecaj elektrovučnog sustava na telekomunikacijske vodove . . . . . . . . . . . . . 149 8.2.1. Induktivni utjecaj kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.2.1.1. Računanje induciranog napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 8.2.1.2. Induktivni utjecaj u slučaju kratkog spoja voznog voda . . 154 8.2.1.3. Utjecaj na cjevovode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 8.2.1.4. Mjere za minimiziranje induktivnog utjecaja . . . . . . . . . . . . . . 160 8.2.2. Kapacitivni utjecaj kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.2.2.1. Računanje influenciranog napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 8.2.2.2. Mjere za minimiziranje kapacitivnog utjecaja . . . . . . . . . . . . . 163 8.2.3. Omski i galvanski utjecaj povratnog voda na ostale metalne objekte položene u zemlju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.2.3.1. Utjecaj na kabele položene u zemlju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 8.3. Električna i magnetska polja niske frekvencije u elektrovučnom sustavu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8.3.1. Električno polje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.3.2. Magnetska indukcija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 8.3.3. Mjerenje elektromagnetskog polja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 8.3.4. Proračun elektromagnetskog polja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 8.4. Kvaliteta električne energije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 8.4.1. Pokazatelji kvalitete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.4.1.1. Frekvencija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.4.1.2. Iznos napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8.4.1.3. Treperenje napona (flikeri) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.4.1.4. Nesimetrije napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 8.4.1.5. Viši harmonici i međuharmonici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 8.4.1.6. Povišenje napona i prenaponi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9. Trendovi razvoja u sustavima napajanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 9.1. Izmjena sustava električne vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 9.1.1. Izmjene sustava na pruzi Moravice – Rijeka – Šapjane . . . . . . . . . . . . . . 182 9.2. Nova brza pruga visoke učinkovitosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 VII


9.3. Učinkovito korištenje električne energije na željeznici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.1. Stanje na hrvatskim željeznicama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4. Regenerativno kočenje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5. Razvoj suvremenih europskih željezničkih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

185 189 190 192

Popis oznaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Kazalo pojmova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 O autorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

VIII

Predgovor

Knjiga Napajanje električne vuče obrađuje osnovnu problematiku sustava napajanja elektrificiranih pruga. Sustavi za napajanje električne vuče nastajali su diljem svijeta u skladu s mjestom i tehnologijom dostupnom u vrijeme njihove izgradnje. Prvi sustavi izgrađeni su prije više od 100 godina, a u posljednjih 20 godina došlo je do dina mičnog razvoja električne željezničke vuče, čemu je velikim dijelom doprinos dao ubrzani razvoj energetske elektronike i mikroprocesora. Sustavi napajanja složeni su tehnički objekti u kojima pored starih mogu postojati i najmodernije tehnologije, pa su za njihovo projektiranje, izgradnju i održavanje potrebna multidisciplinarna tehnička zna nja. U ovoj knjizi nastojalo se čitatelja na postupan način upoznati s glavnim elementima sustava napajanja, kao i nekim metodama proračuna za provjeru mogućnosti napa janja vučnih vozila i za dimenzioniranje kontaktne mreže. Knjiga je koncipirana na osnovi dosadašnjih iskustava autora u radu na ovom području i velikim dijelom obra đuje problematiku sustava 25 kV, 50 Hz kojim su elektrificirane željezničke pruge u Hrvatskoj. U prvom poglavlju knjige prikazan je povijesni razvoj elektrifikacije željeznica i opisani su osnovni tehnički problemi elektrovuče koji su se sastojali u pronalaženju najpovoljnijega izvora i prijenosa električne energije do električne lokomotive i zatim njezina korištenja u samoj lokomotivi. Drugo poglavlje opisuje različite sustave napajanja električne vuče, čija je raznoli kost bila prouzročena stupnjem razvoja elektrotehnike u pojedinim zemljama. Danas se nastoje uskladiti tehnička rješenja i standardizirati propisi koji bi omogućili nepre kidno prometovanje među državama i osigurali interoperabilnost željezničkog sustava u Europi, što je opisano u trećem poglavlju knjige. IX


Četvrto poglavlje obrađuje problematiku kontaktne mreže, složenog objekta koji nema nikakvu rezervu u pogledu instalacija, pa se zato mora oprezno projektirati, izgraditi i održavati. Osnovni principi napajanja i sekcioniranja kontaktne mreže za sustav 25 kV, 50 Hz prikazani su u petom poglavlju, dok šesto opisuje osnove elektroenergetskog proračuna za računanje električnih prilika u elektrovučnom sustavu na osnovi prometa vlakova. Relejna zaštita kontaktne mreže i elektrovučnih podstanica obrađena je u sedmom poglavlju. U osmom poglavlju dan je prikaz složene problematike elektromagnetske kompa tibilnosti u elektrovučnom sustavu. Deveto poglavlje opisuje neke nove aspekte razvoja sustava napajanja, u prvome redu na hrvatskim željeznicama. Knjiga je namijenjena studentima na diplomskom i poslijediplomskom sveučiliš nom studiju koji izučavaju građu vezanu uz električne željeznice. Može biti korisna i mnogim stručnjacima koji se na bilo koji način bave tim problemima u praksi. Izražavamo posebnu zahvalnost tvrtkama koje su potpomogle objavljivanje ovog sveučilišnog udžbenika, a to su: HOPS d.o.o. – Hrvatski operator prijenosnog sustava, ŽPD d.d. – Željezničko projektno društvo i FER – Fakultet elektrotehnike i računarstva u Zagrebu. Sa zahvalnošću ćemo primiti primjedbe i prijedloge koji bi poboljšale sadržaj slje dećeg izdanja ove knjige. U Zagrebu listopada 2014. Autori

X

1

Elektrifikacija eljeznikih pruga

Od uvođenja prve električne vuče 1879. godine do danas elektrificirano je više od 250 000 kilometara željezničkih pruga u svijetu. Elektrifikacija željeznica počela je u posljednjem desetljeću XIX. stoljeća. Od tada pa do danas elektrificirane su mnoge glavne željezničke pruge. Iz statističkih podataka može se konstatirati da u gotovo svim industrijski razvijenim zemljama svijeta, is ključujući zemlje Sjeverne i Južne Amerike, električna vuča zauzima vodeće mjesto po obimu prijevoza, a obim prijevoza tim je veći što je veći udio elektrificiranih pruga u odnosu na ukupnu dužinu pruga. Tempo elektrifikacije željeznica stalno se pojačavao, posebno u Europi, i to posebno u godinama nakon II. svjetskog rata. Vuču vlakova na elektrificiranim prugama obavljaju električne lokomotive s putničkim ili teretnim vagonima i elektromotorni vlakovi s vlastitim električnim pogonom s posebnim putničkim garniturama samo za prijevoz putnika. Uvođenje električne vuče na željeznicama ima sljedeće važne značajke: – najvišu tehničku razinu u željezničkoj vuči – povoljnije korištenje energetskih izvora – bolju kvalitetu prijevoza putnika i robe zbog povećanja brzine, udobnosti, čistoće i sigurnosti – veće prometne mogućnosti zbog bržih i težih vlakova te time povećanje propusne moći pruga po broju vlakova i povećanje prijevozne moći pru ga po količini transporta – ekonomski faktor zbog najnižih troškova prijevoza. Elektrifikacija željeznica razvijala se i usavršavala prema stupnju razvoja elektro tehnike i znatno je ovisila o tome, ali je ujedno dosta utjecala na razvijanje elektro tehnike i elektroindustrije. Tehnički problemi elektrifikacije željeznica, odnosno elektrovuče, od samog početka do najnovijih rješenja sastojali su se u pronalaženju najpo1


