SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RA ČUNARSTVA

ELEKTRI ČNE ŽELJEZNICE

Zagreb, veljača 2011.

ii

Sadržaj:

1 ELEKTRIFIKACIJA ŽELJEZNICA .................................................................................................. 1

1.1 OSNOVNI KRITERIJI I UVJETI ZA ELEKTRIFIKACIJU ŽELJEZNICA .................................................. 2

1.1.1 Prometni uvjeti za elektrifikaciju željezničkih pruga ............................................................ 2

1.1.2 Tehnički razlozi za elektrifikaciju željeznica ......................................................................... 2

1.1.3 Energetski razlozi i uvjeti elektrifikacije ............................................................................... 3

1.1.4 Ekonomski kriteriji i uvjeti za elektrifikaciju pruga .............................................................. 3

1.1.5 Ekološki razlozi i uvjeti elektrifikacije .................................................................................. 4

1.2 EUROPSKA PROMETNA POLITIKA ZA BUDUĆNOST ŽELJEZNICE .................................................... 5

1.2.1 Položaj željezničkog sustava u prometnom sustavu Europske unije ..................................... 6

2 PREGLED RAZVOJA SUSTAVA ELEKTRIFIKACIJE ŽELJEZNICA ......................................... 8

2.1 TROFAZNI SUSTAV SNIŽENE FREKVENCIJE 3300 V, 15 HZ ........................................................ 11

2.2 JEDNOFAZNI SUSTAV SNIŽENE FREKVENCIJE U EUROPI 15000 V 16 2/3 HZ I U AMERICI 11000 V

50 HZ 12

2.3 ISTOSMJERNI SUSTAV 3000 V ................................................................................................... 13

2.4 ISTOSMJERNI SUSTAV 1500 V ................................................................................................... 13

2.5 MONOFAZNI SUSTAV NORMALNE FREKVENCIJE 50 HZ 25 KV .................................................. 13

2.6 MONOFAZNI SUSTAV NORMALNE FREKVENCIJE 50 HZ, 2 X 25 KV ........................................... 14

3 GLAVNI SUSTAVI ELEKTRIFICIRANIH ŽELJEZNICA ............................................................ 15

3.1 KARAKTERISTIKE OSNOVNIH SUSTAVA ELEKTRIFIKACIJE ŽELJEZNICA ..................................... 15

3.2 NAPAJANJE ELEKTRIFICIRANIH PRUGA ..................................................................................... 20

3.2.1 Napajanje sustava istosmjerne struje 1500 V i 3000 V ....................................................... 20

3.2.2 Napajanje jednofaznog sustava sniženom frekvencijom 15 kV 16 2/3 Hz........................... 21

3.2.3 Napajanje jednofaznog sustava industrijske frekvencije 25 kV 50 Hz ................................ 22

3.3 UVJETI ZA PRORAČUN I PROJEKTIRANJE STABILNIH POSTROJENJA ELEKTRIFIKACIJE PRUGA. 23

3.4 KONTAKTNA MREŽA................................................................................................................. 25

3.4.1 Sastav kontaktne mreže ....................................................................................................... 25

3.4.2 Povratni vod ........................................................................................................................ 31

3.5 ELEKTROVUČNA PODSTANICA .................................................................................................. 32

3.5.1 Elektrovučne podstanice istosmjerne struje ........................................................................ 33

3.5.2 Elektrovučne podstanice monofaznog sustava 16 2/3 Hz ................................................... 33

3.5.3 Elektrovučne podstanice monofaznog sustava 50 Hz 25 kV ............................................... 34

3.5.4 Izgradnja elektrovučne podstanice i daljinsko upravljanje ................................................ 34

3.6 UTJECAJI I OTKLANJANJE SMETNJI ELEKTRIFICIRANIH ŽELJEZNICA .......................................... 36

3.6.1 Utjecaj nesimetričnog opterećenja podstanica na primarnu mrežu .................................. 36

3.6.2 Utjecaj lutajućih struja električne vuče na podzemne metalne cijevi i kabele te zaštita

protiv korozije ........................................................................................................................................ 37

3.6.3 Utjecaj električne vuče na telekomunikacijske kabele ........................................................ 40

iii

3.6.4 Prilagođavanje signalnih postrojenja na elektrificiranim prugama ................................. 44

4 ELEKTRIFIKACIJA HRVATSKIH ŽELJEZNICA ........................................................................ 49

5 ŽELJEZNIČKA VUČNA VOZILA ................................................................................................. 53

5.1 ELEKTRIČNE LOKOMOTIVE ....................................................................................................... 54

5.1.1 Električna lokomotiva serije HŽ 1141, 25 kV, 50 Hz[1, 3] .................................................... 55

5.1.2 Električna tiristorska serije HŽ 1141, 25 kV, 50 Hz[1, 3] ..................................................... 66

5.1.3 Asinkrona višesustavna lokomotiva ES64U4-F .................................................................. 72

5.2 ELEKTROMOTORNI VLAKOVI .................................................................................................... 73

5.2.1 Tehnički podaci ................................................................................................................... 74

5.2.2 Tehnički crtež vlaka ............................................................................................................ 75

5.2.3 Značajke vlaka .................................................................................................................... 76

5.2.4 Faktor snage ....................................................................................................................... 78

5.2.5 Elektrodinamička kočnica ................................................................................................... 78

6 SIMULACIJA ELEKTRIČNE VUČE .............................................................................................. 80

6.1 FIZIKALNA SLIKA KRETANJA .................................................................................................... 80

6.1.1 Otpori vožnje[2, 4] ................................................................................................................. 80

6.1.2 Adhezija[2] ........................................................................................................................... 87

6.2 POTREBNA SNAGA ZA VUČU VOZILA ......................................................................................... 88

6.3 MATEMATIČKI MODEL ZA PRORAČUN KRETANJA VLAKOVA ..................................................... 89

6.3.1 Jednadžba kretanja vlaka[2,4] .............................................................................................. 89

6.3.2 Režimi vožnje vlaka[4] ......................................................................................................... 91

7 ELEKTROVUČNI PRORAČUN ..................................................................................................... 95

7.1 FORMIRANJE ELEKTRIČNE MREŽE ............................................................................................. 95

7.2 PRORAČUN ELEKTRIČNIH PRILIKA U KONTAKTNOJ MREŽI ........................................................ 96

8 PERSPEKTIVA RAZVOJA ELEKTRIČNE VUČE S NAJVEĆIM BRZINAMA ....................... 101

9 UTJECAJ ELEKTROVUČNOG SUSTAVA NA NN VODIČE ................................................... 104

9.1 KAPACITIVNI UTJECAJ KM 25 KV, 50 HZ NA ZRAČNE VODOVE ............................................. 106

9.1.1 Računanje influenciranog napona .................................................................................... 106

9.1.2 Računanje influencirane struje pražnjenja ....................................................................... 110

9.2 INDUKTIVNI UTJECAJ KM 25 KV, 50 HZ NA ZRAČNE VODOVE ................................................ 112

9.2.1 Računanje induciranog napona ........................................................................................ 112

9.2.2 Induktivni utjecaj u slučaju kratkog spoja voznog voda ................................................... 116

9.3 UTJECAJ KM 25 KV, 50 HZ NA POSTROJENJA JAKE STRUJE ZA OPĆU POTROŠNJU-PJS ............ 117

9.3.1 Uzemljenja u sustavima električne vuče ........................................................................... 117

9.3.2 Zaštitne mjere za elektrotehnička postrojenja u području izmjeničnog sustava vuče ....... 118

iv

9.4 OMSKI I GALVANSKI UTJECAJ POVRATNOG VODA NA OSTALE METALNE OBJEKTE POLOŽENE U

ZEMLJU 119

9.4.1 Utjecaj na kabele položene u zemlju ................................................................................. 119

9.4.2 Utjecaj na nul-vodič u pogonu .......................................................................................... 120

9.4.3 Utjecaj na nul-vodič u slučaju kratkog spoja ................................................................... 121

9.4.4 Utjecaj električne vuče na cjevovode ................................................................................ 122

10 NISKOFREKEVENCIJSKO ELEKTROMAGNETSKO POLJE U ELEKTROVUČNOM

SUSTAVU .................................................................................................................................................... 125

10.1 PREGLED VAŽEĆE REGULATIVE ZA POSTROJENJA KONTAKTNE MREŽE ................................... 125

10.1.1 Hrvatska regulativa ...................................................................................................... 125

10.1.2 Usporedba sa europskom regulativom ......................................................................... 130

10.2 PRORAČUN ELEKTROMAGNETSKOG POLJA ZA IZABRANA TIPSKA RJEŠENJA KONTAKTNE MREŽE

132

10.2.1 Teoretske osnove proračuna ........................................................................................ 132

10.2.2 Ulazni podaci za proračun ........................................................................................... 134

10.2.3 Jednokolosječna pruga................................................................................................. 135

10.2.4 Dvokolosječna pruga ................................................................................................... 137

1

1 ELEKTRIFIKACIJA ŽELJEZNICA

Elektrifikacija željeznica počela je u posljednjem desetljeću XIX stoljeća. Od tada pa do danas elektrificirane su mnoge g1avne željezničke pruge. Tempo elektrifikacije željeznica stalno se pojačava, posebno u Europi, i to naročito 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 samo za prijevoz putnika, u posebnim putničkim garniturama.

Uvođenje električne vuče na željeznicama ima slijedeće značajne karakteristike: - najvišu tehničku razinu u željezničkoj vuči; - povoljnije korištenje energetskih izvora; - bolju kvalitetu prijevoza putnika i robe, zbog povećanja brzine, udobnosti, čistoće i

sigurnosti; - veće i šire prometne mogućnosti, zbog bržih i težih vlakova, te time povećanje

propusne moći pruga po broju vlakova i povećanja prijevozne moći pruga po količini transporta;

- povrh svega toga još i ekonomski faktor zbog najnižih troškova prijevoza. Elektrifikacija željeznica razvijala se i usavršavala prema stupnju razvoja elektrotehnike i znatno je ovisila o tome, ali je ujedno dosta utjecala na razvijanje elektrotehnike i elektroindustrije. Tehnički problemi elektrifikacije željeznica, odnosno elektrovuče, od samog početka do najnovijih rješenja sastojali su se u pronalaženju najpovoljnijeg izvora i prijenosa električne energije do električne lokomotive i zatim korištenja te električne energije u samoj lokomotivi. U biti, trebalo je 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 je značilo početi od rješenja elektrana ili trafostanica, te putem dalekovoda do željezničkih elektrovučnih podstanica, a odatle 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, toliko i još više je značilo pronaći najpovoljniji vučni motor jer je to često bila osnova za čitav sustav elektrifikacije željeznica. S razvojem elektrotehnike i elektroindustrije nastajali su i razni sustavi elektrifikacije željezničkih pruga. Prvi i jedini sustav elektrifikacije željeznica, koji je nastao potkraj 20. stoljeća, jest istosmjerni sustav napona 600 V, i dok se on na željeznicama kasnije veoma malo primjenjivao, dobio je široko područje u podzemnim željeznicama velikih gradova. Svi značajni sustavi elektrifikacije željeznica nastali su i razvili su se zapravo tokom prošlog stoljeća. Sustavi elektrifikacije željeznica pojavljivali su se i ostvarivali ovim redoslijedom: • istosmjerni sustav 600 V (tramvajska mreža); • trofazni sustav niske frekvencije 15 Hz 3300 V; • jednofazni sustav niske frekvencije 16 2/3 Hz 15000 V u Europi i 25 Hz 11000 V u

Sjevernoj Americi; • istosmjerni sustav 3000 V; • istosmjerni sustav 1500 V; • jednofazni sustav industrijske frekvencije 50 Hz, 25000 V.

2

Suvremeni promatrač mogao bi se pitati zašto u Europi postoji toliko različitih sustava elektrifikacije, i bi li se uskoro mogli objediniti. Glavni razlog tolike raznovrsnosti leži u činjenici neprestanoga razvoja električne opreme (vučnih motora, sustava napajanja) od početka dvadesetoga stoljeća do danas. Kada bi se pojedina država odlučila na uvođenje elektrifikacije (posljednja je to učinila Grčka, a Albanija još nije), usvajala bi najbolji tada raspoloživi sustav, i kupila bi potreban broj odgovarajućih vučnih vozila.

1.1 Osnovni kriteriji i uvjeti za elektrifikaciju ž eljeznica

Za elektrifikaciju željezničkih pruga potrebni su određeni kriteriji i uvjeti. Na temelju njih određuje se koje pruge, zašto i kada mogu i trebaju biti elektrificirane. Ovdje su navedeni osnovni i odlučujući kriteriji i uvjeti za elektrifikaciju željeznica, i to redom: prometni, tehnički, energetski, ekonomski i ekološki uvjeti.

1.1.1 Prometni uvjeti za elektrifikaciju željezni čkih pruga

Prometni uvjeti za elektrifikaciju željezničkih pruga postižu se naročito u ovim slučajevima:

• Prvenstveno na glavnim prugama na kojima se odvija velika količina prijevoza, pa su kao predodređene za elektrifikaciju. Takve pruge obično čine manji dio željezničke mreže, otprilike od jedne četvrtine do jedne trećine pruga ili nešto više, ali se na njima obavlja iznad polovice do dvije trećine čitavog željezničkog prijevoza. Električna vuča u takvim uvjetima omogućuje brz, učinkovit, siguran i ekonomičan prijevoz i donosi velike uštede i svestranu korist.

• Na brdskim prugama na kojima se odvija velik promet, a koje često predstavljaju usko grlo u željezničkom prijevozu. Uvođenjem električne vuče na njima znatno se povećava prijevozna i propusna moć pruge. Korist nije samo u prometnom proširenju kapaciteta pruge i povećanju brzina, već i velikoj ekonomičnosti, uz veoma kratak rok amortizacije uloženih sredstava.

• Na prigradskim prugama velikih gradova koje svakodnevno prevozi mnoštvo ljudi. Tom zadatku potpuno odgovara električna vuča zbog znatnog ubrzanja pri polasku i velikih brzina vožnje, te kapaciteta prijevoza putnika, udobnosti i ekonomičnosti.

Elektrificirane željeznice odlično odgovaraju suvremenim prometnim i tržišnim zahtjevima za povećanje brzina i težina vlakova, za brzo i udobno putovanje putnika, bez dima, čađe i ispusnih plinova te za brz prijevoz robe i to s manje vagona. 1.1.2 Tehni čki razlozi za elektrifikaciju željeznica

Sve izraženiji navedeni prometno tržišni zahtjevi u željezničkom prometu trebaju veliku snagu lokomotiva za brzu i snažnu vuču. Električne lokomotive tome izvrsno udovoljavaju, jer imaju znatno veću snagu od drugih vrsta lokomotiva. One su u stanju, jer imaju velike vučne sile i brzine, vući znatno brže teške vlakove na ravničarskim i na brdskim prugama. Kako električnim lokomotivama ne treba pripreme za vožnju, kao drugim vrstama lokomotiva, to one imaju veći tzv. čisti rad i stoga uz manji potreban broj lokomotiva i vagona brži, bolji i učinkovitiji obrt lokomotiva i vagona. Sve te koristi ostvaruju električne lokomotive na elektrificiranim prugama sa svojim poznatim tehničkim karakteristikama.

3

1.1.3 Energetski razlozi i uvjeti elektrifikacije

• U željezničkoj je vuči energetski povoljnije korištenje električne energije u elektrovuči od korištenih ulja u motornoj vuči, a u Europi je to još više i zbog ekonomskih razloga. Stoga u Europi elektrifikacija željeznica ima prednost pred dizelacijom željezničke vuče.

• Energetski i tehnički preduvjet za elektrifikaciju željezničkih pruga jest da postoje dovoljni izvori električne energije za napajanje elektrificiranih željeznica. U današnje vrijeme to se napajanje obično vrši iz nacionalne elektroprivredne mreže, dok se u ranijem razdoblju proizvodila električna energija u vlastitim željezničkim elektranama. Nužno je, međutim, odmah istaći da potrebna količina električne energije za elektrifikaciju ili elektrificirane pruge iznosi stvarno po pojedinim državama samo nekoliko posto (do 5°/o) od ukupne proizvodnje električne energije, pa je elektrifikacija željeznica moguća u većini zemalja gdje postoji elektroprivredna mreža. Električna željeznica je energetski povoljan potrošač jer troši električnu energiju i danju i noću.