voljnijeg izvora i prijenosa električne energije do električne lokomotive i zatim kori štenja te električne energije u samoj lokomotivi. U biti je trebalo riješiti ta dva osnovna krupna problema elektrifikacije željeznica. Prvo, odabrati izvor napajanja električne energije, odnosno izvor struje i napona, te ostvariti prijenos energije do stabilnih postrojenja elektrovuče uz najprikladniju transformaciju i dovod do električne lokomotive za željezničku vuču. To znači prijenos energije od elektrana ili trafostanica te putem dalekovoda do željezničkih elektrovučnih podstanica te voznim vodom do lokomotiva i natrag tračnicama do podstanica. Drugo, trebalo je pronaći najpovoljniji elektrovučni motor za pogon u električnoj lokomotivi. Koliko je god bilo važno riješiti problem izbora napona i struje izvora i napajanja električne energije, još je više trebalo pronaći najpovoljniji vučni motor jer je to često bila osnova za čitav sustav elektrifikacije željeznica. S razvojem elektrotehnike i elektroindustrije nastajali su i različiti sustavi elektrifikacije željezničkih pruga. Prvi je i jedini sustav elektrifikacije željeznica, koji je nastao potkraj 20. stoljeća, istosmjerni sustav napona 600 V, i dok se on na željeznicama kasnije vrlo malo primjenjivao, dobio je široko područje u podzemnim željeznicama velikih gradova. Svi važni sustavi elektrifikacije željeznica nastali su i razvili su se zapravo tijekom prošlog stoljeća.

1.1. Povijest elektrifikacije Smatra se da je električna vuča nastala 31. svibnja 1879. godine kada je na industrijskoj izložbi u Berlinu demonstrirana prva električna željeznica duljine oko 300 m, a izgradio ju je Werner von Siemens. Električnu lokomotivu pokretao je električni motor snage 9,6 kW. Električnu struju uz napon od 160 V motor je dobivao preko posebne kontaktne tračnice, a kao povratni vodič služile su tračnice po kojima se vlak kretao – tri minijaturna vagončića kretala su se brzinom od 7 km/h, a na klupama je bilo 18 putnika. Nakon toga započelo je istraživanje uporabe električne vuče u Njemačkoj, Velikoj Britaniji, SAD, Austriji, Irskoj i Francuskoj, pa bi kronologiju doga đanja trebalo dati za svako zemlju posebno, što bi bilo preopširno. Zbog toga je u nastavku dan pregled nekih karakterističnih događaja u povijesti elektrifikacija željeznica, prvo u Europi pa u svijetu. Dana 16. svibnja 1881. otvorena je za putnički promet prva urbana električna željeznica Berlin – Lichterfeld (180 V). Godine 1891. elektrificirana je pruga Lauffen – Frankfurt u dužini od 175 kilometara (7 kV, 40 Hz). Prva električna lokomotiva u Europi vozila je 1899. godine na magistralnoj pruzi Burgdorf – Thun, sustav za napajanje električne vuče bio je trofazni napon 750 V, 40 Hz (slika 1.1.). 2

1. Elektrifikacija željezničkih pruga

Slika 1.1. Prva električna lokomotiva na relaciji Burgdorf – Thun (Švicarska), 1899. godine

Oko 1900. godine još nije postojao istosmjerni motor veće snage, pa se eksperimentiralo s trofaznim izmjeničnim asinkronim motorom. Sustav s 750 V i frekvencijom 40 Hz najprije je primijenjen u Švicarskoj. Lokomotive su imale indukcijske asinkrone motore. Sustav se u praksi poka zao prilično složenim jer je zahtijevao dva međusobno izolirana kontaktna voda (treću su fazu činile tračnice), što je bilo osobito nespretno kod skretnica. Osim toga, dodatni je trošak prouzročila nemogućnost izravnoga povezivanja željezničke mreže na javnu elektroprivrednu mrežu (bez transformacija). Zbog toga je trebalo iznaći jednostavni je rješenje. Istraživanja koja su uslijedila granala su se u dva smjera: izmjenična i istosmjerna struja. Talijanske željeznice predstavile su električnu vuču na pruzi u sjeverozapadnoj Italiji, u pokrajini Valtellina, dužine 106 km, koja je otvorena za promet 4. rujna 1902. godine (slika 1.2.). Na sjeveru Italije trofazni se sustav napona 3300 V, 15 Hz širio do 1928. godine. Na slici 1.3. prikazan je brzi vlak, koji je proizveo Siemens 1903. godine. Vlak je bio za trofazni izmjenični sustav, a 23. listopada 1903. godine postigao je maksimalnu br zinu od 207 km/h. Pri izmjeničnoj struji nije se mogla upotrijebiti industrijska frekvencija od 50 Hz zbog štetnih posljedica na kolektorima motora, nego ju je trebalo sniziti. Frekvencija je smanjena na trećinu, tj. na 16 2/3 Hz. Prva lokomotiva koja se napajala s 15 kV, 16 2/3 Hz izgrađena je 1905. godine u Švicarskoj (slika 1.4.). Njezina ukupna satna snaga iznosila je 150 kW. U to je vrijeme već bilo moguće proširiti elektrifikaciju diljem Europe. Početkom 20. stoljeća velik je razvoj električne vuče u cijelom svijetu. Sustav napa janja 15 kV, 16 2/3 Hz prihvatile su Švicarska i Njemačka 1909. godine, iduće godine 3

2

Razvoj i karakteristike sustava za napajanje elektrificiranih pruga

Tijekom čitavog razvoja elektrifikacije željeznica, odnosno od prvih početaka električne vuče, sve je u osnovi ovisilo o stupnju tehničkih rješenja električnoga vučnog motora i o proizvodnji i prijenosu električne energije do motora. U razvoju elektrifikacije željeznica ogleda se većim dijelom razvitak i primjena elektrotehnike u elektroindustriji krajem 19. i početkom 20. stoljeća, a traje sve do da našnjih dana. Na tom putu bilo je dosta tehničkih rješenja, od kojih su neka napuštena ili su danas rjeđe u uporabi. U nastavku će se navesti tehnička ostvarenja do kojih je došlo tijekom elektrifikacije željeznica: – Izvori napona i struje: najprije su postojale vlastite istosmjerne elektrane za isto smjerne sustave napajanja, zatim vlastite hidroelektrane za sustave napajanja sa sniženom frekvencijom 16 2/3 Hz. To je bilo omogućeno razvojem pretvarača pogonske frekvencije od 50 Hz na 16 2/3 Hz. U današnje vrijeme postoje elektrovučne podstanice za istosmjerne i izmjenične sustave napajanja. – Prijenos električne energije do elektrovučne podstanice: vlastiti željeznički i elektroprivredni dalekovodi (dvofazni i trofazni za jednofazne sustave 16 2/3 Hz i 50 Hz, a trofazni za istosmjerne sustave). – Prijenos električne energije od elektrovučne podstanice do elektrolokomotive: izolirana treća tračnica; zračni vozni vod, tramvajski ovjes, polukompenzirana i potpuno kompenzirana kontaktna mreža. – Povratni strujni put : tračnice željezničke pruge (obje ili samo jedna uzemljena) i povratno uže. – Postupni razvoj izolacija i izolatora te uređaja za više napone . – Električne lokomotive svih vrsta, veličina i snaga: za istosmjernu struju napona 600 V, 1500 V i 3 000 V; za jednofaznu struju sniženih frekvencija 16 2/3 Hz, 15 kV; za trofaznu struju 3,3 kV, 50 Hz; za jednofazni sustav pogonske frekvencije 50 Hz, 25 kV. Snage lokomotiva od nekoliko stotina do nekoliko tisuća kW. 25


– Vučni električni motori: mali magnetnomotorni istosmjerni strojevi u početku koji se više ne proizvode, istosmjerni serijski motori za istosmjerne napone isto smjernih sustava vuče i s valovitim naponom ispravljenih struja monofaznog sustava, jednofazni serijski motori za sniženu i pogonsku frekvenciju, asinkroni motori. Primjenjuju se različite kombinacije pretvaranja napona, struje ili broja faza na samim lokomotivama (putem transformatora, ispravljača svih vrsta, različitih pretvarača broja faza i frekvencije itd.). Iz čitavoga tog kompleksa danas su se kao najpovoljnija rješenja istaknule dvije vrste vučnih motora, i to: – asinkroni vučni motor koji se napaja iz jednoga pulsnog pretvarača s poluvodičima promjenjivog napona i frekvencije – istosmjerni serijski motor za istosmjerne napone – istosmjerni serijski motor za ispravljenu izmjeničnu struju. U najnovijim se izvedbama lokomotiva (tzv. višesustavne lokomotive) na krovištu nalaze četiri oduzimača struje. Na krajnjim se položajima nalaze oduzimači izmjenične struje napajanja, dok se na unutarnjim položajima nalaze oduzimači struje istosmjernog napona napajanja. Također su opremljene vakuumskim glavnim prekidačem za izmjenični sustav (nalazi se na krovu) i s istosmjernom brzom sklopkom za istosmjerni sustav (nalazi se u strojarnici). Uz oduzimače struje i glavnog prekidača za izmjenični sustav napajanja na krovištu lokomotive nalaze se i naponski pretvarači. Osiguran je od eksplozije u svrhu zaštite osoblja. Neizostavna je komponenta napajanja energijom lokomotive transformator. Glavni transformator jednofazni je transformator izveden za napone izmjeničnog sustava 15 kV, 16 2/3 Hz i izmjenični sustav 25 kV, 50 Hz. Željezna jezgra s primarnim i sekundarnim namotima i apsorbcijska prigušnica dvaju vučnih međukrugova nalaze se u kotlu transformatora. U istosmjernom sustavu napajanja namoti za vuču koriste se kao prigušnice mrež nog filtra. Najpovoljnija veličina napona za vučne motore iznosi oko 750 V, ali zbog nepoželjne elektromagnetske transformacije pri komutaciji grade se izravni vučni motori monofazne vuče 16 2/3 i 50 Hz za napone 450 V, odnosno 220 V, dok vučni motori istosmjernih sustava 1500 V i 3 000 V imaju napone 750 V i 1500 V, odnosno 1000 V kod ispravljačkih električnih lokomotiva 50 Hz. Redoslijed nastajanja elektromotora bio je sljedeći: – serijski istosmjerni motor za niski napon do 600 V – trofazni asinhroni motor na načelima okretnoga magnetskog polja višefaznih sustava (Tesla) – jednofazni serijski motor 16 2/3 Hz i 25 Hz – serijski istosmjerni motor za istosmjerni napon 1500 V (odnosno dva motora u seriji pri 3000 V) – istosmjerni serijski motor za ispravljenu izmjeničnu struju i izravni monofazni motor – serijski motor jednofaznog sustava 50 Hz. 26

3

Interoperabilnost sustava elektrinih eljeznica

Zbog složenosti i raznolikosti sustava napajanja električnih željeznica u pojedinim zemljama Europe nastoji se uskladiti i standardizirati propise koji bi omogućili nepre kidno prometovanje između država i osigurali interoperabilnost transeuropskoga željezničkog sustava. U zadnjih desetak godina intenzivno se provodi proces donošenja jedinstvenih europskih normi koje u tehničko-tehnološkom smislu uređuju željeznički sustav, kao i propisa kojima se određuju smjernice budućeg razvoja jedinstvenoga interopera bilnog željezničkog sustava te tehničko-tehnološki, funkcionalni i sigurnosni uvjeti za organizaciju i regulaciju željezničkog prometa. Najvažniji od tih propisa tehničke su specifikacije za interoperabilost (TSI), i to za svaki od podsustava transeuropskoga željezničkog sustava.

3.1. Europska prometna politika za budućnost Europe Europske se željeznice od kasnih 1960-ih sve teže natječu s povećanjem popularnosti cestovnog i zračnog prijevoza i teže prilagođavaju novim zahtjevima kupca i u teretnom i u putničkom prometu. To je djelomično zbog nedostatka konkurencije u že ljezničkom prometu. Zbog tih događaja Europska unija (EU) obavlja niz inicijativa za modernizaciju željezničkog sektora kako bi mu se omogućilo da ostvari svoj potencijal. Željeznički prometni sustav Europe danas predstavlja kontrast između starog i novog. S jedne strane grade se moderne željezničke mreže velikih brzina, a s druge strane većinu zemalja karakterizira zastarjeli teretni i prigradski promet. Specifičnost je željezničkog prometa da se odvija po posebno izgrađenim putovima – kolosijecima. Širina se kolosijeka s vremenom mijenjala. Gotovo 60 % željezničkih mreža danas koristi se tzv. standardnim ili internacionalnim kolosijecima širine 1 435 39