1.1.4 Ekonomski kriteriji i uvjeti za elektrifikaci ju pruga

Ukupni godišnji troškovi eksploatacije željeznica su veoma veliki, u čemu samo troškovi za pogonsku energiju vuče predstavljaju značajnu stavku materijalnih troškova. Razlika troškova električne vuče prema dizel vuči u korist električne tim je veća što je promet veći, a to pokazuje očito da treba elektrificirati prvenstveno pruge, s velikim prijevozom, tj. glavne ili magistralne pruge. Manji godišnji troškovi vuče omogućuju da se elektrifikacija glavnih željezničkih pruga otplati u nekoliko godina. Električna vuča ima niže pogonske troškove, prvo, jer je cijena električne energije i iz termoelektrana, a pogotovu iz hidroelektrana niža od cijene goriva u dizel lokomotivi, što je energetski opravdano i, drugo, jer su niži svi ostali eksploatacijski troškovi elektrificiranih pruga. Električna vuča treba manji broj električnih lokomotiva i ima jeftinije održavanje, veći čisti korisni rad elektrolokomotiva, bolji stupanj korištenja pogonske energije, manju specifičnu potrošnju i manji utrošak energije. Zbog boljih tehničkih karakteristika električne lokomotive potreban je manji broj i vagona i lokomotiva, time manje i osoblja, a sve to utječe da budu niži godišnji troškovi elektrificiranih željeznica. Elektrifikacija pruga je ekonomski nužna i opravdana na prugama s velikim prometom, i to kod one veličine prometa kada godišnji troškovi dizel-vuče postaju veći od godišnjih troškova električne vuče, a da su pri tome povoljnije i specifične investicije za elektrifikaciju željeznica

4

1.1.5 Ekološki razlozi i uvjeti elektrifikacije

Mjerljive ekološke prednosti mogu se svrstati u slijedeće kategorije: promjena klime i emisija CO2, energetska učinkovitost, zauzimanje prostora, lokalno zagađenje zraka, buka, te ostali vanjski troškovi. Prednosti se željezničkog prometa upravo očituju u znatno manjoj emisiji štetnih plinova u usporedbi s drugim prometnim granama. U tablici 1-1. je prikazan odnos emisije štetnih plinova prema granam prometa. Tablica 1-1. Odnos emisije štetnih plinova prema granam prometa

Posebno ekološko značenje očituje se i u manjem utrošku energije i većoj sigurnosti. Za prijevoz se masovnih tereta željeznicom utroši gotovo četiri puta manje energije nego kada se ti tereti prevoze kamionima. Još su veće razlike u prometu osoba jer se u željezničkom prometu troši za istu udaljenost trećina energije putničkih zrakoplova, odnosno šestina energije osobnih automobila. Uštede su posljedica velike mase vlakova, izbjegavanje čestog zaustavljanja i pokretanja, te smanjenom utrošku goriva pri održavanju optimalne brzine. Na elektrificiranim prugama se energetski izvori najracionalnije iskorištavaju i vjerojatno će stoga ubuduće to biti najprihvatljiviji oblik prijevoza putnika i robe. Istraživanja provedena na Hrvatskim željeznicama pokazala su da je 3,15 puta isplativije koristiti se električnom vučom od dizelske. Pri tom je napajanje izmjeničnom električnom energijom dvostruko jeftinije od istosmjerne. Rijetko je spominjana prednost željezničkog prometa u manjem trošenju prostora. Za gradnju željezničke pruge i popratne infrastrukture potrebno je mnogo manje prostora nego za gradnju ceste ili zračne luke istog prometnog kapaciteta.

5

1.2 Europska prometna politika za budu ćnost željeznice

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. Prvi programski dokument tzv. „Bijela knjiga“ o budućem razvoju prometne politike donesen je 1992. s glavnim ciljem otvaranjem prometnog tržišta. Može se reći da je u posljednjih 10-ak godina taj cilj postignut u svim prometnim sustavima osim u slučaju željezničkog prometa. Cestovni i zračni promet danas su otvoreni za konkurenciju što je uvjetovalo sniženje cijena s jedne strane te poboljšanje usluge s druge strane. Općenito možemo reći da je željeznički promet siguran oblik prometa, a daljnje povećanje sigurnosti jedan je od glavnih ciljeva Bijele knjige. Od početka 1970-ih do sredine 1990-ih broj smrti u željezničkim nesrećama u zemljama EU (15 članica) se smanjio za gotovo 75%. 1971. u željezničkim nesrećama poginuo je 381 čovjek, a 1996. 93 ljudi. Iste godine u automobilskim nesrećama u 15 zemalja članica Europske unije poginulo je 43500 ljudi. Drugi programski dokument "Europska prometna politika za 2010.: vrijeme odluke" Europske unije usvojen 2001. godine i usmjeren je na korisnika usluge te poboljšanje kvalitete pruženih usluga. Dokument obuhvaća 60-ak mjera kojima bi trebalo doprinijeti napretku prometa u EU. Glavni ciljevi su uravnoteženje odnosa između pojedinih oblika prometa, rješavanje problema zagušenja prometa, poboljšanje odnosa prema korisniku, globalizacija prometa. Prema istraživanjima Eurobarometra iz 2000. oko 57% stanovnika EU bilo je zadovoljno pruženim uslugama u željezničkom prometu. 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 ili Galilleo program. 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 posljedice su zagušenje glavnih prometnih putova te pritisak na okoliš. Da bi se ti problemi riješili potreban je i niz odluka na nacionalnoj i regionalnoj razini pri čemu odluke Europske unije mogu poslužiti samo kao smjernice no ne kao obvezujuće odredbe. Potrebno je donijeti niz odluka i odredbi neizravno vezanih uz promet kao što su socijalna i obrazovna politika, zakoni o konkurentnosti na tržištu u cjelini, pa tako i tržištu prometnih usluga itd. Kako bi se unaprijedio željeznički promet osim navedena dva dokumenta donesen je i niz drugih dokumenata. Tako su Željeznička unija (Union of Railways), Zajednica europskih željeznica (Community of European railways), Međunarodna unija javnog prijevoza (International Union of Public Transport) i Unije europske željezničke industrije (Union of European Railways Industries) donijele dokument koji za cilj ima do 2020. godine stvoriti jedinstveni europski željeznički sustav. Nadalje, cilj je porast udjela željeznice u putničkom prometu između 6 i 10%, te u teretnom prometu između 8 i 15%. Uz taj glavni cilj ostali ciljevi su ušteda energije, smanjenje emisije stakleničkih plinova za 50%, povećanje kapaciteta, povećanje produktivnosti.

6

1.2.1 Položaj željezni čkog sustava u prometnom sustavu Europske unije

Posljednjih 10-ak godina prometna infrastruktura u Europskoj uniji bilježi rast u svim prometnim granama osim u željezničkom prometu. 2001. ukupna duljina autocesta u 25 tadašnjih zemalja EU (bez Rumunjske i Bugarske) iznosila je oko 57200 km. Ukupna duljina željezničke mreže iznosila je 203945,6 km što predstavlja smanjenje od 9147,4 km ili 4,29% u odnosu na 1995. godinu (tablica 1-2). Tablica 1-2. Duljina željezničke pruge u 25 zemalja država članica Europske unije

Duljina željezničke mreže te gustoća mreže 2002. godine u državama članicama EU je navedena u tablici 1-3. Tablica 1-3. Duljina željezničke mreže te gustoća mreže 2002. godine u državama članicama EU

7

Općenito većina zemalja EU bilježi smanjenje duljine željezničkih pruga u razdoblju od 1995. do 2002. Najznačajniji pad bilježi Njemačka od 14,17% te Poljska od 12,14%. Porast ukupne duljine željezničkih pruga bilježe Švedska, Belgija, Češka, Danska te Slovenija. Prosječna gustoća željezničke mreže u Europskoj uniji iznosi 5,13 km/km2. Gustoća željezničke mreže se znatno razlikuje između država. Najveću gustoću imaju Češka, Belgija i Luksemburg a najmanju Finska, Grča i Estonija. Posebnost među zemljama Europske unije su Cipar i Malta u kojima nema izgrađene željezničke mreže. Najveću duljinu željezničke pruge ima Njemačka. O razlozima različitog stupnja izgrađenosti željezničke mreže te utjecaju prirodnih faktora na željeznički promet i izgrađenost željezničke mreže već je bilo riječi u prethodnom dijelu. Od ukupnog obujma tonskih kilometara ostvarenih 2002. godine čak 74,28% ostvareno je u cestovnom prometu, a svega 13,95% u željezničkom prometu. Slijedi prijevoz plovnim putovima s 6,99% te cjevovodima 4,77%. Količine tereta prevezene morskim i zračnim putem ne mogu se uspoređivati s ostalim vrstama prometa. No prilikom usporedbi ne smije se zanemariti i vrijednost tereta. Tako je zračnim prometom 2002. u EU prevezeno 10,66 miliona tona tereta, a pomorskim 3054 miliona tona, no vrijednost tereta prevezenog zračnim putem je daleko veća. Prijevoz broja putnika željeznicom te ostvareni putnički kilometri porasli su između 1995. i 2002. za 11%. No ne bilježe sve države porast putničkih kilometara. Taj je porast najveći u Velikoj Britaniji gdje iznosi 32% te Francuskoj 31%. Takav porast posljedica je između ostalog i otvaranja tunela ispod La Manchea. No iako je stvarni obujam putničkog prometa željeznicom porastao, u relativnim udjelima udio putničkih kilometara ostvarenih željeznicom pao je 2000. godine na svega 6,7%, što je posljedica bržeg porasta zračnog i cestovnog prometa.

8

2 PREGLED RAZVOJA SUSTAVA ELEKTRIFIKACIJE ŽELJEZNICA

U toku čitavog razvoja elektrifikacije željeznica, odnosno od prvih početaka električne vuče sve je u osnovi ovisilo o stupnju tehničkih rješenja električnog vučnog motora i o proizvodnji i dovodu električne energije do tih vučnih motora.

U razvoju elektrifikacije željeznica ogleda se većim dijelom razvitak i primjena jakostrujne elektrotehnike u elektroindustriji krajem XIX i početkom XX stoljeća, a traje čak i do današnjih dana. Na tom putu bilo je dosta tehničkih rješenja, od kojih su mnoga davno napuštena ili su u rjeđoj upotrebi. Potrebno je ipak navesti koja su bila sva ta tehnička ostvarenja u toku elektrifikacije željeznica:

• Izvori napona i struje: vlastite istosmjerne elektrane; vlastite hidroelektrane za 16 2/3 Hz i pretvarači frekvencije od 50 na 16 2/3 Hz; jednoarmaturni pretvarači, motor-generatori i ispravljačke stanice sa živinim i silicijskim ispravljačima za istosmjernu struju napona 1500 V i 3000 V; trafostanice za monofazni sustav 50 Hz.

• Prijenos električne energije: vlastiti željeznički i elektroprivredni dalekovodi su dvofazni i trofazni za monofazne sustave 16 2/3 Hz i 50 Hz, a trofazni dalekovodi za istosmjerne sustave.

• Dovod električne energije od željezničke elektrovučne podstanice do elektro-lokomotive: izolirana treća tračnica; zračni vozni vod: tramvajsko ovješenje, polukompenzirana i potpuno kompenzirana kontaktna mreža.

• Povratni strujni put: tračnice željezničke pruge, obje ili samo jedna; čelično povratno uže.

• Postepeni razvoj izolacija i izolatora, i aparata za više napone. • Električne lokomotive svih vrsta, veličina i snaga: za istosmjernu struju napona

600 V, 1500 V i 3000 V; za monofaznu struju sniženih frekvencija 16 2/3 Hz 15000 V i 25 Hz 11000 V; za trofaznu struju 3300 V 50 Hz; za monofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz 25000 V. Snage lokomotiva od nekoliko stotina do nekoliko tisuća kW.

• Vučni električni motori: mali magnetno-motorni istosmjerni strojevi u početku, koji se više ne grade; istosmjerni serijski motori za istosmjerne napone istosmjernih sustava vuče i s valovitim naponom ispravljenih struja monofaznog sustava; jednofazni serijski motori za sniženu i normalnu frekvenciju; asinkroni motori.

Vršene su različite kombinacije pretvaranja napona, struje ili broja faza na samim lokomotivama (putem transformatora, ispravljača svih vrsta kao što su živin, ignitron, exitron, germanij i silicij, zatim motor - generatora, raznih pretvarača broja faza i frekvencije, itd). Iz čitavog tog kompleksa danas su se kao najpovoljnija rješenja istakle dvije vrsti vučnih motora, i to:

• asinkroni vučni motor koji se napaja iz jednog pulsnog pretvarača s IGBT poluvodičima promjenjivog napona i frekvencije

• istosmjerni serijski motor za istosmjerne napone i njegova inačica za izmjenični napon ispravljenog monofaznog napona 50 Hz;

9

U najnovijim se izvedbama na krovištu lokomotive nalaze četiri oduzimača struje. Na krajnjim se pozicijama nalaze oduzimači izmjenične struje napajanja, dok se na unutarnjim pozicijama nalaze oduzimači struje istosmjernog napona napajanja (slika 2.1.).

Slika 2.1. Pozicije oduzimača struje na krovu strojarnice

Također, nove lokomotive opremljene su vakuumskim glavnim prekidačem za AC sustav (nalazi se na krovu) i s istosmjernom brzom sklopkom za DC sustav (nalazi se u strojarnici). Uz oduzimače struje i glavnog prekidača za AC sustav napajanja na krovištu lokomotive nalaze se i naponski pretvarači. Osiguran je od eksplozije u svrhu zaštite osoblja. Neizostavna komponenta napajanja energijom lokomotive je transformator. Glavni transformator je jednofazni transformator izveden za napone AC15 kV/ 16.7 Hz i AC25 kV/ 50 Hz. Željezna jezgra sa primarnim i sekundarnim namotima i apsorbcijska prigušnica dva vučna međukruga nalaze se u kotlu transformatora. U istosmjernom sustavu napajanja namoti za vuču koriste se kao prigušnice mrežnog filtera. Najpovoljnija veličina napona za vučne motore iznosi oko 750 V, ali radi nepoželjne elektromagnetske transformacije prilikom komutacije grade se izravni vučni motori monofazne vuče 16 2/3 i 50 Hz za napon 450 V, odnosno 220 V, dok vučni motori istosmjernih sustava 1500 V i 3000 V imaju napon 750 V i 1500 V, odnosno 1000 V kod ispravljačkih električnih lokomotiva 50 Hz. Elektromotori rade prema poznatim osnovama elektrotehnike. Najprije je nastao serijski istosmjerni motor za niski napon do 600 V (Grammov i Siemensov dinamo električni princip), zatim trofazni asinhroni motor na principu okretnog magnetskog polja višefaznih sustava (Tesla), iza toga jednofazni serijski motor 16 2/3 Hz i 25 Hz (Behn-Eschenburg, »Oerlikon« 1902. i Lamme, »Westinghouse« 1901.), te serijski istosmjerni motor za istosmjerni napon 1500 V, odnosno 2 motora u seriju kod 3000 V (»General Electric Co«, 1915.) i najnovije, istosmjerni serijski motor za ispravljenu izmjeničnu struju i izravni monofazni serijski motor monofaznog sustava 50 Hz. Cjelokupan razvoj elektrifikacije željeznica možemo podijeliti u dva glavna perioda. Prvi obuhvaća razdoblje od 1879. do 1920. godine,odnosno od prvih koraka električne vuče i njezine afirmacije i pobjede u odnosu na parnu vuču, kao i nastajanje prvih sustava elektrifikacije i ostvarenja prvih elektrificiranih pruga gradske tramvajske vuče, podzemnih željeznica velegradova i željezničkih pruga.

10

U drugom razdoblju, od dvadesetih godina prošlog stoljeća do danas, elektrifikacija željezničkih pruga razvija se i širi u punoj mjeri na europskim željeznicama i nekim drugim krajevima svijeta, usavršavajući već postojeće ili uvodeći nove sustave električne vuče, pa čak i električne lokomotive za 2-3 ili 4 sustava elektrovuče, što praktički omogućuje nesmetanu transeuropsku vuču nekih važnijih međunarodnih putničkih vlakova.

U daljnjem izlaganju navodimo kronološki povijesni nastanak i razvijanje elektrifikacije pruga i njezinih sustava u toku dvaju perioda.

Tom prvom razvoju elektrovuče prethodili su pokušaji kao što su bili: • elektromotori na principu elektromagneta, tzv. magnetomotorni princip; • napajanje iz galvanskih baterija, od 1830—1848 g. na nekim malim lokomotivama

Engleza R. Davidsona, Amerikanca Th. Davenporta; • napajanje motornog čamca na Nevi Rusa Jakobija; • električno napajanje preko tračnica 1850. i 1876. Amerikanca Farmera i Rusa

Pirockija.

Engleski fizičar Faraday je 1831. godine ostvario veliko otkriće elektromagnetske indukcije, koje je omogućilo proizvodnju električne energije, ali je trebalo čekati skoro 40 godina do konstrukcije generatora.