mm. No nisu sve države usvojile tu mjeru kao standardnu, kao npr. Rusija i nekadašnje Sovjetske Republike. Različita širina kolosijeka problem je u povezivanju. Kako bi se taj problem riješio, uvedeni su tzv. dvojni kolosijeci. Povezivanjem prometnih mreža unutar Europe očekuje se daljnja standardizacija širina kolosijeka. Tako se danas nove linije velikih brzina u Španjolskoj koriste standardnom širinom kolosijeka od 1435 mm. Danas se u okviru Europske unije ulažu znatna sredstva u standardizaciju ne samo širine kolosi jeka nego i sustava signalizacije i napajanja u cilju povećanja brzine prometovanja te sigurnosti. Željeznica je imala ključnu ulogu u razvoju ekonomija pojedinih zemalja, pa ne čudi da je većina odluka donesena u skladu s potrebama države. U mnogim državama takva je situacija zadržana do danas. Da bi se stvorio jedinstveni europski željeznički sustav bilo je potrebno donijeti određene pravne regulative. Donesene su regulative o otvaranju tržišta za prijevoz putnika i roba, o interoperabilnosti vlakova velikih brzina i običnih vlakova, o uvjetima izdvajanja financijskih sredstava od strane države, o pristupu mreži itd. Godine 1996. Europska komisija izdala je Bijelu knjigu, dokument koji između ostaloga sadržava Strategiju revitalizacije državne željeznice. Tim dokumentom dane su osnovne namjere u politici poslovanja te su predloženi programi koji bi trebali omogućiti provođenje tih zadataka. Predložena je veća uloga tržišta, čime bi se smanjili troškovi te poboljšala kvaliteta usluge, odvajanje države i željeznica, stvaranje koridora za prijevoz tereta itd. Bijela knjiga bila je osnovno polazište za sve odredbe donesene od 1996. godine nadalje. Od početka 1970-ih do sredine 1990-ih broj poginulih u željezničkim nesrećama u zemljama EU-a (15 članica) smanjio se za gotovo 75 %. Godine 1971. u željezničkim nesrećama poginuo je 381 čovjek, a 1996. godine 93 ljudi. Iste godine u automobilskim nesrećama u 15 zemalja članica Europske unije poginulo je 43500 ljudi. Države članice Europske unije koncem prošlog stoljeća shvatile su da je nedostatak harmonizacije mreža i sustava najveće ograničenje željeznice zbog čega se troši vrijeme, povećavaju troškovi i smanjuje konkurentnost. Nakon toga, 2001. godine EU je usvojio drugi programski dokument Europska prometna politika za 2010.: vrijeme odluke koji je bio u prvome redu usmjeren na korisnika usluge te poboljšanje kvalitete pruženih usluga. Dokument obuhvaća 60-ak mjera kojima bi trebalo doprinijeti napretku prometa u EU-u. Glavni su ciljevi uravnoteženje odnosa između pojedinih oblika prometa, rješavanje problema zagušenja prometa, poboljšanje odnosa prema korisniku, globalizacija prometa, poticanje intermodalnosti kao ključni faktor i izgradnja transeuropske prometne mreže. U oba programska dokumenta cilj je bio povećanje suradnje među državama članicama te zajednički razvoj modernih tehnologija i sustava kao što je razvoj željezničkih mreža velikih brzina. Neravnomjeran razvoj unutrašnjeg tržišta pojedinih zemalja te nedostatak fiskalne i socijalne harmonizacije kao posljedicu imaju neravnomjeran razvoj pojedinih oblika prometa. To je i posljedica činjenice da su pojedini oblici prometa, poput npr. cestovnog prometa, znatno prilagodljiviji potrebama suvremenog gospodarstva. Daljnje 40

4

Kontaktna mrea

Kontaktna mreža (KM) stabilno je postrojenje električne vuče namijenjeno za ne prekidno i kvalitetno napajanje električnih vučnih vozila električnom energijom pri svim brzinama i u svim vremenskim uvjetima. To je relativno skup i složen objekt te najveći dio svih investicija za izgradnju stabilnih postrojenja otpada na izgradnju kontaktne mreže koja nema nikakvu rezervu u pogledu instalacija, pa se zato mora opre zno projektirati, izgraditi i održavati kako bi njezina eksploatacija bila kvalitetna. Sastoji se od voznog voda i povratnog voda i služi za prijenos električne energije iz elektrovučne podstanice do električne lokomotive, a naziv je dobila po kontaktnom vodiču ili kliznoj žici. Nekada se energija prenosila s pomoću izolirane treće tračnice montirane duž kolosijeka, a danas se to zadržalo u podzemnim željeznicama. Nadzemni vodiči kontaktne mreže postavljeni su na nosive konstrukcije iznad kolosiječnih postrojenja. Osnovni su elementi kontaktne mreže: 1. vozni vod 2. napojni vod 3. nosive konstrukcije kontaktne mreže 4. oprema za vješanje i automatsko zatezanje 5. oprema za električno rastavljanje 6. tračnice i povratni vod.

4.1. Vrste kontaktne mreže prema načinu ovješenja Kontaktni vodič ima provjes čiji iznos ovisi o temperaturi i nekim drugim utjecajima. Na kontaktni se vodič ujedno postavlja zahtjev da stalno bude na istoj visini te da je što više paralelan s kolosijekom kako bi se vlak mogao čim brže gibati. Nosivo uže ovdje ima važnu ulogu i vješaljkama pridržava kontaktni vodič tako da on bude paralelan s prugom. 51


Slika 4.1. Lagana kontaktna mreža

Prema konstrukciji kontaktna mreža dijeli se na: – prostu (tramvajsku) kontaktnu mrežu – lančastu kontaktnu mrežu. Kontaktna mreža za sustav napajanja 25 kV, 50 Hz lančasta je i lagana kontaktna mreža, jer u pravilu ima samo jedno nosivo uže i jedan kontaktni vodič, koji su povezani vješaljkama (slika 4.1.). Lančasta kontaktna mreža dobila je naziv po obliku nosivog užeta koje osigurava veću i ravnomjerniju elastičnost kao i horizontalni položaj kontaktnog vodiča, a omogućava brzine kretanja vlakova veće od 200 km/h. Kako bi se smanjili provjesi, dobro je povećati naprezanja vodiča kontaktne mreže. Postoje tri vrste kontaktne mreže s obzirom na način ovješenja i zatezanja: – nekompenzirana – polukompenzirana – kompenzirana kontaktna mreža. Nekompenzirana je kontaktna mreža ona kod koje su čvrsto ukotvljeni nosivo uže i kontaktni vodič. Takva mreža pogodna je za male brzine i kratke kolosijeke (slika 4.2.).