Zahvaljujući velikom pronalasku dinamo-električnoga stroja 1870. godine od strane Gramma i električne samouzbude od Siemensa 1867. godine, bio je utrt put za konstrukciju prvog serijskog istosmjernog motora 150 V od 3 KS za prvu električnu lokomotivu Siemens 1879. g. Prvu malu električnu lokomotivu izložila je na industrijskoj izložbi u Berlinu 1879. godine tvrtka »Siemens-Halske«. Ta lokomotiva veoma male snage 3 KS i s istosmjernim serijskim motorom napona 150 V vukla je na uskom kružnom kolosijeku dugom 300 m tri vagončića s 18 osoba brzinom od 7 km/h. Napajanje je vršeno uz pomoć treće izolirane tračnice. Kasnije je ta lokomotiva smještena u Tehnički muzej u Munchenu. Ovo predstavlja simbolički početak električne vuče. Prvi put je izveden vozni vod iznad vozila na svjetskoj izložbi u Parizu 1881., i to od tvrtke »Siemens-Halske«. Istosmjerni napon 150 V s motorom do 7,5 KS primjenjuje se od 1881 g. kao jedini napon za vuču tramvaja do 1888. g.,odnosno do pojave napona 600 V, ostvarenog po Edisonu. Dok se napon 150 V primjenjivao u prvome razvoju električne tramvajske vuče, dotle se novi istosmjerni napon 600 V primjenjivao prvenstveno za brze gradske željeznice, podzemne i nadzemne. Snaga serijskog istosmjernog vučnog motora kod 150 V ne prelazi iznos od 7,5 KS, a kod napona od 600 V ne prelazi 40 KS, zbog dotad neriješenih pitanja komutacije, pomanjkanja pomoćnih polova i kompenzacionih namotaja. I pored toga razvoj električnog tramvaja u SAD i Kanadi naglo se razvija, tako da 1894. godine doseže 12000 km tramvajskih pruga, dok ih u Europi tada ima samo 300 km. Istosmjerni napon 600 V za elektrovuču od svoje pojave 1888. g. naglo se primjenjuje u elektrifikaciji podzemnih i nadzemnih željeznica svjetskih velegradova: New Yorka 1888., Londona 1890., Pariza 1900., Berlina 1902. godine i dr. Dovod struje kod istosmjernog sustava 600 V izveden je preko treće izolirane tračnice. Pojava prve električne lokomotive za željezničku vuču ostvaruje se 1895. u Baltimorskom tunelu na pruzi Baltimor - Ohio, da se izbjegnu neugodnosti dima i čađe parne vuče. I te

11

prve tri električne lokomotive tvrtke »General Electric Co« istosmjernog su napona 650 V. Ta prva električna lokomotiva mogla je na usponu od 14 ‰ i duljini pruge 6,5 km vući vlak od 1700 t brzinom od 20 km/h. Napajanje električnom energijom izvedeno je preko treće izolirane tračnice pored kolosijeka. Makar je to pokazalo da je moguće konstruirati i električnu lokomotivu za željezničku vuču, ipak se relativno nizak istosmjerni napon od 650 V nije mogao primijeniti za elektrovuču na većim udaljenostima sa snažnijim lokomotivama. Tako se ovaj istosmjerni sustav 650 V električne željezničke vuče primijenio samo za posebne prigradske i lučke željeznice, kao što je bilo u Americi New York Central - Hudson River i dr. U Europi prve elektrificirane pruge istosmjernim sustavom 600 V s trećom tračnicom bile su 1900. primijenjene u Francuskoj Paris-Juvisy 23 km i u Italiji Milano - Varese - Porto Ceresio 1901/2. Istosmjerni sustav 650 V nije primijenjen za elektrifikaciju glavnih magistralnih pruga, jer nije za to bio dovoljno visok. Prvi i pravi sustav elektrifikacije željezničkih pruga nastaje tek u dvadesetom stoljeću. Oko 1900. godine još nije bilo istosmjernog serijskog motora veće snage. Jedini takav električni motor bio je tada izmjenični trofazni asinkroni motor, koji je nastao zahvaljujući rotacionom magnetskom polju višefaznih sustava koje je otkrio Nikola Tesla. Tako se pojavljuje i razvija trofazni sustav elektrifikacije pruga u Europi upotrebom asinkronog motora na električnoj lokomotivi.

2.1 Trofazni sustav snižene frekvencije 3300 V, 15 Hz

U pravom smislu trofazni sustav elektrifikacije pruga započeo je najprije u Švicarskoj 1899. na pruzi Burgdorf - Thonne u duljini od 40 km na usponu 25 ‰, trofaznog napona 750 V frekvencije 40 Hz, ostvaren od švicarske tvrtke »Brown - Boveri«, da bi se proširio na sjeverozapadu Italije u Valtelini kao trofazni sustav visokog napona 3300 V i snižene frekvencije 15 Hz, koju je vodila tvrtka »Ganz« - inz. Kando.

Taj sustav elektrifikacije željeznica pušten je u pogon 4. rujna 1902. u Valtelini, da bi se proširio na 2700 km pruga sjeverne Italije do 1928. Trofazni sustav 3300 V 15 Hz je prvi sustav elektrifikacije željezničkih pruga u pravom smislu, tj. na duljim relacijama glavnih pruga, zbog primjene višeg napona u voznom vodu i veće snage električnih lokomotiva upotrebom indukcionih asinkronih motora. Kontaktna mreža za napajanje lokomotiva električnom energijom postavljena je iznad kolosijeka na stupovima duž pruge umjesto treće tračnice.

Trofazni sustav je u toku eksploatacije pored tih kvaliteta pokazao i niz nedostataka, kao što su otežano paralelno vođenje međusobno izoliranih vodica dviju faza, naročito preko skretnica, dok su tračnice služile kao treća faza, zatim potrebno sniženje frekvencije (zbog lošijeg faktora snage pri malim opterećenjima) i nedovoljna mogućnost za regulaciju brzine asinkronog motora. Posljedica toga bila je da se takav sustav nije mogao neposredno priključiti na opću elektroprivrednu mrežu. To je potaklo da se pronađe novi, jednostavniji i tehnički bolji sustav elektrifikacije željeznica na osnovu jednofaznog serijskog motora i istosmjernog serijskog motora.

Sustavi koji su proizašli iz takvih rješenja mnogo su povoljniji za električnu vuču, te će se afirmirati u svijetu. Trofazni sustav u Italiji sada je potpuno zamijenjen istosmjernim sustavom 3000 V.

12

2.2 Jednofazni sustav snižene frekvencije u Europi 15000 V 16 2/3 Hz i u Americi 11000 V 50 Hz

Nastao je kao posljedica pronalaska rješenja serijskog jednofaznog motora s komutatorom. Time je omogućeno napajanje kontaktne mreže visokim naponom i upotreba samo jedne faze u voznom vodu. To je pojednostavnilo i olakšalo kontaktnu mrežu, ali nije omogućilo izravan priključak na elektroprivrednu mrežu redovne frekvencije 50 Hz (u Americi 60 Hz) zbog snižene frekvencije. Rješenje za jednofazni serijski kolektorski motor dao je Behn-Eschenburg 1904. godine. Švicarske željeznice bile su se odlučile već 1902. godine za elektrifikaciju jednofaznim sustavom pruge Seebach - Wettingen u duljini od 20 km po prijedlogu tvrtke »Oerlikon«. Prva monofazna lokomotiva za 16 2/3 Hz sagrađena je 1905. godine s elektromotorom od 250 KS jednosatne snage i puštena u pogon na toj pruzi 1906. godine. Prvobitno je bilo zamišljeno da se riješi monofazni motor s redovnom frekvencijom 50 Hz. Međutim, kako je nepovoljna elektromotorna sila transformacije, koja utječe na komutaciju motora, upravo proporcionalna s frekvencijom i da bi se snizilo njezino štetno djelovanje na motor, odnosno na kolektor (komutator) i četkice, išlo se na 1/3 redovne frekvencije, tj. na 1/3 50 Hz = 16 2/3 Hz. Također i zbog razloga da se smanji utjecaj loše komutacije na telekomunikacijske vodove. Tim sniženjem frekvencije nije se mogla ostvariti želja da se ovaj sustav napaja izravno iz elektroprivredne mreže 50 Hz. Zbog toga su se morale ili graditi vlastite željezničke elektrane za 16 2/3 Hz,ili koristit pretvarači frekvencije 50 Hz na 16 2/3 Hz. Neovisno o gornjem razvoju već je Lame iz američke tvrtke »Westinghouse« dao 1901. godine svoje rješenje serijskog jednofaznog kolektorskog motora, te je 1906. godine izgrađena prva monofazna lokomotiva napona 11000 V 25 Hz i stavljena u pogon iste godine na elektrificiranoj pruzi New York, New Haven - Hartford Ry. Tvrtka »Westinghouse« bila je pionir monofazne vuče snižene frekvencije 25 Hz u Americi, dok je tvrtka »General Electric Company« bila pionir razvoja istosmjernih lokomotiva za 650 V, a tako isto i za istosmjerni sustav 3000 V. U to vrijeme su i europske željeznice počele elektrificirati svoje pruge monofaznim sustavom snižene frekvencije 16 2/3 Hz 15000 V, tako Švicarska 1909., Njemačka 1909., Švedska 1910., Austrija 1914., Norveška 1922. godine. Od tada pa do 1928. godine bilo je elektrificirano u svijetu 10.000 km pruga jednofaznim sustavom snižene frekvencije. U samom početku bilo je nekoliko manje značajnih pokušaja elektrifikacije pruga s naponom od 5 i 6 kV i 15 ili 25 Hz. Razvoj tehnike elektrifikacije željeznica u prvoj dekadi prošlog stoljeća tekao je u dva suprotna pravca. Jedni su bili za razvoj monofazne vuče na čelu s »Oerlikon« i „Westinghouseom” i tako je došlo do ostvarenja sustava 16 2/3 Hz odnosno 25 Hz, kao što je naprijed opisano, a drugi su bili za razvoj istosmjernog sustava s visokim naponom, što je pošlo za rukom tvrtki »General Electric Co«, ostvarenjem istosmjernog sustava elektrifikacije željeznica 3000 V.

13

2.3 Istosmjerni sustav 3000 V

Suština problema istosmjernog sustava bila je u tome da se konstruira serijski istosmjerni motor za viši napon i veću snagu. Na istosmjernim motorima gradskih željeznica primjenjuju se prvi put pomoćni polovi 1903. godine, što je omogućilo daljnji razvoj istosmjernog motora. To je dalo već dobre rezultate 1912. godine stvaranjem jačih istosmjernih motora, a ujedno je napredovao i razvoj živinih ispravljača za dobivanje višeg istosmjernog napona. Tako je već 1913. godine elektrificirano istosmjernim naponom 2400 V 40 km pruge Butte - Anaconda, da bi 1915. godine bila elektrificirana značajna pruga Chicago, Milwaukee - St. Paul s istosmjernim naponom 3000 V u voznom vodu, a od 1914. do 1918. godine već ukupno 2200 km pruga. Istosmjerni napon se dobivao ispravljanjem trofazne izmjenične struje u istosmjernu u elektrovučnim podstanicama. Tako su se elektrovučne podstanice za napajanje kontaktne mreže priključivale primarno izravno na trofaznu elektroprivrednu mrežu normalne frekvencije 50 Hz. Daljnji razvoj istosmjernog sustava 3000 V u drugim državama slijedio je poslije 1918. do 1928. godine ovim redom: Kanada 1918., Čile 1920., Brazil 1921./26., Meksiko 1923., Južna Afrika 1924., Španjolska 1922., Italija 1920. i 1928. SSSR 1926. godine, zatim Maroko, Belgija i Poljska, a poslije drugog svjetskog rata i bivša Čehoslovačka i bivša Jugoslavija (sjeverozapadni dio mreže hrvatskih željeznica).

2.4 Istosmjerni sustav 1500 V

Francuska je 1918. godine odredila komisiju za izbor sustava elektrifikacije željeznica i nakon pregleda postojećih sustava, u Americi monofazni sustav 25 Hz i istosmjerni 3000 V, u Švicarskoj monofazni 16 2/3 Hz i u Italiji trofazni 3300 V 15 Hz, donesena je odluka 1920. godine da se francuske željeznice elektrificiraju istosmjernim sustavom 1500 V. Prva elektrificirana pruga bila je Pau-Tarbes u prometu 1922. godine da bi se do 1948. godine popeo iznos blizu na 5000 km. U Švicarskoj su bili pokusi i ispitivanja s 1500 V od 1907. do 1914. godine Nakon usvajanja sustava elektrifikacije željeznica s istosmjernim naponom 1500 V u Francuskoj, prihvatile su taj sustav i druge države kao što su: Nizozemska, Engleska, Japan, Java, Indija, Australija, Novi Zeland i dr.

2.5 Monofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz 25 kV

Za elektrifikaciju željeznica privlačio je tehničare od samog početka monofaznog sustava, ali zbog tadašnjih poteškoća s komutacijom moralo se zadovoljiti u prvoj etapi sa sniženom frekvencijom. Monofazni sustav 50 Hz privlačio je zato što ima niz prednosti, kao što su izravan priključak na visoki napon i na redovnu frekvenciju elektroprivredne mreže, što ima visoki napon u kontaktnoj mreži a to daje manji presjek bakrenih vodiča kontaktne mreže i veću udaljenost elektrovučnih trafostanica. Na lokomotivi su jaki i izdržljivi motori. U tome je bilo mnogo traženja, niz inačica rješenja do konačnog uspjeha. Prvo ostvarenje monofaznog sustava bilo je u Mađarskoj 1931. godine na elektrificiranoj pruzi Budimpešta - Hegyeshalom u duljini od 187 km s 15000 V 50 Hz, ali je elektrolokomotiva tvrtke »Ganz« od inž. Kando-a bila složena, jer je imala sinkroni pretvarač napona i faza za asinkroni vučni motor. U Njemačkoj je 1936. godine elektrificirana ispitna pruga Hollenthal s 20 kV 50 Hz na duljini od 55,6 km s četiri tipa električnih lokomotiva, ali rezultati nisu još potpuno zadovoljavali. Na ispitnoj pruzi u Francuskoj Aix les Bains—La Roche sur Foron u duljini od 76 km, elektrificiranoj sustavom 20 kV 50 Hz, bilo je ispitano od 1950. do

14

1952. godine 5 vrsti električnih lokomotiva. Na temelju toga francuske su se željeznice odlučile za elektrifikaciju sjeveroistočnih pruga u Francuskoj novim monofaznim sustavom 25 kV 50 Hz. Tako je elektrificirana njime prva pruga Vallencienne—Thionville 1955. godine, a poslije i druge. Nakon toga taj sustav usvajaju i druge države pored Francuske, i to bivši SSSR za daljnju elektrifikaciju neelektrificiranih područja Japan, Engleska, Portugal, Indija, ex-Jugoslavija, te Bugarska, Rumunjska i Turska. Od svih primijenjenih lokomotiva, od motornih grupa do izravnog monofaznog serijskog kolektorskog motora i do istosmjernog serijskog motora za ispravljenu izmjeničnu struju, jasno se pokazalo da je danas najpovoljnije rješenje monofazne lokomotive s transformatorom i tiristorskim pretvaračima, te pouzdanim istosmjernim serijskim vučnim motorom za izmjenični napon. Shema napajanja navedenog sustava elektrifikacije željeznica prikazan je na slici 2.2.

110 kV

25 kV

110/25 kV

L1

L3L2

Slika 2.2. Shema napajanja monofaznog sustava 25 kV, 50 Hz To tehničko rješenje lokomotive ima mogućnost fine i ekonomične regulacije vučne sile i brzine, izvrsno mehaničko rješenje i veliku ugrađenu snagu. Sve to daje veoma dobre rezultate za vuču teških teretnih i brzih putničkih vlakova. Danas se grade moderne 4-osovinske i 6-osovinske električne lokomotive, s ukupnom težinom cca do 80, odnosno 120 tona, s velikom snagom od 4.000, odnosno 6.000 kW i za velike brzine od 120 do 200 km/h, a specijalno i više.

2.6 Monofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz, 2 x 25 kV

To je sustav koji je najkasnije razvijen i prikladan je za velike brzine. Omogućuje razmak EVP-a i do 80 km. Za razliku od sustava 1 x 25 kV, sadrži autotransformatore na određenim udaljenostima. Većina zemalja koja posjeduje brze vlakove (preko 200 km/h) posjeduje taj sustav (Španjolska, Mađarska…). Shema napajanja navedenog sustava elektrifikacije željeznica nalazi se na slici 2.3.

Slika 2.3. Shema napajanja monofaznog sustava 2x25 kV, 50 Hz

15

3 GLAVNI SUSTAVI ELEKTRIFICIRANIH ŽELJEZNICA

U ovom poglavlju opisane su osnovne karakteristike elektrovuče, napajanje, kontaktna mreža, elektrovučne podstanice i daljinsko upravljanje. Opisan je utjecaj i otklanjanje smetnji elektrificiranih pruga na druge objekte te rastumačeno sučeljavanja dvaju sustava elektrificiranih pruga.

3.1 Karakteristike osnovnih sustava elektrifikacije željeznica

Povijesni razvitak električne vuče dao je nekoliko sustava elektrifikacije, ali su se zadržala i učvrstila u svom razvoju samo četiri sustava za elektrifikaciju željezničkih pruga. To su dva istosmjerna i dva monofazna sustava: istosmjerni sustav napona 1500 V, istosmjerni sustav 3000 V, monofazni sustav snižene frekvencije 16 2/3 Hz 15000 V i monofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz 25000 V. Shematski prikaz rasprostranjenosti pojedinog sustava elektrifikacije željeznica u Europi nalazi sena slici 3.1.

Slika 3.1. Shematski prikaz rasprostranjenosti pojedinog sustava elektrifikacije u Europi

Uz ovo je potrebno naglasiti da se od ta četiri sustava smatra najuspješnijim i najsuvremenijim monofazni sustav frekvencije 50 Hz 25 kV, iako se još i dalje izvode

16

istosmjerni sustav 3000 V i monofazni sustav snižene frekvencije 16 2/3 Hz 15 kV, na onim željezničkim mrežama gdje su ranije bili uvedeni ti sustavi. Sva četiri sustava nastala su u različitim uvjetima razvoja tehnike. Koliko god nose u sebi svoje posebne značajke i pojedinačne karakteristike, ipak imaju zajedničke osnovne dijelove sustava, 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. U kraćim opisima evo tih glavnih značajki sustavnih rješenja elektrificiranih željeznica:

1. Izvori električne energije i dalekovodi. U ranijem periodu elektrifikacije željeznica

gradile su se čak posebne željezničke elektrane za redovnu ili sniženu frekvenciju 16 2/3 Hz, dok se danas elektrificirane pruge priključuju na elektroprivredne izvore električne energije, obično iz elektroprivrednih transformatorskih stanica različitih visokih napona (30-35, 60, 110 kV). Od tih trafostanica vrši se prijenos električne energije do željezničkih elektrovučnih podstanica (skraćeno EVP) preko dalekovoda visokog napona 15, 25, 35, 60 i 110 kV. To su trofazni dalekovodi kod istosmjernog sustava, dok kod monofaznog sustava mogu pored trofaznih biti i dvofazni.

2. Elektrovučne podstanice imaju zadatak da dobivenu električnu energiju visokog napona putem dalekovoda pretvore ili transformiraju u drugu vrstu struje ili visine napona za napajanje kontaktne mreže elektrificiranih pruga. Elektrovučne podstanice istosmjernog sustava trofaznu struju izmjeničnog napona snizuju na niži izmjenični napon putem transformatora i pretvaraju u istosmjernu struju napona 1500 V i 3000 V, i to u ranijem periodu s pomoću jednoarmaturnih pretvarača ili grupe izmjenični motor – istosmjerni generator, dok kasnije s pomoću živinih ispravljača raznih vrsta i u novije vrijeme s pomoću diodnih i tiristorkih ispravljača.

3. Elektrovučne podstanice monofaznog sustava imaju zadatak dati određeni

jednofazni napon i frekvenciju za monofaznu kontaktnu mrežu, bilo 16 2/3 Hz 15 kV ili 50 Hz 25 kV. To se vrši putem običnih jednofaznih transformatora, ili posebnih transformatora tipa Scott i Leblanc za 50 Hz, ili s pomoću rotirajućih ili statističkih pretvarača frekvencije od 50 Hz na 16 2/3 Hz.

4. Električni vučni motori u električnim lokomotivama i elektromotornim vlakovima

imaju zadaću električnu energiju iz kontaktne mreže pretvoriti u mehaničku radnju za vuču vlakova. Kao izričito pogodni električni motori za električnu vuču razvila su se i afirmirala dva motora: istosmjerni serijski motor i jednofazni serijski kolektorski motor (Slika 3.2).

17

Slika 3.2. Karakteristika vučnih motora 1 – asinhroni motor 2 – kompaudni motor 3 – istosmjerni serijski motor 4 – jednofazni serijski motor

Neki motori kao poredni istosmjerni uopće ne odgovaraju za vuču, dok su drugi motori kao manje povoljni otpali, tako primjerice i trofazni, asinkroni motor, zbog nepovoljne karakteristike i komplikacije oko regulacije brzine, izvedbe dvožičnog kontaktnog voznog voda i složenost same lokomotive. Istosmjerni serijski motor je najprikladniji motor za električnu vuču jer baš ima takvu mehaničku karakteristiku, tj. ovisnost momenta odnosno vučne sile o brzini, koja najbolje osigurava osnovni zahtjev vuče da ima maksimalne momente pri polasku i automatsku promjenu brzine s promjenom opterećenja (Slika 3.3). Serijski istosmjerni motor razvija veliki moment pri malim brzinama i obratno, mali moment pri velikim brzinama (što proizlazi iz mehaničke karakteristike motora, tj. odnosa brzine i momenta).

Slika 3.3. Karakteristika vučnog istosmjernog serijskog motora

18

Na taj način serijski motor pri većem opterećenju sam smanjuje svoju brzinu, prilagođava se opterećenju i tako ne opterećuje znatno mrežu. Takva mehanička karakteristika istosmjernog serijskog motora proizlazi iz njegovih elektromehaničkih karakteristika, tj. odnosa brzine, snage i momenta o veličini struje.

Pokretanje istosmjernih serijskih strojeva izvodi se preko omskih pokretača u seriji s rotorom da se smanje struje pri pokretanju. Serijski istosmjerni motor ima rotor s kolektorom, te na statoru uz glavne polove radi bolje komutacije i poništenja reakcije armature pomoćne polove, odnosno ponekad kompenzacijske namote u stopalima glavnih polova. Serijski motori upotrebljavaju se kod istosmjernih lokomotiva i kod monofaznih lokomotiva 50 Hz s ispravljačima. Serijski istosmjerni motori ugrađuju se u istosmjerne lokomotive za 1500 i 3000 V, po 4 ili 6 motora u lokomotivi, a građeni su obično za napon 750 V i 1500 V, te su uvijek barem dva vezani u seriji.

Reguliranje brzine serijskih istosmjernih motora elektrovozila istosmjerne struje vrši se na tri načina: promjenom napona, spregom motora ako su svi u seriji ili u paralelnim granama po 2 ili 3 u seriji, te dodavanjem otpora u strujnom krugu motora ili slabljenjem polja motora. Serijski istosmjerni strojevi upotrebljavaju se i u monofaznim lokomotivama 50 Hz. Izravni monofazni motor ostao je i više osigurao mjesto kod monofaznih elektromotornih vlakova. Kako se u monofaznim lokomotivama 50 Hz ispravlja izmjenična struja u dosta valovitu istosmjernu struju, to su istosmjerni serijski motori morali biti konstruktivno prilagođeni takvoj struji. Jednofazni serijski kolektorski motor je po svojim karakteristikama sličan istosmjernom serijskom motoru i prema tome je prikladan za vuču (Slika 3.4).

Slika 3.4. Karakteristika vučnog jednofaznog serijskog motora

Međutim, konstrukcija tih motora znatno je osjetljivija od serijskih istosmjernih motora zbog poteškoća pri izmjeničnoj struji. Razlikuju se od istosmjernih serijskih motora u tome što imaju statorski paket od tankih izoliranih limova da se izbjegne učinak vrtložnih struja i što uvijek moraju imati kompenzacijski namotaj jer bi zbog velikog induktiviteta radili s lošim cos(φ). Na lošiji faktor snage monofaznih motora utječu frekvencija i napon napajanja, dok na lošiju komutaciju utječe najviše elektromotorna sila transformacije. Kako je ta elektromotorna sila transformacije upravo proporcionalna s frekvencijom, to izlazi da je ona kod 50 Hz za tri puta veća nego kod 16 2/3 Hz, što je ranije natjeralo tehničare i konstruktore da pođu na sustav snižene frekvencije. Visina napona trans-formacije u praksi se dozvoljava do 1 V. Za smanjenje te EMS transformacije dali su

19

rješenje Behn-Eshenbourg šantiranjem namotaja pomoćnog pola čistim omskim otporom i Lahm umetanjem otpora između navoja i lamela komutatora. Ipak, jednofazni serijski izmjenični kolektorski motor upotrebljava se danas samo za sustav snižene frekvencije 16 2/3 Hz i za napon motora 450 V u Europi ili 25 Hz u Americi i kod elektromotornih vlakova za 50 Hz. Na električnim lokomotivama 50 Hz ugrađuje se istosmjerni serijski motor s izmjeničnom strujom. Napon motora na ispravljačkim lokomotivama za 50 Hz je oko 800 do 1000 V. Regulacija brzine jednofaznih motora vrši se reguliranjem napona na transformatoru lokomotive, od nule do punog iznosa, na svim monofaznim lokomotivama za 16 2/3 i 50 Hz.

Kada smo se upoznali s glavnim elementima sustava elektrifikacije i elektrovuče, postavlja se pitanje koji je od četiri sustava najpovoljniji i najbolji. Takav sustav bio bi onaj koji bi imao slijedeće odlike: što lakšu kontaktnu mrežu, što manji broj elektrovučnih podstanica, što jednostavniju, robusniju i za vuču povoljniju električnu lokomotivu, što manje smetnji za druge objekte (kao što su elektroprivredna mreža, telefonija, podzemni metalni uređaji i slično) i, na kraju, što jeftiniji i sigurniji sustav.

Svaki od ta četiri sustava ima dobrih i loših strana, pa ih stoga treba proanalizirati. Kontaktnu mrežu i elektrovučne podstanice karakterizira pretežno visina napona u kontaktnoj mreži. što je taj napon viši, to je povoljnije, jer je pri višem naponu potreban manji presjek bakrenih vodiča kontaktne mreže, udaljenost među podstanicama je veća i potrebno ih je manje, pa su stoga investicioni i eksploatacijski troškovi stabilnih postrojenja niži. Iz toga proizlazi da je sustav elektrifikacije 1500 V istosmjernog napona najnepovoljniji, jer ima najtežu kontaktnu mrežu i najgušće podstanice. Međutim, u čitavu bilancu ocjene sustava treba obuhvatiti i električne lokomotive. One su, gledano po sastavu elemenata, kod 1500 V najjednostavnije, pa onda kod 3000 V, jer imaju samo električne motore, dok monofazne imaju još transformator kod 16 2/3 Hz ili transformator s diodnim ispravljačem kod 50 Hz. Prednost je monofaznih lokomotiva u boljoj regulaciji napona putem transformatora i prema tome u vuči. Upuštanje u potpunu analizu svakog sustava zahtijevalo bi mnogo više obrade, tehničkih i ekonomskih vrednovanja i uspoređenja, što se pokušalo studijama u nekim željezničkim upravama i institutima.

O tome treba reći slijedeće: istinito je da je bilo koji od ta četiri sustava električne vuče tehnički dotjeran, da daje izvrsne rezultate i tehničke i ekonomske, u usporedbi s drugim neelektričnim vrstama vuče. Ne postoji savršeno objektivno mjerilo, ali se kao rezime izučenih stranih studija može dati ovakav redoslijed i odnos četiriju sustava elektrovuče: primat pripada monofaznom sustavu industrijske frekvencije 25 kV 50 Hz zbog najvišeg napona u kontaktnoj mreži (kraće: KM), zbog najlakše KM, najmanjeg broja elektrovučnih podstanica (kraće: EVP), tehničkog priključka na elektroprivrednu mrežu najvišeg napona, te zbog uspješnog rješenja električne lokomotive s regulatorom napona preko transformatora i uspješnim rješenjem ispravljanja struje sa tiristorima, tako da je omogućena upotreba nenadmašnog serijskog istosmjernog motora. Istosmjerni sustav elektrovuče 3000 V i monofazni sustav 15 kV 16 2/3 Hz su za oko 5 do 10 % skuplji, a istosmjerni sustav 1500 V za oko 15-20 %.

20

3.2 Napajanje elektrificiranih pruga

U nastavku se daje prikaz osnovnih shema napajanja pojedinih sustava elektrificiranih željeznica. 3.2.1 Napajanje sustava istosmjerne struje 1500 V i 3000 V

Nazivni naponi kontaktne mreže su 1500 i 3000 V. Elektrovučne podstanice, zbog relativno niskog napona na kontaktnoj mreži, ne mogu biti mnogo udaljene jedna od druge pa to iznosi prosječno oko 18 km (od 8-25 km) kod 1500 V i oko 30 km (od 15-45 km) kod 3000 V istosmjernog napona. Niže vrijednosti u zagradama se odnose kod teških uvjeta vuče, npr. na brdskim prugama ili kod »razdijeljene« rezerve za podstanice duž pruge, a veće cifre kod ravničarskih manje opterećenih pruga. Presjeci vodiča KM su za normalne prilike oko 650 mm2 za 1500 V i oko 320 mm2 za 3000 V, a u teškim prilikama oko 1000 odnosno 500 mm2.

Izvori napajanja podstanica su obično udaljene elektroprivredne transformatorske stanice visokog napona na čijem je sekundaru 35, 60 i 110 kV. Takva transformatorska stanica (kraće: TS) napaja obično po nekoliko EVP, bilo radijalno ili vezano paralelno više njih, ponekad čak do druge TS (slika 3.4). Sve to ovisi o prilikama gustoće EVP, o elektroprivrednim TS i o terenskim prilikama. Visoki napon od TS do EVP je različit po zemljama: 110, 60 i 35 kV, a prenosi se trofaznim dalekovodima. Za pruge HŽ-a, koje su elektrificirane istosmjernim sustavom 3000 V, uzete su kao čvrste napojne elektroprivredne točke trafostanice sa 110 kV/35 kV, dakle primarni izvor 110 kV odakle se dalekovodima s 35 kV dovodi energija do EVP. Osnovni je princip pri tome da svaka EVP ima mogućnost dvostranog napajanja, stoga ima po dva takva nezavisna dalekovoda, jedan glavni i drugi rezervni. Tako se osigurava neprekinut rad EVP-a, jer to zahtijeva željeznički promet. Pored toga su EVP između sebe na strani 3000 V povezane paralelno preko KM, pa tako i rade paralelno, bilo sve zajedno ili dio njih.

Napajanje istosmjerne KM vrši se uvijek dvostrano, tj. istovremeno iz dvije EVP, tako da električna lokomotiva dobiva električnu energiju iz obje EVP, i to uzima energiju upravo razmjerno udaljenosti od EVP. To je jednako i kod jednokolosiječnih i kod dvokolosiječnih pruga, s time što se još kod dvokolosiječnih pruga mogu spajati paralelno i kontaktne mreže obaju kolosijeka, da bi se dobio manji pad napona u KM, ako je to potrebno kod velikih opterećenja u vuči. Shema napajanja istosmjernog sustava je prikazana na slici 3.5.

Slika 3.5. Shema napajanja istosmjernog sustava

21

3.2.2 Napajanje jednofaznog sustava sniženom frekve ncijom 15 kV 16 2/3 Hz

Koristi se u Švicarskoj, Austriji, Njemačkoj, Švedskoj i Norveškoj. Udaljenost između EVP ovog sustava iznosi prosječno od 30 do 50 km. Presjek vodiča KM kod 16 2/3 Hz iznosi prosječno 150 mm2. Napajanje tih EVP može biti na tri načina: prvo, iz vlastitih željezničkih elektrana snižene frekvencije, preko monofaznih dalekovoda napona 110 kV 16 2/3 Hz do nekoliko EVP (slika 3.6).

Slika 3.6. Shema napajanja sustava 16 2/3 Hz iz jednofaznih HE ili TE (Švicarska i Austrija)

U svakoj EVP vrši se transformacija 110 kV 16 2/3 Hz na 15 kV 16 2/3 Hz, a odatle na KM (slika 3.7).

Slika 3.7. Shema napajanja sustava 16 2/3 centralnom pretvorbom frekvencije i broja faza (Austrija i Njemačka) U drugom slučaju, vrši se pretvorba faza i frekvencije u jednoj podstanici od trofaznih 220 kV 50 Hz na 110 kV 16 2/3 Hz monofazno i odatle se odvodi 1-faznim dalekovodima do nekoliko EVP, gdje se u svakoj EVP transformira na 15 kV 16 2/3 Hz za KM. U oba slučaja EVP rade paralelno, jer su u fazi, i KM je napajana iz obje EVP, a kod drugog kolosijeka mogu da rade vozni vodovi obaju kolosijeka paralelno. Treći slučaj je kad se ta pretvorba vrši u svakoj EVP, koja je priključena trofazno na elektroprivredu, a onda se s pomoću 1 ili 2 pretvarača faza i frekvencije u EVP napaja KM sa 15 kV 16 2/3 Hz (slika 3.8).

22

Slika 3.8. Shema napajanja sustava 16 2/3 - pojedinačna pretvorba frekvencije i broja faza (Švedska)

Ti pretvarači se sastoje od trofaznog transformatora koji snižava priključni napon i napaja trofazni sinkroni motor, a ovaj pokreće monofazni generator koji proizvodi napon 15 kV 16 2/3 Hz. To je primjenjivano u Švedskoj da bi se izbjegli posebni izvori snižene frekvencije i gradnja jednofaznih dalekovoda. EVP se mogu također podesiti na generatorima da radi paralelno više EVP. Snaga grupe je od 2400 ili 4000 kVA. Može ih biti više u jednoj EVP. 3.2.3 Napajanje jednofaznog sustava industrijske fr ekvencije 25 kV 50 Hz

Nazivni napon u KM je 25 kV. Udaljenost između EVP može biti još veća zbog visokog napona u KM, a praktički iznosi oko 40 do 60 km. Presjek vodiča KM iznosi prosječno 150 mm2. Prednost je ovog sustava u tome što se EVP priključuju izravno na elektroprivrednu mrežu 50 Hz. Nije potrebno ni ispravljanje struje ni pretvaranje frekvencije i faza u EVP-ima (slika 3.9).

Slika 3.9. Shema napajanja monofaznog sustava 50 Hz

23

Međutim, budući da je za monofaznu vuču potreban monofazni transformator za sniženje primarnog visokog napona elektroprivredne mreže od 110 kV na 25 kV, to se pojavljuju jednofazni potrošači na trofaznoj mreži elektroprivrede, što prouzrokuje nesimetriju i pogoršanje rada primarnog sustava. Da se izbjegne ta nesimetrija opterećenja, priključuju se pojedine EVP na različite faze elektroprivredne mreže, ovisno o njezinoj jakosti, ili se pored nekoliko običnih jednofaznih EVP postavljaju još i podstanice s posebnim Scottovim transformatorom.

Kod jakih elektroprivrednih mreža to ne utječe mnogo te se sve EVP priključuju jednofazno, i to čak na iste faze. Svaka EVP gradi se s 1 ili 2 transformatora od 5, 7.5 ili 10 MVA, i to bilo uz samu TS elektroprivrede ili se od TS do EVP dovodi energija dalekovodima sa dva vodiča.

Napajanje KM od strane EVP kod monofaznog sustava 50 Hz razlikuje se od napajanja u drugim sustavima. Ovdje se napajanje KM ne vrši dvostrano već obično jednostrano, i to tako da svaka EVP napaja kontaktnu mrežu radijalno, tj. do polovine međudaljenosti do dviju susjednih EVP, gdje postoje mjesta sekcioniranja s neutralnim vodom. Neutralni vod je zato da električna lokomotiva ne premosti dvije zone napajanja, a rastavljači da se može spojiti KM na drugu EVP, ako jedna ispadne iz pogona.

Monofazne podstanice mogu se paralelno vezati jedino tako ako su spojene primarno na iste faze istog elektroprivrednog sustava, pa i pored ispunjenja toga uvjeta, monofazne EVP 50 Hz rjeđe se vežu paralelno. Postoji mogućnost da se vežu paralelno KM dvaju kolosijeka dvokolosiječnih pruga unutar radijalnog napajanja, ako je to potrebno.