Slika 4.2. Nekompenzirana kontaktna mreža

Kod polukompenzirane kontaktne mreže nosivo je uže čvrsto ukotvljeno, dok je kontaktni vodič nategnut utezima na oba kraja preko kolotura sustavom automatskog zatezanja. Povećanje temperature uzrokuje veći prirodni provjes kontaktnog vodiča, a hlađenje manji. Sukladno tomu utezi automatskog sustava zatezanja jače ili slabije za težu kontaktni vodič kako bi se minimizirao provjes. Polukompenzirana mreža građena je obično za pruge s brzinama do 120 km/h. Za veće brzine montira se još Y-uže kod 52

5

Napajanje i sekcioniranje kontaktne mree

Povijesni razvitak dao je nekoliko sustava napajanja električne vuče, ali su se za držala samo četiri sustava za elektrifikaciju. To su dva istosmjerna i dva monofazna sustava: istosmjerni sustav napona 1500 V, istosmjerni sustav 3 000 V, monofazni sustav snižene frekvencije 16 2/3 Hz 15 000 V i monofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz 25000 V. Sva četiri sustava nastala su u različitim uvjetima razvoja tehnike. Koliko god nose u sebi svoje posebne i pojedinačne značajke, ipak imaju zajedničke osnovne dijelove, kao što su izvori električne energije i dalekovodi, kontaktna mreža, elektrovučne podstanice, električni vučni motor, tj. elektrovozila. Sve se to razlikuje u pojedinačnim rješenjima i izvedbama. Na hrvatskim se željeznicama napajanje kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz ostvaruje iz 110 kV trafostanica preko110 kV dvofaznih dalekovoda ili preko 110 kV trofaznih da lekovoda na principu ulaz-izlaz i transformacije 110/27,5 kV u elektrovučnim podstanicama. Priključak elektrovučne podstanice na elektroprivrednu mrežu ovisi o mjestu elektrovučne podstanice i mjestu odgovarajućega elektroprivrednog objekta na koji se podstanica priključuje. Prednost je ovog sustava u tome što se EVP-om priključuju izravno na elektroprivrednu mrežu 50 Hz, pa nije potrebno ni ispravljanje struje ni pretvaranje frekvencije i faza u EVP-ima.

5.1. Napajanje elektrovučne podstanice 25 kV, 50 Hz Elektrovučne podstanice (EVP) postrojenja su za transformaciju električne energije i raspoređene su duž elektrificiranih pruga. Na elektroprivrednu mrežu priključene su preko napojnih dalekovoda. Transformacija električne energije sastoji se u pretvaranju trofaznog napona elektroprivredne mreže u odgovarajući naponski sustav elektrificirane pruge. U elektro93


vučnim podstanicama izmjeničnog sustava 25 kV, 50 Hz dolazi do transformacije na pona 110 kV, 50 Hz na 25 kV, 50 Hz. Elektrovučna podstanica je rasklopno postrojenje u kojem se nalaze zaštitni, sklopni i mjerni aparati i uređaji povezani sa sustavom za daljinsko upravljanje. Elektrovučne podstanice mogu biti smještene na udaljenosti od 40 do 60 km jedna od druge na nizinskim prugama, a na manjim udaljenostima kod brdskih pruga. Napajanje kontaktne mreže najčešće je radijalno (slika 5.1.). Između susjednih EVP-a nalazi se izolirani neutralni vod koji odvaja dva područja napajanja. Taj neutralni vod koristi se kako bi se izbjeglo premošćivanje područja dvaju elektrovučnih podstanica koje nekada mogu biti priključene i na različite faze elektropri vrednog sustava.

Slika 5.1. Sheme napajanja za izmjenični sustav vuče 25 kV, 50 Hz

U hrvatskim elektrovučnim podstanicama izmjeničnog sustava najčešće su ugrađena po dva energetska transformatora prijenosnog omjera 110/27,5 ±10×1,5 % kV i snage 7,5, 10 ili 15 MVA. Priključak elektrovučne podstanice na elektroprivrednu mrežu ovisi o mjestu elektrovučne podstanice i mjestu odgovarajućega elektroprivrednog objekta na koji se podstanica priključuje. U nastavku će biti opisana tri osnovna načina priključka na elektroprivrednu mrežu: 1) princip ulaz-izlaz preko trofaznog dalekovoda od 110 kV između dvaju rasklopnih postrojenja elektroprivredne mreže koja se napajaju iz posebnog izvora. K ao što se može vidjeti na sljedećoj slici 5.2., dva trofazna dalekovoda vode se na posebnim stupovima do sabirnica trofaznog sustava 110 kV. Sa dviju istih faza tih sabirnica povezane su sabirnice s kojih se napajaju transformatori. 2) preko dvofaznih dalekovoda 110 kV priključenih na transformatorske stanice 110 kV (slika 5.3.). Dva dvofazna dalekovoda vode se na posebnim stupovima do sabirnica trofaznog sustava 110 kV. S dviju istih faza povezuju se sabirnice s kojih se napajaju elektrovučni transformatori. 3) izravno na sabirnice transformatorske stanice 110 kV. Direktno napajanje sa sabirnica 110 kV rasklopnog postrojenja elektroprivredne mreže koje se napaja najmanje dvostrano. Dio elektrovučne podstanice 110 kV smješten je u elektroprivrednoj trafostanici, a 25 kV dio uz prugu. 94

6

Elektroenergetski proraun stabilnih postrojenja napajanja elektrine vue

Elektroenergetski proračun utvrđuje električne prilike u elektrovučnom sustavu na osnovi prometa vlakova.

elektrovučni proračun

Slika 6.1. Dijagram toka za elektrovučni proračun

107


Algoritam elektroenergetskoga proračuna uključuje tri međusobno povezana dijela: – simulaciju kretanja vlakova – formiranje električne mreže – proračune električnih prilika u kontaktnoj mreži. Proračun se najčešće provodi za razdoblje najgušćega prometa iz reda vožnje u malim vremenskim koracima. Na slici 6. 1. prikazan je dijagram toka za elektrovučni proračun.

6.1. Simulacija električne vuče Za promatranje električnih prilika u kontaktnoj mreži, tj. iznosa napona u pojedinim točkama i opterećenja pojedinih elektrovučnih podstanica, potrebno je poznavati položaje vlakova i snagu potrebnu za kretanje. Da bi vlak mogao voziti određenom dionicom pruge, potrebno je da vučno vozilo ima dovoljnu snagu za svladavanje najvećih otpora predviđenom brzinom te da se kočnicama vlak može pouzdano zaustaviti na bilo kojem dijelu pruge. Za određivanje snage vučnog vozila moraju se izračunati otpori kretanja konkretnog vlaka na konkretnoj dionici. Namjena je simulatora kretanja vlakova izračunavanje položaja vlaka i potrebne djelatne P i jalove snage Q koju vlak uzima iz kontaktne mreže. Kad su ti podatci izračunati, moguće se njima koristiti kao ulaznim podatcima za proračun tokova snaga, kratkih spojeva itd. Dakle, ulazni podatci nužni za takav proračun parametri su profila pruge, pla nirane brzine kretanja na pojedinim dionicama te karakteristike vlaka i lokomotive.