3.3 Uvjeti za prora čun i projektiranje stabilnih postrojenja elektri fikacije pruga

Kod proračuna i projektiranja stabilnih postrojenja za elektrifikaciju pruga potrebno je izvršiti cjelovit elektrovučni račun. Najprije se napravi specifikacija prometnih podataka prijevoza za određenu bližu i dalju perspektivu, za putničke i brze vlakove dotične pruge, a onda izabere električna lokomotiva koja može najbolje udovoljiti postavljenim zahtjevima prometa, vuče i parametrima pruge. Na pruzi se stalno kreću vlakovi, slika opterećenja neprestano se mijenja, pa ipak treba tako dobro dimenzionirati stabilna postrojenja, tj. kontaktnu mrežu i elektrovučne podstanice da osiguraju pod svim mogućim okolnostima vuče povoljan napon za električne lokomotive i sva opterećenja koja mogu nastati. U tu svrhu odabire se iz prometnog grafikona najnepovoljnija dionica između 2 EVP kroz 2 sata opterećenja koja mogu nastupiti, a onda se računa običnim računskim putem, ili znatno brže posebno za to konstruiranim električnim modelima, koji imitiraju potpuno stanje KM, EVP i elektrovuče vlakova. Iz nekoliko takvih računskih provjera dolazi se do najboljih rješenja. Pad napona u KM od EVP-a do električne lokomotive mora da zadovolji dva uvjeta: da srednji napon u KM bude što bliži nazivnom naponu duž cijele pruge radi ispravnog izvršenja rada električne lokomotive i da nikada napon ni na jednoj točki ne padne ispod minimuma. Smatra se da je srednji napon dobar onda kad je do 10% niži od nazivnog. Iz toga proizlazi da se tehnički i ekonomski pravilno odredi presjek vodiča kontaktne mreže i udaljenosti i snaga EVP-a, jer su oni međusobno obratno proporcionalni, tj. uz veći presjek KM potrebna je manja udaljenost i snaga EVP, i obrnuto. Ti su odnosi oštriji što su opterećenja slabija, jer uz slabi teret mogu EVP biti udaljenije nego uz veći teret. Za dozvoljeni pad napona treba naći ono rješenje između nekoliko mogućih koje daje tehnički i ekonomski optimum za određena vučna opterećenja.

24

Prema propisima U.I.C. (Međunarodne željezničke unije) određeni su nazivni minimalni i maksimalni naponi za električne sustave (tablica 3.1):

Tablica 3-1. Prema propisima U.I.C.

Nazivni Minimu Trenutni Maksim

Istosmjerna struja 1500 V 1000 V — 1800 V

Istosmjerna struja 3000 V 2000 V - 3600 V

Monofazna struja 16 2/3

Hz

15000 V 12000 V 11000 V 16500 V

Monofazna struja 50 Hz 25000 V 19000 V 17500 V 27500 V

Pad napona kod istosmjerne struje nastaje zbog omskog otpora vodiča kontaktne mreže (ohm/km = 18,8/s kod 40° C gdje je »s« ekvivalentni presjek bakrenih vodiča u mm2) i otpora povratnog voda puta struje kroz tračnice do EVP (ohm/km = 0,9/p gdje je »p« težina tračnice po metru). Presjeci vodiča KM i udaljenosti EVP za istosmjerne sustave 1500 i 3000 V navedeni su naprijed. Pri dimenzioniranju snage i broja ispravljačkih grupa treba voditi računa da se pravilno odabere tehnički i ekonomski jedinična snaga grupe i njihov broj, ovisno o veličini i pokrivanju srednjeg opterećenja, kao i maksimalnih opterećenja, imajući na umu da je dozvoljeno preopterećenje ispravIjačke grupe 50% kroz 2 sata ili 200% kroz 5 minuta. To se sve radi na osnovi proračuna i iscrtanog grafikona opterećenja elektrificirane pruge. Proračun pada napona, strujnih opterećenja i utjecaja cos(φ) električnih monofaznih lokomotiva na povećani pad napona u KM monofaznog sustava je složenije od istosmjernog jer treba uzeti u obzir i induktivni otpor. Proračun je složen i vrši se za radijalno napajanje iz EVP. Faktor snage lokomotive znatno utječe na pad napona i kod monofaznih lokomotiva s ispravljačima se kreće oko 0.8-0.85. Monofazni sustav 50 Hz ima ukupni otpor KM veći od sustava 16 2/3 Hz, jer je zbog trostruke vrijednosti frekvencije induktivni otpor kod 50 Hz veći za 3 puta. No uza sve to su uvjeti pada napona i udaljenosti EVP približno podjednaki i ujednačeni u oba monofazna sustava, jer je napon kod sustava normalne frekvencije viši, tj. 25 kV prema 15 kV. Pri projektiranju EVP-a vodi se računa da podstanice imaju rezervu za slučaj kvara, remonta ili izvanrednih vučnih slučajeva. Rečeno je da kod istosmjerne struje može biti dodana u svaku EVP po 1 grupa kao rezerva, dok se kod monofaznih EVP to radi tako da se za nekoliko EVP drži rezervni transformator za slučaj potrebe. Također se pri proračunu EVP vodi računa o tome da u slučaju ispada iz pogona jedne čitave EVP, njezinu ulogu preuzimaju za izvjesno vrijeme dvije susjedne EVP produljivši krak napajanja, do otklanjanja kvara ili dovoza pokretne EVP na vagonima. Ovisi o važnosti pruge, veličini prometa i gledanju željezničke uprave da li će stupanj osiguranja biti veći ili manji za takve slučajeve.

25

3.4 Kontaktna mreža

Kontaktna mreža (KM) jeste stabilno postrojenje električne vuče namijenjeno za neprekidno i kvalitetno napajanje električnih vučnih vozila električnom energijom pri svim brzinama i u svim vremenskim uslovima. Veza KM s elektrovučnim podstanicama se ostvaruje napojnim vodovima. KM služi za dovod električne energije iz elektrovučne podstanice do električne lokomotive, a naziv je dobila po kontaktnom vodiču ili kliznoj žici. U ranijem periodu taj se dovod vršio s pomoću izolirane treće tračnice montirane duž kolosijeka, i to se zadržalo samo u podzemnih željeznica. Napon se u kontaktnu mrežu pomoću napojnog voda dovodi preko rastavljača. Zaštitu KM od prekostrujnih opterećenja vrše prekidači, a naponsku zaštitu odvodnici prenapona. Vizualno je vidljivo stanje rastavljača (uključeno napajanje ili isključeno napajanje), što je važno zbog sigurnosnih razloga. Kontaktna mreža se drži mehanički napetom zbog toga, jer kontakt vozila u vožnji uzrokuje oscilacije u kontaktnom vodiču. Te oscilacije mogu prouzročiti loš kontakt, iskrenje, i dovesti do trganja kontaktne mreže. 3.4.1 Sastav kontaktne mreže

Kontaktna mreža je zračni vod sastavljen od kontaktnog i nosivog užeta, postavljenih iznad željezničkih kolosijeka na određenoj visini na stupovima koji su pored pruge. Dio KM koji služi za vezu s lokomotivom se zove kontaktni vod. Presjek i profil kontaktnog vodiča nije u svijetu tipiziran, iako postoji nekoliko različitih standarda (slika 3.10).

Slika 3.10. Presjek bakrenog vodiča kontaktnog vodiča

Stupovi nose željezne konzole, natezače i držače s izolatorima i poligonacionim motkama na kojima su ovješeni bakreni vodiči. Električna lokomotiva oduzima struju pantografom iz KM, pretvara je motorima u mehanički rad i struja se vraća povratnim vodom preko tračnice u EVP. Postoje tri vrste kontaktne mreže prema načinu ovješenja i zatezanja: nekompenzirana, polukompenzirana i kompenzirana KM (slika 3.11).

26

Slika 3.11. Kontaktna mreža a) Nekompenzirana kontaktna mreža b) Polukompenzirana kontaktna mreža c) Kompenzirana kontaktna mreža

Od kontaktne mreže se postavlja zahtjev da je stalno što više paralelna s kolosijekom. Osnovni dužinski dio KM čini jedno zatezno polje ili zatezni razmak oko 1500 m. Vrlo se rijetko upotrebljava obično tramvajsko ovješenje, tj. samo kontaktni vodič. Kod elektrificirane pruge vozni vod se sastoji od bakrenog ili brončanog nosivog užeta, o koje je mehanički ovješena bakreni kontaktni vodič, po kojoj klizi pantograf. To je lančasta mreža jer je u stvari kao lančanica; ona nosi nosivo uže, a na vješaljkama joj visi vozni vod. Takva kontaktna mreža može se izvoditi kao: lagana, obična (slika 3.12) i složena.

Slika 3.12. Lagana kontaktna mreža

1 nosivo uže i 1 kontaktni vodič (25 kV, 50 Hz i 15 kV, 16 2/3 Hz) Obična kontaktna mreža 1 nosivo uže i 2 kontaktna vodiča (3000 V DC)

Lagana kontaktna mreža ima jedno nosivo uže i jedan kontaktni vodič kao kod 16 2/3Hz i 50 Hz;

obična KM ima jedno nosivo uže i dva kontaktna voda, kao istosmjerni sustav 3000 V; a složena

(slika 3.13) ima jedno nosivo uže i jedno pomoćno uže uz dva kontaktna voda, kao istosmjerni

sustav 1500 V.

27

Slika 3.13. Složena kontaktna mreža - 1 nosivo uže , 1 pomoćno uže i 2 kontaktna vodiča (1500 V DC)

Nekompenzirana kontaktna mreža je ona kod koje su čvrsto ukotvljeni nosivo uže i bakreni kontaktni vodič. Ta mreža služi za male brzine i kratke kolosijeke. Kod polukompenzirane KM nosivo je uže čvrsto ukotvljeno, dok je kontaktni vodič nategnuta utezima na oba kraja preko kolotura, odnosno automatskog zatezanja, silom od 750 kg, te se prema promjeni temperature ljeti širi, a zimi steže, da bi uvijek po mogućnosti zadržala što vodoravniji položaj s kolosijekom. Ta je mreža građena obično za brzine do 120 km/h. Za veće brzine montira se još y-vješaljka kod konzola (slika 3.14). Kompenzirana KM je ona kod koje se zajednički automatski zateže i nosivo uže i kontaktni vodič silom do 1000 kg. To je mreža za velike brzine do 160 km/h i više redovno, a po potrebi može biti i za oko 200 km/h. Na sredini svakog zateznog razmaka nalazi se čvrsta točka ovješenja gdje su čvrsto spojeni nosivo uže i kontaktni vodič. Kompenzacija KM računa se za temperaturu okoline od 20° C do +40° C. Prijenosni omjer zupčanika automatskog zatezanja je 1 : 4 ili 1 : 5 (slika 3.15).

Slika 3.14. Y-vješaljka uz konzolu Slika 3.15. Automatsko stezanje na stupu Da se izbjegne preveliko trošenje klizača pantografa na jednom mjestu i osigura pravilno oduzimanje struje izvodi se poligonacija kontaktne mreže. To se postiže tako da se vozni vod postavlja od stupa do stupa naizmjenično za oko 20 cm lijevo ili desno od osi kolosijeka. KM na pruzi može biti montirana na horizontalnoj konzoli (kao sustav 3000 V u Italiji i Hrvatskoj) ili na kosoj konzoli (kao 3 kV u nekim zemljama i monofazni sustavi 16 2/3 Hz i 50 Hz) (slika 3.16).

28

Slika 3.16. Ovješenje kontaktne mreže na stupu

KM može biti ovješena na pojedinačnim stupovima ili na stupovima tipa kišobran za više kolosijeka (kao 3 kV u Italiji i na HŽ), ili pak na krutim ili i gipkim portalima. Kruti portali nose rešetkastu gredu iznad nekoliko staničnih kolosijeka, dok su na gipkim portalima poprečno nad kolosijecima zategnute čelične žice ili užad, koji nose vozni vod. Kontaktni vodič je u upotrebi od 100 mm2 ili 150 mm2, s utorima za stezaljke. Stezaljke drže kontaktni vodič pomoću vješaljki ovješenih o nosivo uze (slika 3.17).

Slika 3.17. Tip vješaljki

Kontaktna mreža HŽ I. ima slijedeće karakteristike: a) Sustav 3000 V istosmjerne struje je polukompenzirana mreža, nosivo uže 120 mm2

i dva kontaktna vodiča od 100 mm2, a na teškim brdskim dijelovima pruge ima još vod pojačanja od 100 do 200 mm2 bakrenog vodiča (slika 3.18).

29

Slika 3.18. Ovješenja na stupu KM 3000 V DC (HŽ I.)

Stanično rješenje je kišobranskog oblika (slika 3.19). Visina KM iznad tračnice iznosi 5,35 m, a minimalno 4,95 m. Razmak između stupova iznosi do 60 m, ovisno o krivini pruge i brzini vjetra.

Slika 3.19. Ovješenja na staničnom stupu 3000 V DC (HŽ I.)

a) Sustav 25 kV 50 Hz ima kompenziranu mrežu, nosivo je uže brončano s presjekom od 65 mm2, a kontaktni vodič je bakrena žica s presjekom 100 mm2. Na otvorenoj pruzi su pojedinačni stupovi s kosom konzolom (slika 3.20), dok su na staničnim kolosijecima montirani pretežno kruti portali (slika 3.21). Visina KM iznad tračnice iznosi 5,50 m, a minimalno 5,05 m. Razmak između stupova iznosi do 65 m

30

d e

a

550

0 m

m14

00 m

m

2700 mm

1507 mm

b

nosivo uže

kontaktni vod

povratni vod

Slika 3.20. Ovješenje na stupu KM 25 kV, 50 Hz (HŽ I.)

Slika 3.21. Ovješenje na portalnom stupu KM 25 kV, 50 Hz (HŽ I.)

31

3.4.2 Povratni vod

Povratni vod čine tračnice i tlo i služi da se zatvori strujni krug za napajanje električnih vučnih vozila. On se sastoji od povratnog voda elektrovučnih podstanica i povratnog voda kontaktne mreže. Priključak povratnog voda EVP-a na povratni vod KM izvodi se kablovski. Povratni vod KM može da bude zračni (ima određene prednosti u pogledu utjecaja struje vuče na različite instalacije u zemlji) i tračnički (jedna i obje tračnice kolosijeka). Povratni vod treba imati što manju otpornost. Kod ugradnje tračnica nastoji se da se postigne dobar tok povratnih struja pogotovu kod istosmjernih sustava, spojevi tračnica se premošćuju varenjem tračnih vezica ili još bolje specijalnom grafitnom mašću ispod tračnih spojnica. Ako su na kolosijeku postavljene varene tračnice u duge trakove, to onda nije potrebno. Svaka željeznička stanica ima odvojenu KM od otvorene pruge i može je spajati ili odvajati preko rastavljača, za slučaj potrebe ili kvara. Također se mogu na isti način isključiti od napona pojedini istovarni kolosijeci u stanicama. Kod monofaznog sustava takva su mjesta s rastavljačima nazvana postrojenjima za sekcioniranje. Nedostaci tračničkog povratnog voda jesu stalno osiguravanje kontinuiteta povratnog voda i pojava lutajućih struja. Raspodjela struje kroz tračnice i zemlju ovisi o više faktora (broju povratnih tračnica, izolaciji tračnica, specifičnom otporu tla, udaljenosti vlaka od EVP-a), a principijelno je prikazana na slici 3.22.

Struja vuče

Struja kroz tračnice

Struja kroz zemlju

EVP

Napon tračnica prema zemlji

Struja vuče

Struja kroz tračnice

Struja kroz zemlju

Slika 3.22. Princip raspodjele struje i napona tračnica pri napajanju električne vuče

32

3.5 Elektrovu čna podstanica

Željezničke elektrovučne podstanice služe za to da napajaju kontaktnu mrežu električnom energijom određene struje i napona za pokretanje električnih vozila. Zato elektrovučne podstanice imaju zadatak da dobivenu električnu energiju iz elektroprivredne mreže ili iz vlastitih izvora prilagode električnoj vuči. One je obično transformiraju na traženi napon, pa je ili ispravljaju u istosmjernu struju, ili pretvaraju u drugu frekvenciju. U nastavku je opisan sustav napajanja i navedeni su uvjeti projektiranja i rada svih vrsta elektrovučnih podstanica. Ovdje se opisuje samo sastav i djelovanje elektrovučnih podstanica istosmjerne i izmjenične struje. Na slici 3.23. se nalazi pojednostavljena shema napajanja za istosmjernu i izmjeničnu vuču.

Slika 3.23. Shema napajanja za istosmjernu i izmjeničnu vuču

33

3.5.1 Elektrovu čne podstanice istosmjerne struje

U elektrovučnoj podstanici sustava istosmjernog napona ispravlja se izmjenična struja u istosmjernu. Za ispravljanje izmjenične struje ranije su se upotrebljavali generatori s motorom,, zatim se potpuno prešlo na živine ispravljače, a u najnovije vrijeme se pojavljuje u uporabi i silicijevi ispravljači. Kod ovog sustava EVP ne smiju biti suviše udaljene jedna od druge radi relativno niskog napona u kontaktnoj mreži (prosječno na 30 km) U proteklom razdoblju afirmirali su se tiristorski ispravljači i u električnoj vuči, na električnim lokomotivama i u elektrovučnim podstanicama. Počelo se najprije s germanijem, ali nije bilo dobrih rezultata za vuču, zbog ograničavajuće temperature, dok se nije našlo rješenje sa silicijskim ćelijama. Ta novija tehnika poluvodiča, koja se temelji na principima atomske strukture i specifičnosti elektrona atoma, revolucionirala je pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu i nasla široku primjenu u svim područjima industrijske elektrotehnike. Silicijska ćelija sastoji se od tanke silicijske pločice koja leži na molibdenskoj podlozi. U jednom smjeru propusta istosmjernu struju jer ima mali direktni otpor, dok u drugom ne radi zbog velikog inverznog otpora. Zauzima malo prostora, odmah ispravlja bez ikakvih paljenja ili pomoćnih anoda i ima najbolji stupanj korisnosti ispravljanja od svih dosadašnjih ispravljača, gotovo >99 %, a radi stabilno pri velikoj unutrašnjoj temperaturi do 190° C i okoline do 100° C. Veliki inverzni otpor čini da je inverzna struja mala i da struja naglo raste tek kod velikog maksimalno dozvoljenog inverznog napona. Za jednu silicijsku ispravljačku grupu uzima se više serijski paralelno vezanih ćelija. Može biti upotrijebljena Graetzova ili pusch-pull ispravljačka sprega. Zaštita silicijskih ispravljača bila je složena, ali je danas već vrlo jednostavna. 3.5.2 Elektrovu čne podstanice monofaznog sustava 16 2/3 Hz

Pri napajanju monofaznog sustava opisane su sve moguće vrste EVP, a ovdje je dat samo njihov sastav i shema. EVP s monofaznim transformatorom 110 kV/15 kV. To su obične transformatorske stanice. One su priključene preko dalekovoda na vlastite elektrane niže frekvencije, ili na pretvaračke stanice snižene frekvencije. Te pretvaračke stanice od 50 Hz na 16 2/3 Hz mogu biti rotirajuća ili statička grupa. Rotirajuća grupa može biti sastavljena od dva sinkronog stroja, jedan radi kao motor, a drugi kao generator ili od jednog velikog asinkronog trofaznog motora od 20 MW i na njega vezanog pomoćnog stroja Scherbius i jednog monofaznog sinkronog generatora od 20 MVA (slika 3.24). Više takvih pretvaračkih stanica izrađeno je u Švicarskoj, Austriji, Njemačkoj i Norveškoj. Statičke grupe nisu se jače proširile, jer su tehnički vrlo složene.

34

Slika 3.24. Monofazna EVP 16 2/3 Hz: pojedinačna okretna pretvaračka grupa (švedski tip) 3.5.3 Elektrovu čne podstanice monofaznog sustava 50 Hz 25 kV

Električne podstanice jednofaznog sustava 25 kV ~ 50 Hz, mogu biti smještene 40 do 60 km jedna od druge. Prosječeni je presjek vodiča 150 mm2. U sredini se nalazi izolirani neutralni vod koji odvaja dva područja napajanja. Kod jednofaznog sustava 25 kV 50 Hz se napajanje kontaktne mreže odvija jednostrano i to tako da svaka EVP napaja mrežu do polovice udaljenosti između dviju susjednih podstanica gdje postoje mjesta sekcioniranja s neutralnim vodom. Udaljenost među njima je od 40 do 60 km. Taj se neutralni vod koristi da se izbjegne premošćivanje područja dvaju električnih stanica, koje mogu biti priključene i na različite faze javnog elektroprivrednog sustava. Početak takve izolirane zone obilježava se crvenim znakom »L«, a na kraju se stavlja obrnuti crni znak »L«. Nekada se naređuje isključenje glavnoga prekidača lokomotive, i dopušta se vožnja sa samo jednim pantografom kako bi se izbjeglo spajanje odijeljenih zona preko pantografa. Osim toga, postoje i rastavljači koji omogućuju spajanje kontaktne mreže na drugu električnu stanicu, ukoliko jedna ispadne iz pogona. Također je moguće spajanje kontaktne mreže dvaju kolosijeka, no samo unutar istih područja napajanja. 3.5.4 Izgradnja elektrovu čne podstanice i daljinsko upravljanje

Elektrovučne podstanice grade se na otvorenom prostoru, u zgradama, a dijelom jedno i drugo. Njihovim postrojenjima može se upravljati na dva načina. Neke EVP-e su građene sa stalnom prisutnošću kvalificiranih rukovalaca koji nadziru, uključuju i isključuju uređaje, dok su druge bez stalne ljudske posade, jer se upravljanje vrši daljinskim putem iz udaljenog središnjeg mjesta. U ovom drugom slučaju mora biti izgrađen sustav za daljinsko upravljanje. Karakteristike elektrovučne stanice čija je jednopolna shema prikazana na slici 3.25. su:

- dvofazna veza na 110kV elektroenergetsko postrojenje, - 110 kV rasklopno postrojenje, - dva transformatora 110/25 kV, - zatvoreno rasklopno postrojenje 25 kV, - korištenje numeričkih releja za zaštitu, - nominalan snaga : 5500 kVA, - maksimalna snaga : 7500 kVA,

35

Slika 3.25. Elektrovučna podstanica 25 kV, 50 Hz (HŽ I.)

Ranije se primjenjivao isključivo sustav sa staničnom posadom i time ručno upravljanje svim uređajima. Da bi se uštedjelo na radnoj snazi pri rukovanju EVP, prišlo se daljinskom upravljanju. Pri novijim elektrifikacijama pruga jednosmjernim, a pogotovu monofaznim sustavom 50 Hz uvodi se daljinsko upravljanje. Središnje daljinsko upravljanje na komandnoj ploči ima centralno daljinsko mjesto ili komandu s reljefnim prikazom svih podstanica i postrojenja za sekcioniranje. U daljinsko upravljanje ubraja se: uključivanje i isključivanje osnovnih prekidača i rastavljača, mjerenje struje i napona, te signalna dojava čitavog stanja iz udaljenih mjesta duž pruge u centralnu daljinsku komandu. Za prijenos komandi i dojavnih signala služi telefonski kabel. Postoji više sustava prijenosa, kao npr. sustav rotirajućih birača i kodni sustav. Izvršavanje komandi i vraćanje signala na svakom mjestu ostvaruje se uz pomoć dodatnih uređaja u EVP-ima. Centralna komandna ploča nosi shematski prikaz svih postrojenja koja se kontroliraju i na njoj su ugrađene komandne sklopke. Komandna sklopka na ploči je obično tipa »zakreni - pritisni« s dva položaja: krilce u crti sheme pokazuje da je aparat uključen i krilce okomito na shemu pokazuje da je aparat isključen. Signalne svjetiljke na ploči obično su u spoju tamne sheme, što znači da ne svijetle kada je aparat u redovnom položaju, dok se pale pri mijenjanju položaja aparata ili pri nenormalnoj pojavi, kao što je kvar ili nestanak napona. Telekomanda ili daljinsko upravljanje elektrovučnim podstanicama i postrojenjima za sekcioniranje kontaktne mreže primjenjuje se na svim prugama hrvatskih željeznica s monofaznim sustavom. Centralno daljinsko upravljanje bit ce smješteno u Zagrebu i Vinkovcima.

36

3.6 Utjecaji i otklanjanje smetnji elektrificiranih željeznica

Elektrifikacija željeznica svojim djelovanjem elektrovučnih podstanica i vučnog kruga kontaktne mreže djelomično nepovoljno utječe na postrojenja koja su vezana s elektrifikacijom ili se nalaze pored elektrificiranih pruga. Ti utjecaji i smetnje mogu se odgovarajućim mjerama potpuno ukloniti ili smanjiti na dozvoljenu veličinu.

Utjecaji i smetnje elektrificiranih pruga mogu biti: - nesimetrično opterećenje EVP-a monofaznog sustava 50 Hz na primarnu

elektroprivrednu mrežu; - korozija metalnih cijevi zbog lutajućih struja istosmjerne vuče; - utjecaji, smetnje i opasnosti elektrificiranih pruga na telefonske vodove; - utjecaji na željeznička signalna postrojenja.

3.6.1 Utjecaj nesimetri čnog optere ćenja podstanica na primarnu mrežu

a) Istosmjerni sustav

Istosmjerne podstanice su priključene trofazno na elektroprivrednu mrežu. Kada je ova dovoljno jaka, kao što je to u zemljama gdje se elektrificiraju željeznice, nema nikakvih posljedica za primarnu mrežu. Iznimka može nastati kod višeanodnih živinih ispravljača veoma velikih snaga da se pojavljuju harmonički članovi koji se prenose na primarnu mrežu, ali se i to poništava priključivanjem transformatora naizmjenično po EVP-ima u zvijezdu ili u trokut (slučaj Paris — Lyon).

b) Monofazni sustav Nesimetrično opterećenje primarne mreže pojavljuje se kod monofaznog sustava 50 Hz. Proizvodnja, prijenos i distribucija je pretežno uravnoteženi trofazni sustav. Monofazna vuča stvara nesimetrično opterećenje primarne mreže: strujnu nesimetriju, jer su dvije faze na koje je priključen krug vuče jače opterećene od treće faze, i naponsku nesimetriju, jer je pad napona veći u dvjema opterećenim fazama. Tako trofazni sustav postaje nesimetričan. Što to znači, kakve su posljedice i da li se one mogu otkloniti? Koliko su god monofazne podstanice 50 Hz jednostavne, jer se priključuju izravno na elektroprivrednu mrežu, toliko treba paziti da ne stvaraju poteškoće toj istoj mreži, kao jednofazni potrošači između dvije faze. Nesimetrično opterećenje stvara strujnu i naponsku nesimetriju u trofaznom sustavu i ima za posljedicu utjecaj strujne nesimetrije na generatore i naponske nesimetrije na elektromotorne pogone i električnu rasvjetu. Nesimetrični trofazni sustav kod vuče može se promatrati metodom simetričnih komponenata kao jedan direktni sustav od tri jednaka vektora, pomaknuta za 120° u smjeru R - S - T, i drugi inverzni sustav od tri druga jednaka vektora, pomaknuta za 120° ali suprotnim smjerom R - T - S. Što su veći inverzni naponi, veća je i naponska nesimetrija, te se ona smanjuje udaljavanjem od mjesta nastanka i približavanjem generatorima u elektrani. Inverzno polje se okreće dvostruko brže od sinkrone brzine rotora i u metalnim masama rotora inducira vrtložne struje dvostruke učestalosti, koje stvaraju gubitke. Generatori hidroelektrana to lako podnose i mogu napajati nesimetrično opterećenje bez nedozvoljenog zagrijavanja, dok je to teže kod turbogeneratora. Iznos strujne nesimetrije kod suvremenih turbogeneratora dozvoljen je na oko 10 % nominalne snage za trajno nesimetrično jednofazno opterećenje (8 % u Francuskoj i 12,5 % u Njemačkoj). Električna vuča stvara jednofazna opterećenja u trofaznoj mreži koja su znatno niza od te granice i stoga nema poteškoća. Faktor strujne nesimetrije je:

37

genn

li I

Ik

.

= (3.1)

Posljedica naponske nesimetrije može biti slabljenje trajnosti i kvalitete žarulja i rasvjete, bilo zbog povećanog ili sniženog napona. Još se više to izražava kod asinkronih motora, gdje okretno inverzno polje povećava zagrijavanje motora i time skraćuje vijek trajanja motora. U razvodnim mrežama dozvoljava se nesimetrija od 5%, ali se ipak preporučuje da ne prijeđe 2 – 3 %. Koeficijent naponske nesimetrije može se iskazati odnosom inverznog i direktnog napona, odnosno inverzne impedancije i zbroja inverzne impedancije i impedancije jednofaznog opterećenja:

mi

i

d

le ZZ

Z

U

Uk

+== (3.2)

što pokazuje da je koeficijent nesimetrije malen u slučaju jake trofazne mreže, odnosno male inverzne impedancije, i da je inverzna impedancija tim manja što je dalje od mjesta jednofaznog opterećenja, a bliže elektrani. Još se lakše može koeficijent nesimetrije prikazati iz odnosa veličine jednofaznog opterećenja i snage trofaznog kratkog spoja primarne mreže:

%32100 −≤⋅=k

m

P

Pk (3.3)

što pokazuje da je nesimetrija tim manja što je snaga kratkog spoja mreže veća. Treba voditi računa o tome da je elektroprivredna mreža jaka i da se elektrovučne podstanice priključuju na tim mjestima gdje je snaga kratkog spoja velika. Može se reci da su europske elektroprivredne mreže već toliko dovoljno jake da uz snagu transformatora EVP od 10 MVA i snagu kratkog spoja mreže kod EVP od 1.000 do 2.000 MVA nesimetrija iznosi samo 1 odnosno 0,5%, što je slučaj i kod nas. Uklanjanje ili ublažavanje nesimetrije danas se uglavnom vrši na dva načina, ukoliko je to potrebno nakon računskih provjera: - napajanjem elektrovučnih podstanica naizmjenično s različitih faza trofazne mreže, ako

je mreža jača, tako da se jednofazno opterećenje raspodjeljuje prilično ujednačeno između faza;

- upotrebom Scottovih transformatora u onim EVP-ima, gdje su jednofazna opterećenja približno jednaka i snaga kratkog spoja mreže je mala.

Kod dovoljno velikih elektroprivrednih mreža i pri njihovim velikim snagama kratkog spoja nisu potrebne nikakve mjere, jer je nesimetrija ispod dozvoljenog, i transformatori po EVP-ima mogu se vezati čak između iste dvije faze takve trofazne mreže, kako bi bio moguć eventualni paralelni rad između EVP-a.

3.6.2 Utjecaj lutaju ćih struja elektri čne vuče na podzemne metalne cijevi i kabele te zaštita protiv korozije

a) Lutajuće struje i zaštita od korozije kod istosmjerne vuče

Poznato je da je korozija metala velik i značajan tehnički problem današnjice. Osim kemijske i elektrokemijske korozije metala u zemlji i izvan nje, zbog galvanskih razlika

38

napona između metalnih predmeta i zemljišta, kod istosmjerne električne vuče pojavljuje se korozija metalnih cijevi i kabela zbog lutajućih struja istosmjerne vuče, jer dolazi do djelovanja elektrolize istosmjerne struje. Tračnice i cijevi ili kebeli su elektrode, a kao elektrolit je vlažna i agresivna zemlja. Strujni krug elektrovuče zatvara se od ispravljača preko kontaktne mreže, vozila i povratnog dijela kroz tračnice do uzemljenja točke sekundara transformatora. Struja koja se vraća kroz povratni vod u podstanicu ne prolazi nikada potpuno kroz tračnice, već jedan dio povratne struje, čak i do 40 i 60 %, dolazi najkraćim putem do EVP kroz zemlju kao takozvane lutajuće struje, koristeći pri tome metalne cijevi vodovoda i plina, energetske i telekomunikacijske kablove. Uz to lutajuće struje vrše koroziju cijevi i kablova naročito na mjestima gdje iz tih instalacija izlazi struja, posebno u blizini EVP. Iznimku čine aluminijski omotači ili legure aluminija kojega struje pri koroziji nagrizaju jednako i pri ulazu i izlazu struje, bilo istosmjerne ili izmjenične. Korozija metala javlja se kao nagrižena površina nagriženog metala. Količina korodiranog metala M (kg) razmjerna je veličini struje, vremenskom trajanju i specifičnom elektrokemijskom ekvivalentu metala B (kg/As).

( ) ( ) ( )sAAs

kgBItkgM ⋅⋅

⋅= 3600 (3.4)

Kako je taj ekvivalent kod olova za oko 3,7 puta veći od željeza, a željeza za oko 3 puta veći od aluminija, to je razumljivo da je koroziji najviše izloženo olovo, dok je za oko tri puta manje željezo, bakar, kalaj i preko deset puta manje aluminij. Postoje preporuke međunarodnog telekomunikacijskog komiteta (CCI) za zaštitu podzemnih kabela od korozije lutajućih struja kod električne vuče. Zaštitne metode od lutajućih struja mogu se svesti na dva oblika: - mjere i sredstva za smanjivanje nastajanja lutajućih struja istosmjerne vuče i - sredstva aktivne i pasivne zaštite podzemnih kabela od strujne korozije.

Mjere i sredstva za smanjivanje lutajućih struja istosmjerne vuče sastoje se u tome da se smanje povratne struje, koje bježe iz tračnice kao lutajuće struje. To se nepotpuno postiže povećanjem otpora između tračnica i zemlje, tj. dobrim pragovima i čistim šljunčanim zastorom i povećanjem provodljivosti tračnica povratnog voda, to jest varenjem tračničkih vezica na sastavima tračnica, ili još bolje premazom grafitne masti ispod tračničkih pločica ili pak izravnim varenjem tračnica u duge kolosiječne trakove na suvremenom kolosijeku. Za rasprostiranje lutajućih struja mjerodavan je specifični otpor zemlje i prema iskustvu zemlja sa preko 2500 Ω/cm nije korozivna, od 2500 do 2000 je slabo, od 2000 do 1000 je korozivna i od 1000 Ω/cm na manje je jako korozivna. Potpuno izoliranje tračnica od zemlje gotovo nije moguće postići. Pri tome se praktički primjenjuju sustavi od krajnje izolacije kolosijeka prema zemlji i bez spajanja sa stupovima kontaktne mreže i drugim metalnim konstrukcijama, do spajanja stupova s tračnicama, bilo preko probojnog osigurača radi osiguranja kod struje kratkog spoja, bilo izravnim spajanjem stupa s tračnicama, kada je sve zajedno uzemljeno, osigurano i zaštićeno. Stupovi se uzemljuju, svaki posebno ili povezani preko zaštitnog užeta. Pasivna sredstva za smanjenje utjecaja lutajućih struja jesu razna zaštitna sredstva, kao: izolirani prstenovi, betonske cijevi, premazi i slično, koja štite kablove i metalne cijevi koliko je to moguće. To se postiže upotrebom izolacionih prstenova na vodovodnim cijevima i telekomunikacijskim kabelskim omotačima, polaganjem kabela ili metalnih cijevi u kanale ili cijevi od betona, odnosno impregniranog azbestnog cementa; primjenom omotača od asfalta, gume, papira ili jute impregniranog asfaltom, parafinom i slično.