6.1.1. Fizikalna slika kretanja Pri kretanju vlaka pojavljuju se različiti otpori vožnje. Da bi se vučno vozilo kretalo, vučna sila na obodu pogonskih kotača mora biti jednaka zbroju svih otpora. Otpori su vožnje promjenjivi, a ugrubo ih možemo podijeliti na stalne otpore F p, povremene otpore F v i otpore ubrzanja F a . Kako ti otpori ovise o mnogo različitih faktora, a utjecaj nekih vrlo je teško odrediti, za izračunavanje nekih otpora vožnje koriste se iskus tvene formule. 6.1.1.1. Stalni otpori

Stalni otpori pojavljuju se pri kretanju vlaka, a čine ih otpori kotrljanja F k, otpori parazitskih kretanja F par te otpori zraka F z. Otpori kotrljanja posljedica su deformacija kotača i tračnica te trenja koje se izme đu njih pojavljuje. Otpori parazitskih kretanja posljedica su vijugavog kretanja vlaka po pruzi, pri čemu vlak naizmjenično naliježe na obje tračnice. Otpori zraka mogu se podijeliti na otpore prouzročene tlakom zraka (prednja i stražnja površina vlaka) i ot 108

7

Relejna zaštita stabilnih postrojenja za napajanje elektrine vue

Osnovna je karakteristika kontaktne mreže njezina rasprostranjenost i nadzemna izvedba, pa je stoga izložena mnogobrojnim vremenskim utjecajima koji mogu izazvati kvar. Kvarovi u elektrovučnom sustavu mogu nastati iz više razloga: – preskok ili proboj izolacije u kontaktnoj mreži – mehaničko oštećenje mreže – kvarovi na elektrovučnim vozilima – kvarovi na srednjonaponskoj opremi – pogreške pri manipulacijama uklopa i isklopa prekidača. Zato se postavlja zahtjev za što bržim, selektivnim i sigurnim isključenjem prekida ča pri pojavi kvara. U nastavku je opisan opći princip rješenja relejne zaštite kontaktne mreže ne ulazeći u pojedinosti i posebna rješenja releja raznih proizvođača. Moderni su releji numeričke izvedbe s mogućnošću međusobne komunikacije kao i komunikacije s nadređenom razinom vođenja sustava. Ti releji omogućavaju brzu i selektivnu zaštitu kontaktne mreže i pripadnih EVP-a jer objedinjuju velik broj za štitnih zadaća. Zaštitne funkcije numeričkih releja omogućavaju širok opseg primjena za zaštitu kontaktne mreže i za zaštitu opreme u elektrovučnim podstanicama. Parametri zaštitnih podešenja mogu biti pohranjeni u numeričkim relejima u više neovisnih skupina koje se koriste za konfiguriranje zaštite za različita pogonska stanja ili alternativna napajanja kontaktne mreže. Sučelja numeričkih releja i komunikacijski ulazi omogućavaju jednostavno konfiguriranje te pregled traženih informacija s pomo ću računala. Integrirani komunikacijski protokoli omogućavaju jednostavno spajanje te prijenos informacija prema nadređenom sustavu vođenja. Modularni dizajn modernih numeričkih releja omogućava izbor funkcija prema potrebama i zahtjevima korisnika [1]. 135


Slijedi pregled tipičnih zaštitnih i upravljačkih funkcija jednoga numeričkog releja kakav se može koristiti za zaštitu sustava napajanja kontaktne mreže vlakova [2]: – distantna zaštita s: – poligonalnom ili kružnom karakteristikom – 3 distantne zone – produženom zonom 1 – dinamičkim opsezima podešavanja – zonama 2 i 3 s detekcijom pokretanja vlaka d i/dt , du/dt i d ϕ/dt – zaštitom od pogrešnog spajanja faza – memoriranjem napona za određivanje smjera – nadzor nad mjernim krugom – rezervna nadstrujna zaštita, 2. stupnja – vremenski određena nadstrujna zaštita 3. stupnja uključujući jedan trenutačni stupanj s vremenom djelovanja od 20 ms – nadstrujna zaštita s inverznom vremenskom karakteristikom, 1. stupanj – termička zaštita od preopterećenja vodova kontaktne mreže – nadnaponska zaštita, 2. stupnja – podnaponska zaštita uključujući kontrolu minimalnog napona – zaštita uključenja na kvar – nadzor nad naponskim mjernim transformatorom – alternativne grupe podešenja – zapisivanje događaja, zapisivanje kvara, zapisivanje oscilograma kvara – samonadzor s dijagnozom kvara – 16 LED indikatora. Zaštita koja se koristi za stabilna postrojenja električne vuče može se podijeliti u dvije osnovne skupine: – zaštita transformatora i – zaštita kontaktne mreže.

7.1. Relejna zaštita kontaktne mreže Kontaktna mreža željezničkih pruga elektrificiranih izmjeničnim sustavom 25 kV, 50 Hz radi u vrlo složenim uvjetima. Mehaničko djelovanje pantografa elektrovučnog vozila i zaprašenost izolacije izazvana prolazom vlakova dovode do češćih pojava kratkog spoja nego u klasičnim distribucijskim mrežama istog napona. Glavne su značajke pogona koje su bitne za izbor zaštite sljedeće: – Pogonska struja može biti veća od minimalne struje kratkog spoja na kraju voda. Nazivna je struja kontaktne mreže 600 A, a struja kratkog spoja u ovisnosti o mjestu kratkog spoja i broja transformatora u pogonu kreće se u granicama od 200 do 5000 A. – Pri kratkom spoju s 3 000 A i podržavanim lukom kontaktni vodič od 100 mm 2 pregara za 160 ms. 136

8

Elektromagnetska kompatibilnost u elektrovunom sustavu

Današnja sekundarna oprema u elektrovučnom sustavu najvećim je dijelom procesorski orijentirana, u potpunosti elektronička i numerička te stoga osjetljiva na elektromagnetske smetnje. Gledano prostorno i električki, sekundarna oprema postavljena je vrlo blizu energetskim uređajima i vučnim vozilima, što može izazivati poteškoće i smetnje u njezinu funkcioniranju. Elektronička oprema koja se koristi u krugovima upravljanja, mjerenja, signalizaci je i zaštite može tranzijentno doći pod visoki napon zbog elektromagnetskog povezivanja s uređajima ili opremom elektrovučnog sustava ili može biti ugrožena zbog atmosferskih izbijanja u gromobransku zaštitu postrojenja i vodove kontaktne mreže. Posljedice se mogu podijeliti na smetnje, štete i opasnosti pri čemu granice nisu strogo određene. Smetnje mogu utjecati na rad uređaja za signalizaciju u željezničkom sustavu, telekomunikacijske kabele te na radioprijenos. Štete mogu prouzročiti naponi koji su rezultat lutajućih struja u komunikacijskim krugovima. Opasnost su za ljude dodirni naponi i velike inducirane struje. Osnovni pojmovi i definicije povezane uz elektromagnetsku kompatibilnost navedeni su u nastavku [1]. Elektromagnetska kompatibilnost ( EMK ) – sposobnost uređaja, opreme odnosno su-

stava da zadovoljavajuće funkcionira u svojem elektromagnetskom okruženju bez izazivanja nedopuštenih elektromagnetskih smetnji na bilo što u tom okruženju. Lokacija ( EMK ) – mjesto odnosno područje označeno raspoznatljivim elektromag-

netskim utjecajima. Elektromagnetsko okruženje – ukupnost svih elektromagnetskih pojava koje postoje

na određenom mjestu (ta ukupnost podliježe statističkom pristupu ako je riječ o vremenski promjenjivim pojavama). 145