39

Najbolje je pak rješenje zaštita kabela od korozije upotrebom vanjskog omotača od gume ili od plastičnog zaštitnog sloja, tako da se uz nova postrojenja na elektrificiranim prugama ili u njihovoj blizini pri prijelazu pruga ugrađuju isključivo kabeli s polivinilskim plastom. Sredstvo aktivne zaštite od korozije je električna zaštita, koja se sastoji u tome da se vodovi plina, nafte, vodovodnih i drugih cijevi postave na negativan potencijal u odnosu na zemlju. Kako su i tračnice vuče na negativnom potencijalu, to se instalacije neposredno štite, jer ne preuzimaju lutajuće struje iz tračnica. Vrste električne zaštite cijevi protiv korozije:

1. Električna drenaža — sastoji se u tome da se cijevi izravno spajaju na tračnicu metalnim vezom ili užetom ondje gdje je tračnica najviše negativna, a to je u načelu nedaleko od elektrovučne podstanice. Time se lutajućim strujama, koje su ušle u cijevi, omogućuje da se vrate u EVP metalnim putem i tako spriječi korozija cijevi. Uvjet je da tračnica bude uvijek negativna.

2. Katodna zaštita — sastoji se u tome da se iz nekog pomoćnog izvora istosmjerne struje (dinamo, ispravljač ili elektrokemijski učinak od elektroda različitih metala zakopanih u zemlji) spoji negativni pol s cijevima, dok je pozitivni pol spojen na odvojenu metalnu masu ukopanu u zemlju i udaljenu od cijevi (slika 3.26). Taj uzemljeni metal je kao pozitivni pol i odnosi se kao anoda iz koje izlazi struja te korodira taj uzemljeni metal, a ne cijevi. Ova se zaštita zove katodnom, zato što su cijevi poput katode na negativnom potencijalu prema okolnoj zemlji i zaštićene su od korozije.

Slika 3.26. Katodna zaštita 3. Električno »prespajanje« je istovremeno katodna i drenažna zaštita, jer je pomoćni

izvor istosmjerne struje spojen izravno između štićenih cijevi i tračnica. Katodna je zaštita po tome što je anoda zapravo kolosiječna mreža tračnica, a električna drenaža je prisilna.

Najučinkovitija aktivna zaštita je katodna zaštita.

b) Povratni vod izmjenične vuče

Povratni vod kod izmjenične vuče čine tračnice i zemlja zajedno (slika 3.27). Tračnice preuzimaju više struje u blizini EVP i u blizini električne lokomotive na pruzi, dok već oko 10 km od EVP i dalje teče više struje kroz zemlju. Ako su usporedo podzemni kabeli ili

40

cijevi, oni mogu preuzeti vrlo malo struje vuče, obično ne više od 2 do 4 %, odnosno samo nekoliko desetina ampera. Kako se radi o izmjeničnoj struji elektrovuče, to praktično nema ni djelovanja korozije metalnih cijevi u zemlji.

Ivv

Slika 3.27. Povratni put struje monofazne vuče

3.6.3 Utjecaj elektri čne vuče na telekomunikacijske kabele

Elektrificirane pruge i električna vuča utječu na obližnje telekomunikacijske linije i kablove. Razmatranje tih utjecaja je različito s obzirom na dva stanja elektrovuče, i to: u režimu redovne eksploatacije vuče i pri nastanku kratkog spoja. Naime, valja razlikovati uzroke utjecaja elektrovuče na telekomunikacijske vodove od posljedica tih utjecaja. Uzroci koji utječu na stvaranje tih pojava su elektrostatičko djelovanje na telekomunikacijske vodove koje nastaje od napona kontaktne mreže i elektromagnetska indukcija na telekomunikacijske vodove koja nastaje od struje u kontaktnom vodu, točnije od magnetskog polja promjenljive veličine struje. Promjene struje mogu nastati zbog naizmjeničnog oblika jakosti struje, kao što je to kod monofazne vuče i kod harmoničnih članova kod ispravljene istosmjerne struje, ili pak zbog naglih promjena jakosti struje u slučaju kratkog spoja na kontaktnom vodu kod istosmjerne i monofazne vuče. Električni utjecaj je elektrostatička pojava, nastala djelovanjem električnog polja od napona u kontaktnom vodu na zračnu telefonsku liniju. Struja i frekvencija tu ne igraju nikakvu ulogu. Električni utjecaj može se izraziti formulom:

2

1

C

CUV = (3.5)

gdje je: C1 - kapacitet između kontaktne mreže i telefonske linije, C2 - kapacitet između telefonske linije i zemlje s napomenom da je C1 vrlo malen prema C2 (slika 3.28).

41

Slika 3.28. Električni utjecaj K.M. na zračne telekomunikacijske vodove

Slika 3.29. Rad signalnog pružnog odsjeka

Elektromagnetski utjecaj je induktivna pojava, nastala djelovanjem elektromagnetskog polja struje, njene promjenljivosti i jakosti i frekvencije u kontaktnom vodu na obližnje telekomunikacijske linije i kabele. Napon kontaktne mreže ne igra tu naprotiv nikakvu ulogu. Inducirana elektromotorna sila pojavljuje se po dužini između »vodiča telefonske linije i zemlje« i proporcionalna je frekvenciji kruga vuče, koeficijentu korekcije, koeficijentu međuindukcije, duljini paralelnog vođenja linija uz kontaktnu mrežu i jakosti struje u KM što je izraženo u formuli:

)(2 VfkMlIe π= (3.6)

ili

)//(2 kmAVfkMe π= (3.7)

Posljedice tih uzroka na telekomunikacijske vodove su: − opasnost po ljudstvo i instalacije, − smetnje zbog parazitnih šumova.

Naime, postoji mogućnost oštećenja linija i instalacija, kao i mogućnost akustičnog i električnog udara na osoblje koje rukuje i na korisnike. Utjecaji od električne vuče na telekomunikacijske vodove se razlikuju kako kod istosmjerne od izmjenične struje, tako i kod zračnih linija od onih na kablove. Ovi utjecaji mnogo su jači na zračne telekomunikacijske vodove nego na kabele, a također su znatno teži kod monofazne vuče nego kod istosmjerne. To je zato što je električni, odnosno elektrostatički utjecaj veći kod viših napona električne vuče, a utjecaj elektromagnetske indukcije također jači zbog izmjenične struje u normalnom pogonu vuče kao i velikih struja u slučaju kratkog spoja na kontaktnom vodu. Prema tome je od svih

42

sustava elektrifikacije željezničke vuče i utjecaj na telekomunikacijske vodove kod monofaznog sustava 25 kV 50 Hz najveći. On je veći nego je kod sustava 15 kV 16 2/3 Hz zbog višeg napona i frekvencije. Navodimo kratke karakteristike elektrostatičkog, odnosno električnog i elektromagnetskog djelovanja na zračne linije i kablove.

3.6.3.1 Utjecaj elektri čne vu če na zračne linije

1. Kod istosmjerne struje: a) zbog električnog djelovanja napona kontaktne mreže javlja se opasnost, a zbog

dodatnog napona od viših harmoničnih članova javljaju se smetnje; b) od elektromagnetskog djelovanja javljaju se smetnje kod redovnog rada vuče, ako

nije dovoljno ispravljena istosmjerna struja i ako nosi harmoničke članove. Zbog toga se ugradnju električni rezonantni filtri uz ispravljačke grupe. Ti filtri mogu biti periodski i aperiodski.

c) u slučaju kratkog spoja zbog elektromagnetske indukcije javljaju se opasnosti.

2. Kod jednofazne struje: a) zbog električnog djelovanja napona kontaktne mreže javlja se opasnost, a i smetnje

zbog različitih djelovanja na dva vodica telefonskih linija i stvaranja parazitske struje,

b) kod redovne vuče zbog elektromagnetske indukcije javljaju se opasnosti i smetnje, c) u slučaju kratkog spoja na kontaktnoj mreži na-staje opasnost zbog

elektromagnetske indukcije.

3.6.3.2 Utjecaji na podzemne kabele

Ti su utjecaji manji, jer nema utjecaja od elektrostatičkog djelovanja, već samo od elektromagnetske indukcije, i to mnogo manje, pa ova stvara manje opasnosti i smetnji, i kod istosmjerne i kod monofazne vuče. U daljnjem izlaganju navodimo kako se mijenja električki i induktivni utjecaj, ovisno o nekim parametrima, zatim do koje su granice dopuštene opasnosti i smetnje, kako se one uklanjaju i što se time postiže, sve to za monofazni i istosmjerni sustav električne vuče. Slijede norme ograničenja za opasnosti i smetnje na telekomunikacijskim vodovima.

1. Opasnost na zračnim linijama: a) akustični udar može nastati kada se nabiju telekomunikacijske linije naponom

iznad 300 V, koliko je ograničeno za osigurače i prenaponske odvodnike telefonskih linija; zato se dozvoljava da elektrostatički utjecaj moče biti do 300 V;

b) opasnost na telekomunikacijskoj liniji nastupa ako se inducira trajno podužna EMS veća od 60 V ili iznad 150 V, kod specijalno građenih linija s umetnutim translatorima, a da u režimu kratkog spoja inducirana EMS bude veća od 430V.

2. Opasnost na kablovskim linijama:

Nema gotovo nikakve opasnosti od električnog utjecaja, ali postoji opasnost uništenja kabla pod djelovanjem magnetskog polja, u normalnom radu i pri kratkom spoju kod monofazne vuče, a kod istosmjerne vuče samo u slučaju kratkog spoja. Propisano je da maksimalno dozvoljena vrijednost inducirane EMS na vodice kabla ne bude visa od 60%> u odnosu na najniži ispitni napon dielektrične čvrstoće prema omotaču.

43

3. Smetnje na zračnim linijama: Smetnje koje se pojavljuju u obliku parazitskih šumova označavaju se s pomoću psofometričke elektromotorne sile, koju bi proizveo generator učestalosti 800 Hz. Dozvoljena granica psofometričke EMS određena je na 5 mV za zračne vodove, mjereno na kraju.

4. Smetnje na kablovskim vodovima:

Ove smetnje nastaju samo od elektromagnetskog utjecaja na kablove, a dozvoljena granica psofometričke EMS ne smije prijeći 2 mV. Mjere koje se provode u praksi da se smanje ili potpuno uklone utjecaji smetnji i opasnosti električne vuče na telekomunikacijske zračne linije i kabele navodimo ukratko za istosmjerni i izmjenični sustav elektrificiranih pruga su navedene u nastavku.

1. Mjere kod elektrifikacije istosmjernom strujom a) Da se zaštite zračni telekomunikacijski vodovi od opasnosti elektromagnetskog

utjecaja, čak i u slučaju kratkog spoja na kontaktnoj mreži, dovoljno je da se telekomunikacijski strujni krugovi snabdiju osiguračima i odvodnicima prenapona za 300 V, kako je to i inače propisano. Praksa pokazuje da je to dovoljno.

b) Da se spriječe smetnje parazitskih šumova kontaktne mreže na telekomunikacijske vodove, koji potječu od živinih ispravljača podstanica istosmjerne struje, obavezno se u EVP ugrađuju prigušnice i električni rezonantni filtri. Prigušnica ublažuje valovitost ispravljene struje vuče. Električni rezonantni filtar, koji se sastoji od nekoliko kapaciteta i induktiviteta, ima ulogu da priječi, zbog valovitosti ispravljenog napona, pojavu viših harmoničnih članova u kontaktnoj mreži od 300, 600, 900 i 1200 Hz kao množitelj osnovne frekvencije od 50 Hz. Tako štiti da ne dođe do štetnog stvaranja odgovarajućih napona i struje viših članova u kontaktnoj mreži, pa prema tome ni do utjecaja indukcijom na telefonske vodove. Rezonantni filtri mogu biti periodski, tj. udešeni točno na određenu osnovnu frekvenciju i aperiodski, tj. udešeni točno na uži pojas osnovne frekvencije, zbog čega je ovaj drugi povoljniji.

Uz navedene mjere mogu se ostaviti zračne linije duž pruga elektrificiranih istosmjernim sustavom, ali se ipak većinom uz elektrifikaciju vrši i modernizacija telekomunikacija, pa se vodovi postavljaju u kablove, što je svakako bolje tehničko rješenje.

2. Mjere kod elektrifikacije monofaznim sustavom a) Zračni vodovi telekomunikacijskih linija kod monofaznog sustava 25 kV 50 Hz

moraju biti razmješteni zbog elektrostatičkog djelovanja na udaljenost 50 m od KM, kako napon dobiven tim putem ne bi prešao 300 V. Na taj se način ne prelazi psofometrička EMS od 5 m V. Međutim, zbog induktivnog elektromagnetskog djelovanja struje kontaktne mreže ti se zračni vodovi moraju izmjestiti na udaljenost od nekoliko stotina metara (preko 300 m) od KM, ili telefonska linija porazdijeliti na dionice od 6 km, kako bi se ostalo u granicama dozvoljene inducirane EMS od 60 V u normalnom radu elektrovuče, odnosno 430 V za slučaj kratkog spoja. Psofometrička EMS ostaje u granicama od 5 mV. Kako je i jedno i drugo često vezano s teškoćama i troškovima obaveznog izmicanja telefonskih linija na manju ili veću udaljenost, tj. oko 50 m ili iznad nekoliko stotina metara od KM, to se obično kod monofaznog sustava kabliraju telefonski vodovi.

44

b) Kablirani telefonski vodovi duž elektrificiranih pruga monofaznim sustavom nemaju više elektrostatičkog djelovanja napona KM, uslijed ukopanosti u zemlju i metalnog plasta kabla, i time se znatno smanjuje utjecaj zbog induciranog elektromagnetskog djelovanja struje vuče. Što se tiče uklanjanja smetnje od šumova to je također potpuno postignuto, jer je vrijednost psofometričke sile u kabelima znatno niža od dozvoljenog iznosa od 2 mV za kablove, čak ako voze i električne lokomotive s ispravljačima (koji uzrokuju harmoničke članove u KM, a ovi utječu na govornu frekvenciju). U borbi za smanjenje djelovanja EMS magnetske indukcije u kablovima primjenjuje se u praksi to da se telekomunikacijski kablovski vodovi dijele na dionice od oko 15 km upotrebom translatora. Tim se postiže da se ne prijeđe propisana vrijednost od 420 V što je 60 % od 700 V probojnog napona između vodiča telefonskih kabela i prema masi i 1200 V, što je 60 % od dozvoljenih 2000 V između nekog vodica i obloge kabela. Tada je kabel zaštićen za normalan rad vuče, kao i za slučaj kratkog spoja, ako se pretpostavi da je nominalna struja vuče monofaznog sustava oko 400 A do 600 A., a struja kratkog spoja oko 2000 A. Utjecaji kod monofaznog sustava 16 2/3 Hz u praksi su za oko polovinu manji nego što je to kod monofaznog sustava 50 Hz.

3.6.4 Prilago đavanje signalnih postrojenja na elektrificiranim prugama

Na elektrificiranim prugama mora se uskladiti sustav električnih signalnih postrojenja, tj. automatskog pružnog bloka sa sustavom električne vuče. Treba u tračnicama osigurati usporedo postojanje struje signalizacije i struje vuče. Kad pruga ima mehaničke signale, to ne dolazi u obzir. Poznato je da tračnice služe kao povratni vod za struju vuče. Ovdje je još potrebno objasniti kako se i zašto upotrebljavaju tračnice za signalizaciju. Poznato je da je kod primjene automatskog pružnog bloka pruga podijeljena na izolirane odsjeke od 1 do 2 km, na takozvane signalne prostorne razmake. Na svaki takav izolirani odsjek dviju tračnica priključen je izvor struje, primjerice iz baterije, i na drugom kraju kolosiječni pružni relej (slika 3.30).

Slika 3.30. Rad signalnog pružnog odsjeka

Uobičajeno je da izvor napaja pružni relej preko obiju tračnica i on je pod naponom, te pokazuje slobodno stanje. Čim se tračnice premoste osovinom lokomotive ili vagona, dolazi do premoštenja strujnog kruga, pružni relej ostaje bez napona i signal automatski pokazuje zauzetost pruge. Za izolirane odsjeke na željezničkim prugama koriste se obje tračnice, negdje samo jedna, jer je i jedna dovoljno za uzastopne izolirane odsjeke. Kraće se to naziva dvokolosiječna i jednokolosiječna izolacija. Izolirani odsjeci s dvije tračnice imaju prednost, jer se automatski može kontrolirati pucanje jedne ili druge tračnice, i ujedno kontrolirati prisutnost vlakova. Uvjeti koji se postavljaju na signalne uređaje kod elektrificiranih pruga su dvojaki:

45

a) Za signalna postrojenja mora se primijeniti druga vrst struje od struje vuče, a to znači:

− kod istosmjerne vuče treba za signalizaciju koristiti izmjeničnu struju; − kod monofazne vuče treba primijeniti istosmjernu struju ili izmjeničnu

struju druge učestalosti nego što je frekvencija struje vuče. b) Osigurati put povratnoj struji vuče i pored primjene izoliranih sastava na

tračnicama kod signalnih izoliranih prostornih razmaka.