Napajanje električne vuče Elektromagnetska smetnja – bilo koja elektromagnetska pojava koja izaziva degra -

diranje performansi uređaja, opreme odnosno sustava ili utječe na smanjenje njihove životne dobi. Razina smetnji – razina dane elektromagnetske smetnje mjerena na određen način. Stupanj smetnji – jačina pojedine elektromagnetske pojave unutar određenog opse -

ga razina smetnji u zanimljivom okruženju. Otpornost na smetnje – sposobnost uređaja, opreme odnosno sustava da ispravno

funkcionira u prisutnosti elektromagnetskih smetnji. Elektromagnetska susceptibilnost – nesposobnost uređaja, opreme odnosno sustava

da ispravno funkcionira u prisutnosti elektromagnetskih smetnji. Razina otpornosti – najviša razina dane elektromagnetske smetnje koja utječe na

pojedini uređaj, opremu odnosno sustav, a pri kojoj oni još funkcioniraju sa zahtijevanim performansama.

8.1. Postojeće norme i propisi O problematici EMK postoje brojne norme i propisi od kojih će neki najvažniji biti navedeni u nastavku. Tako u zemljama EU-a postoje smjernice čija je namjera osigurati da svi proizvodi proizvedeni ili prodani u EU-u podliježu zajedničkim normama te da se mogu prodavati diljem zemalja članica bez daljnje regulative. U slučaju EMK, EU smjernica EU 89/336, dopunjena smjernicama 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC i 93/97/EEC daje općenite standarde za bilo koji proizvod kako bi se jamčila elektromagnetska kompatibilnost ograničavajući maksimalnu razinu emisije proizvoda i njegovu minimalnu imunost na vanjske utjecaje. Proizvođač bilo kojega prenosivog proizvoda mora proglasiti suglasnost proizvoda s normama EU-a. Proizvod mora biti označen znakom CE (franc. Conformité Européenne – europski znak sukladnosti) kako bi se certificirala njegova usuglašenost s EMK-om i ostalim smjernicama. Pravilnik o elektromagnetskoj kompatibilnosti [1] definira sljedeće osnovne zahtjeve za električnu opremu: – oprema i uređaji moraju se projektirati i proizvoditi tako da elektromagnetske smetnje koje oprema i uređaji stvaraju ne prelaze razinu koja dopušta radijskoj i telekomunikacijskoj opremi te drugim uređajima ispravan rad u skla du s njihovom namjenom – oprema i uređaji moraju imati odgovarajuću razinu unutarnje otpornosti na elektromagnetske smetnje, što im omogućuje ispravan rad u skladu s njihovom namjenom. Slijedi kratak pregled normi povezanih za elektromagnetsku kompatibilnost u elektrovučnom sustavu. Norma HRN EN 50121 [2] koju je donio Europski komitet za standardizaciju u elektrotehnici za EMK u elektrovučnom sustavu, kompatibilna je s općim propisima elektromagnetske kompatibilnosti u HRN EN 61000 i propisima za EMK u industriji, danim u HRN EN 50082 i HRN EN 50081. Definirani su sljedeći pojmovi: 146

9

Trendovi razvoja u sustavima napajanja

Većina željeznica u Europi nastoji provesti modernizaciju željezničkih sustava. Jedna od smjerova razvoja prelazak je s istosmjernog sustava napajanja od 3 kV na jednofazni izmjenični sustav napajanja 25 kV frekvencije 50 Hz. Takva izmjena provela se u Hrvatskoj, što je od iznimne važnosti za cjelokupnu elektrificiranu željezničku mrežu Hrvatskih željeznica jer je nakon gotovo 30 godina ona postala jedinstvena. Učinkovito iskorištavanje električne energije suvremeni je trend širom svijeta, a to omogućuju napredne tehnologije vozila te organizacija prijevoza, pri čemu je važno optimalno iskorištavanje energije u željezničkim prijevoznim sredstvima. Potrošnja energije električnih vlakova i ostalih postrojenja električne željeznice nastoji se optimirati u cilju racionalnog iskorištavanja energije i odgovarajućih ušteda. U usporedbi s osobnim prijevozom, električne željeznice troše manje energije po prevezenom putniku ili jediničnoj količini tereta emitirajući pritom manje stakleničkih plinova, uz tri do pet puta veću energetsku učinkovitost. U prošlosti se nije posebno vodilo računa o štednji energije za vuču vlakova. S obzi rom na rast cijena energije, osobito u Europi, ukazala se potreba smanjivati troškove energije za vuču vlakova. Između ostalog, potrebno je učiniti znatan pomak u cilju smanjenja utroška energije za vuču vlakova, što je najvažnija stavka ukupnih troškova energije. Nakon procjene da će potrošnja energije u prometu rasti brže nego u ostalim sektorima kao cilj prometne i energetske politike u svijetu postavljeno je preusmjeravanje dijela cestovnog prometa na željeznički te elektrificiranje željezničke mreže i osiguravanje infrastrukture za kombinirani transport. 179

Popis oznaka

Oznaka

Mjerna jedinica

Opis

DKU

m

udaljenost između ekvivalentnog nosivog užeta i kontaktnog vodiča

f

Hz

frekvencija izmjenične struje kroz tračnicu koeficijent korekcije mase zbog rotacije

ε

F dozv

kN

najveća dopuštena sila naprezanja voda

F t

kN

vučna sila vlaka

Gat

N

adhezijska težina

k p

km–1

I vv

A

struja voznog voda

l

km

duljina napojnog kraka od EVP-a

mvl

kg

masa vlaka

konstanta rasprostiranja povratnog voda

magnetska permeabilnost tračničkog čelika

µt

P

MW

djelatna električna snaga

Q

Mvar

reaktivna električna snaga

R

Ω

Rk

Ω/km

r k

m

ρ

Ωm

ρk

Ωmm2/m

S

m

Sk

mm2

presjek kontaktnog vodiča

Sn

MVA

nazivna snaga transformatora

ψ

vlastiti radni otpor vodiča promatrane petlje djelatni otpor kontaktnog vodiča polumjer kontaktnog vodiča specifični otpor tla specifični otpor kontaktnog vodiča visina sustava

koeficijent adhezije

195


Oznaka

Mjerna jedinica

uk

%

napon kratkog spoja

U n

kV

referentni napon kontaktne mreže

Z vv

Ω/km

jedinična impedancija voznog voda

Z pv

Ω/km

jedinična impedancija povratnog voda

Z cpv

Ω/km

karakteristična impedancija povratnog voda

Z v

Ω/km

impedancija voznog voda

Z vp

Ω/km

međusobna impedancija vozni vod – povratni vod

Z s

Ω/km

impedancija tračnice

X

Ω/km

vlastiti induktivni otpor promatrane petlje

Y pv

S/km

jedinični odvod tračnica prema zemlji

196

Opis

Kazalo pojmova A

E

adhezija, 111 algoritam za simulaciju kretanja vlaka, 115 analiza izvodljivosti, 20 automatsko zatezanje, 54 AZ – uređaj za automatsko zatezanje, 63

ekološki kriteriji i uvjeti elektrifikacije, 15 ekonomski kriteriji i uvjeti elektrifikacije, 18 ekvivalentno nosivo uže, 74 ekvivalentni vozni vod, 74 elastični portal, 67 električno polje, 165 elektrifikacija pruga, 1 elektroenergetski proračun, 107 EMK – elektromagnetska kompatibilnost, 145 energetski razlozi i uvjeti elektrifikacije, 19 EVP – elektrovučna podstanica, 93

B baza podataka potrošnje električne energije, 186 buka, 17

Č čvrsta točka, 61

D diferencijalna zaštita transformatora, 141 dijagram toka za elektrovučni proračun, 107 direktiva, 44 distantna zaštita, 136 duljine pruga u RH, 14 u EU, 41

F faktor snage, 112, 113 fizička težina vodova, 84 flikeri (treperenje napona), 175 formiranje električne mreže, 122 frekvencija, 173

G gustoća željezničke mreže, 42

197


I IEC vlak, 37 impedancija KM, 71 inducirani napon, 160 induktivni utjecaj KM, 150 IP – izolirani preklop, 63 ISEV – izmjena sustava električne vuče, 180 istosmjerni sustav 3000 V i 1500 V, 31 izvor smetnji, 147

J jednadžba stanja vodiča, 89 jednofazni sustav 15 kV, 16 2/3 Hz, 29 25 kV, 50 Hz, 33 2×25 kV, 50 Hz, 35

K kapacitivni utjecaj KM, 161 KM – kontaktna mreža, 51 kočna sila, 113 kompenzirana KM, 53 kontaktni vodič, 54 kruti portal, 68 kvaliteta električne energije, 171

M magnetska indukcija, 165 matematički model kretanja vlaka, 113 međusobni induktivitet, 151 mehaničke karakteristike KM, 83 mjerenje elektromagnetskog polja, 166

N nadstrujna zaštita, 137 nadtemperatura kontaktnog vodiča, 126 napajanje KM, 93 napojni vod, 54 napon kratkog spoja, 130 nekompenzirana KM, 52 nesimetrije napona, 176 NIP – neizolirani preklop, 62

198

nosive konstrukcije KM, 51, 66 nosivo uže, 55

O obilazni vod, 103 omski utjecaj, 163 opterećenje vodova KM, 84 osnovni otpor, 113 otpor kotrljanja, 108 ubrzanja, 110

P paneuropski koridori, 184 pantograf, 56 paralelni rad EVP-a, 103, 104 podešenje zaštite, 138 poligonator, 66 polukompenzirana KM, 53 poprečni presjek KM, 65 konzole, 66 poprečno sekcioniranje, 101, 103 potrošnja električne energije, 189 povijest elektrifikacije, 2 povratni vod KM, 57 povremeni otpori, 109 prednosti električne vuče, 22 preklopi, 60 preklopni stupovi KM, 63 prenaponi, 177 prividna snaga, 123 prometna politika, 39 prometni uvjeti elektrifikacije, 19 proračun električnih prilika, 124 elektromagnetskog polja, 168 kratkog spoja, 128 zagrijavanja vodova KM, 126 PSN – postrojenje za sekcioniranje s neutralnim vodom, 101

R rastavljač, 63 regenerativno kočenje, 190

Kazalo pojmova

regulativa, 44 relejna zaštita, 135 režimi vožnje vlaka, 114 Rogowskijev svitak, 82

S sekcijski izolator, 102 sekcioniranje KM, 98 sheme napajanja AC 25 kV 50 Hz, 94 priključka EVP-a, 95 sidro, 63 sile naprezanja vodova, 86 simulacija električne vuče, 108 simulator kretanja vlaka, 116 specifični otpor, 109 stalni otpori, 108 strujne veze, 55 S – visina sustava, 79 sustav elektrifikacije u RH, 15 sustavi velikih brzina, 36

TSI – tehničke specifikacije za interoperabilnost, 46 za podsustav energije, 48

U uzdužno sekcioniranje, 100

V viši harmonici, 176 vozni vod, 54 VVB – vlakovi velikih brzina, 36 vučna sila, 113 vučni transformator, 96

Z zaštita transformatora, 140 zatezni stupovi KM, 63 zatezno polje KM, 61

T

Ž

tehnički uvjeti elektrifikacije, 20

željeznički paketi, 44

199

O autorima Prof. dr. sc. Ivo Uglešić Ivo Uglešić rođen je u Zagrebu 1952. godine. Diplomirao je 1976., magistrirao 1981., a doktorirao 1988. godine sve u u polju elektrotehnike na Elektro tehničkom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. Od 1977. godine radi u Zavodu za visoki napon i energetiku ETF-a. Usavršavao se u Njemačkoj, na Sveučilištu Stuttgart – Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik i u Austriji na Tehničkom Sveučilištu Graz – Institut für Hochspannungstechnik . Godine 1989. izabran je u

zvanje docenta, 1997. u zvanje iz vanrednog, a 2002. u zvanje redovitog profesora. Autor je više od 120 znanstvenih radova u časopisima, na međunarodnim i domaćim konferencijama te voditelj preko 50 studija i tehničkih rješenja izrađenih za potrebe elektroprivrede, električnih željeznica i industrije. Prof. Uglešić hrvatski je predstavnik u studijskom komitetu Cigré C4 System Technical perfomance u Parizu. Za doprinose u radu komiteta dobio je priznanja Distinguished Member i The Cigre Technical Committee Award 2012. godine. Iste godine nagrađen je zlatnom plaketom "Josip Lončar" FER-a za znatno unapređenje nastave i znanstvenoistraživački rad u području elektroenergetike, a posebno za ustrojstvo međunarodno prihvaćenoga visokonaponskog laboratorija. Član je tehničkog komiteta međunarodne konferencije International Conference on Power Systems Transients ( IPST ) u kojem je bio supredsjedatelj konferencije u Vancouveru (Kanada) 2013. godine te je izabran za predsjedatelja iste konferencije 2015. u Cavtatu. Recenzent je i gost urednik posebnog izdanja časopisa Electric Power System Research te recenzent časopisa IEEE Transactions on Power Delivery . 201

Napajanje El Vuce 32str

Recommend Documents