U slušaju kada se koristi jedna tračnica za izolirane odsjeke signalizacije, a druga za povratnu struju električne vuče nema posebnih problema. Jednotračna izolacija signalno sigurnosnih uređaja može se primijeniti i kod istosmjerne struje vuče, ako je dovoljna samo jedna tračnica za povratnu struju vuče, i kod monofazne vuče, ako se primijeni istosmjerna struja za napajanje izoliranih odsjeka signalizacije. U drugom slučaju kada se istodobno koriste obje tračnice i za izolirane signalne odsjeke i za povratnu struju vuče, onda se za napajanje signalnih odsjeka koristi samo izmjenična struja, a na izoliranim sastavima među tračnicama upotrebljavaju se induktivne prigušnice (slika 3.31). Dvotračna izolacija se primjenjuje kod istosmjerne vuče kada jedna tračnica nije dovoljna za povratne struje ili se izričito žele imati obje tračnice izolirane za signalizaciju, i kod monofazne vuče kada je za izolirane odsjeke primijenjena izmjenična struja posebne frekvencije (npr. 83,3 Hz ili slično). Dok se izmjenična struja signalizacije zatvara u svakom prostornom signalnom razmaku od izvora napajanja putem tračničkog kruga dviju tračnica i pružnog relej, ali ne prelazi međuprigušnicu kod izoliranih sastava tračnica, zbog velikog induktivnog otpora, dotle povratna struja vuče, teče paralelno objema tračnicama u istom pravcu i protječe preko i između sredine dvaju induktivnih svitaka međutračnične prigušnice. Naime, istosmjerna struja vuče prolazi lako induktivne svitke, a izmjenična struja vuče u ovom slušaju također, jer u polusvicima svitaka teku monofazne struje suprotnog smjera i ne stvaraju promjenljiv magnetski tok, te gotovo kao da protječe istosmjerna struja.

Slika 3.31. Upotreba induktivnih međuprigušivača (kada električna vuča koristi obe tračnice)

Za napajanje izoliranih pružnih odsjeka za signalizaciju primjenjuje se izmjenična struja 50 Hz kod elektrificiranih pruga istosmjernim sustavom, a kod elektrificiranih pruga monofaznim sustavom kod jednokolosiječne izolacije istosmjerna struja (slika 3.32) i kod dvokolosiječne izolacije izmjenična struja različite frekvencije od monofazne vuče, npr. 83,3 Hz, da se izbjegne 50 Hz i njezini članovi 100 i 150 Hz ili pak izmjenična struja glazbenih frekvencija (npr. kombinacija 300 i 850 Hz) (slika 3.33).

46

Slika 3.32. Monofazna vuča. Jednotračna izolacija (napajanje istosmjernom strujom)

Slika 3.33. Monofazna vuča. Dvotračna izolacija (napajanje istosmjernom strujom)

U novije vrijeme počinju se upotrebljavati brojači osovina umjesto izoliranih tračničkih odsjeka, kako na velikim ranžirnim stanicama tako i na elektrificiranim prugama. U ovom drugom slučaju mogu se obje tračnice koristiti slobodno za povratni vod vuče. Brojači osovina ne trebaju nikakve prigušnice medu kolosijecima, niti izolirane sastave. Princip rada brojača osovina je da na određenoj pružnoj dionici, po volji dugačkoj, kontroliraju elektronskim putem ulaz i izlaz broja osovina nekog vlaka, i ako se to slaže, znači da je kolosiječni put slobodan što se prenosi na signal.

3.6.4.1 Sučeljavanje dvaju sustava elektrificiranih pruga

Sučeljavanje sustava elektrificiranih pruga nazivamo ono mjesto gdje se stječu dva različita sustava. To može biti na pograničnim stanicama, ako pojedine željezničke uprave imaju različite sustave elektrifikacije, ili unutar željezničke mreže, ako postoje dva sustava elektrifikacije. Na to je utjecao povijesni razvoj pojedinih sustava elektrifikacije. Kako je koji vremenski nastajao, tako se i usvajao u pojedinim državama. Zemlje srednje Europe i Skandinavije: Švicarska, Austrija, Njemačka, Švedska i Norveška imaju monofazni sustav snižene frekvencije 16 2/3 Hz, a željezničke uprave zapadne i istočne Europe imale su ranije samo sustav istosmjerne struje 1,5 kV ili 3 kV, dok neke od njih nisu prihvatile u poslijeratnom razvoju još i novi monofazni sustav industrijske frekvencije 25 kV 50 Hz, kao što su učinile Francuska, Sovjetski Savez, Portugal, Engleska, Jugoslavija i Čehoslovačka. Na taj način vezanjem elektrifikacije između pojedinih zemalja, kao i širenjem dvaju sustava elektrifikacije unutar pojedinih zemalja, nastali su problemi i rješenja sučeljavanja dvaju sustava za električnu vuču. Korist elektrifikacije i izbor drugog boljeg i ekonomičnijeg sustava elektrifikacije pruga neusporedivo je veća od nastanka, postojanja i rješenja mjesta sučeljavanja.

47

Zanimljivo je ovdje naglasiti zašto su neke zemlje usvojile, uz postojeći, i drugi noviji monofazni sustav elektrifikacije 25 kV 50 Hz, budući da je njegovo uvođenje dovelo do povećanja mjesta sučeljavanja. Željezničke uprave koje su imale monofazni sustav snižene frekvencije već manje ili više uveden ostale su pri tom sustavu, i to ekonomski, jer nisu nalazile velike razlike u usporedbi dvaju monofaznih sustava 16 2/3 Hz i 50 Hz, dok su tehnički već uspjele konstruirati izravne monofazne vučne elektromotore snižene frekvencije na zavidnoj visini, za prilično jednostavne elektrolokomotive s transformatorom i vučnim motorima. Rješenje kontaktne mreže, podstanica i udaljenosti medu njima slična su kod obaju monofaznih sustava, ali ne bitno u korist novog, iako su podstanice 50 Hz jednostavnije. Međutim, neke željezničke uprave s istosmjernim sustavom 1,5 kV ili 3 kV uvele su novi monofazni sustav 25 kV 50 Hz za daljnju elektrifikaciju svih pruga ili pojedinih oblasti. Tako je Francuska usvojila novi monofazni sustav 50 Hz za sjeveroistočni dio države i na jugu od Marseillea do Ventimille, Sovjetski Savez uglavnom za Transsibirsku magistralu i priključke, Englezi na sjever od Londona i u Jugoslaviji istočno od Dobove i Zagreba. Razlozi su za to tehničke i ekonomske prirode. Istosmjerni sustav ima prema monofaznom sustavu 25 kV 50 Hz tešku kontaktnu mrežu, tj. treba veliki presjek bakrenih vodiča, posebno na prugama s velikim prijevozom, i ima manje razmake između elektrovučnih podstanica. Ovo je posebno izrazito kod sustava 1,5 kV koji ima puno bakra i dosta podstanica, kao što je bio slučaj u Francuskoj, pa se zato tamo unaprijedio i uveo monofazni sustav 50 Hz. Prve monofazne električne lokomotive 50 Hz bile su složene i skupe, dok se nije proizvela dobra električna lokomotiva s poluvodičkim silicijskim ispravljačima, napajana monofazno preko transformatora i s istosmjernim serijskim motorima, i po cijeni približila istosmjernoj lokomotivi. Tada je taj sustav postao vrlo suvremen i konkurentan. Ekonomske računice pri uspoređenju takvih sustava izvodile su se u mnogim zemljama. U obzir su uzete sve promjenljive veličine, u uvjetima svake zemlje, sa specifičnošću napajanja i elektroprivredne mreže, veličine transporta na prugama, visine potrebnih investicionih ulaganja i eksploataciji troškova za stabilna postrojenja i lokomotive. I tada se došlo do takvih rezultata koji su pokazali ukupne uštede investicija u korist monofaznog sustava 50 Hz do 25 % prema 1,5 kV sustavu, do 15 % prema 3 kV sustavu, a kod nekih i manju razliku ili čak podjednako, što je ovisno o veoma mnogo faktora. Za ex yu-željeznice izradili su stručnjaci 1961. godine usporednu studiju istosmjernog sustava 3 kV i monofaznog sustava 25 kV 50 Hz za ukupno 2783 km pruga, koje dolaze u obzir za elektrifikaciju. Rezultati su pokazali uštedu u korist monofaznog sustava 25 kV 50 Hz, i to ukupno za investiciona ulaganja 18% i za eksploatacijske troškove 8%. Jugoslavenske željeznice su stoga usvojile monofazni sustav 50 Hz 25 kV za daljnju elektrifikaciju pruga istočno od Dobove i Zagreba. Za rješenje sučeljavanja dvaju sustava elektrifikacije pruga postoje dvije mogućnosti, a treća je njihova kombinacija: prvo, da se vrši izmjena električnih lokomotiva jednog sustava s onima drugog sustava za električnu vuču vlakova, na stanici sučeljavanja, tj. kada se svi vlakovi zadržavaju u toj stanici; drugo, da se električna vuča vrši posebnim dvo ili više-sustavnim električnim lokomotivama, bez potrebnog zaustavljanja odnosno izmjene lokomotiva; i treće, da se to vrši kombinacijom jednog i drugog načina. Stanice za sučeljavanje, s obzirom na kontaktnu mrežu i sigurnosne željezničke uređaje, mogu biti riješene na slijedeće načine:

1. Kontaktna je mreža do sredine stanice s jedne ulazne skretničke lire pod jednim sustavom, a u drugom dijelu stanice pod drugim sustavom. Tada električne lokomotive ulaze na kolosijeke sa spuštenim pantografom, te ih lokomotiva dru-glog sustava ili još češće dizel manevarka doveze natrag pod kontaktnu mrežu

48

odgovarajućeg sustava, za odvoz vlakova. Taj se način najranije koristio, obično u nekim pograničnim stanicama (npr. Brenner).

2. Kontaktna mreža je na jednim kolosijecima izrađena za istosmjerni, na drugim za monofazni sustav, dok su između njih kolosijeci s kontaktnom mrežom uz mogućnost alternacije za oba napona. Napon se odabire i uključuje prema tome kakva lokomotiva vuče vlak i u kojem pravcu. Električne lokomotive se odvoze same i sklanjaju na kolosijeke svog napona bez pomoći druge lokomotive. Ovaj se način najviše primjenjuje u stanicama sučeljavanja, i za to su najpovoljnije stanice srednje veličine ili manje stanice bliže velikim čvorovima.

3. Kolosijeci, peroni i kontaktna mreža jednog sustava odvojena je od drugog sustava. To je obično kada se odvaja neka sporednija pruga od glavne iz neke veće stanice i gdje nema izravnih vlakova s glavne pruge na odvojenu. Ukoliko iznimno ima neki vlak, taj se prevuče manevarkom s jednog na drugi sustav elektrifikacije.

Druga i bolja mogućnost rješenja sučeljavanja postiže se primjenom dvosustavnih ili višesustavnih električnih lokomotiva, i to obično prelaskom na drugi sustav elektrifikacije u vožnji bez zaustavljanja na izoliranom odsjeku. Taj se način primjenjuje u novije vrijeme, bilo da se takve lokomotive upotrebljavaju za sve postojeće vlakove ili, što je češći slučaj, samo za putničke, naročito za brze i ekspresne međugradske i transeuropske vlakove. Problem je bio u tome da se konstruiraju lokomotive u tu svrhu za dva, tri ili čak sva četiri europska sustava elektrifikacije 1,5 kV, 3 kV, 16 2/3 Hz i 50 Hz. To je tehnički uspješno riješeno i ekonomski nije mnogo skuplje od običnih električnih lokomotiva. Takve lokomotive prometuju na mnogim važnim relacijama, među kojima su najpoznatiji transeuropski električni vlakovi s lokomotivom za četiri sustava. Kada će se, gdje i koji način primijeniti za sučeljavanje dvaju sustava elektrifikacije željeznica ovisi o više elemenata i o konkretnim uvjetima prometa, o tehničkim mogućnostima ostvarenja i o ekonomskim povoljnostima. Može se reći da se kao stanica sučeljavanja najviše upotrebljava način alternativnog mijenjanja napona kontaktne mreže na nekoliko zajedničkih kolosijeka. U najnovije vrijeme sučeljavanje se još više i efikasnije rješava primjenom višesustavnih električnih lokomotiva, ili pak kombinacijom obiju inačica. Takav kombinirani način može biti primijenjen i u HŽ I. u stanici sučeljavanja Dobova za teretne vlakove i korištenjem dvosustavnih električnih lokomotiva za vuču brzih i ekspresnih vlakova na pruzi Ljubljana - Zagreb. U pograničnoj stanici Jesenice, gdje se sučeljavaju sustavi 3 kV iz Slovenije i 16 2/3 Hz 15 kV iz Austrije, izmjenjuju se električne lokomotive dvaju sustava.

49

4 ELEKTRIFIKACIJA HRVATSKIH ŽELJEZNICA

Hrvatske željeznice imaju značajnu ulogu u razvoju i privredi Hrvatske. Tu će ulogu i dalje zadržati, samo u novim i kvalitetno izmijenjenim uvjetima. Potrebno je iznijeti nekoliko osnovnih podataka i glavnih obilježja hrvatskih željeznica da bi se bolje shvatila nužnost i značaj njihove elektrifikacije.

Kao karakteristične godine uzete su 1938. i 1965, tj. stanje HŽ uoči II svjetskog rata i na početku izgradnje programa elektrifikacije. Statistički podaci uzeti su iz statistike za 1967. godinu. Iz podataka je veoma uočljivo da su neznatno porasli osnovni željeznički kapaciteti, vagoni i lokomotive, dok je prijevoz putnika i robe u promatranom periodu porastao za nekoliko puta, točno za 4.2 puta. To su veliki rezultati. Postignuti su boljim korištenjem tehničkih kapaciteta, jačim radom i većom produktivnošću, ali gotovo jednakim i zastarjelim sredstvima i zato dijelom na štetu kvalitete. Iz tih se podataka vidi tendencija porasta prijevoza kod drugih prometnih grana, posebno cestovnog prometa. Međutim, uza sve to željeznice jesu i ostat će veliki prijevoznik robe i putnika, osobito na duljim relacijama i u prigradskom prometu. Ovdje je značajno naglasiti da se na svega 31% pruga I reda odvija sada čak 67% ukupnog rada u BTkm (BrutoTona kilometar), ili na manje od jedne trećine svih pruga ukupno dvije trećine rada. To su pruge s veličinom prometa od 4 do 20 mil. BT godišnje. Na drugih 37 % pruga II reda ima oko 20% rada s pretežnom gustoćom prometa od 1 do 4 mil BT god., odnosno zajedno na 68 °/o pruga I i II reda ukupno 87% rada. Na preostalih 32% pruga odvija se samo 13% rada. To su pretežno pruge ispod 1 mil BT robe godišnje koje su u stvari nerentabilne. Okosnica željezničkog prijevoza je glavna magistrala dolinom Save. Kako se usporedo s porastom rada nisu u odgovarajućem opsegu obnavljali željeznički kapaciteti, to su postojeća osnovna sredstva bila dotrajala i zastarjela preko 50%, osobito pruge, lokomotive i vagoni. Prva elektrificirana linija u Hrvatskoj bila je Rijeka — Pivka. Ukupna duljina relacije iznosi 64 km, od toga 28 km (Rijeka — Šapjane) pripada Hrvatskoj. Od 1952. do 1966. izvedena je elektrifikacija Zagreb — Rijeka (229 km) s 3 kV sustavom. Sredinom šezdesetih godina, bivše Jugoslavenske željeznice opredijelile su se za sustav 25 kV ~ 50 Hz. Prva pruga određena za novu elektrifikaciju bila je Zagreb - Beograd, najvažnija pruga bivše Jugoslavije. Elektrifikacija je dovršena početkom 1969. godine. Sredinom godine dovršena je pruga Sarajevo - Ploče (čijih se 22 km nalazi u Hrvatskoj), koja je bila u cijelosti elektrificirana novim sustavom napajanja. Elektrifikacija linije Zagreb - Koprivnica dovršena je s trećim listopadom 1981. godine. Nakon što je relacija Zagreb - Rijeka u potpunosti elektrificirana, četvrti i peti peron zagrebačkog Glavnog kolodvora imali su napajanje od 3 kV, a ostatak stanice je bio elektrificiran s 25 kV ~ 50 Hz. Savski most u Zagrebu je također imao dva odvojena kolosijeka: istočni, prema Sisku i Bosni, napajao se izmjeničnom strujom, a drugi, koji je vodio prema Rijeci, napajao se istosmjernim naponom od 3 kV. Sredinom osamdesetih godina pokrenuta je inicijativa za reelektrifikaciju pruge Zagreb — Rijeka. Ona je obavljena od Zagreba do Moravica (139 od 229 km). Preostalih 90 km do Rijeke još je uvijek elektrificirano istosmjernom strujom, pa je stoga potrebno mijenjati lokomotive u Moravicama.

50

Godine 1999. izvršen je generalni remont 24 kilometarske dionice između Drivenika i Škrljeva na riječkoj pruzi. Zbog toga je trebalo uskladiti kontaktnu mrežu s popravljenim kolosijekom. Potrebna usklađivanja nije bilo moguće izvršiti pomoću postojećih 3 kV konzola zbog većih promjena u razini tračnica i njihove središnje osi. To je predstavljalo dobru priliku za zamjenu starih istrošenih 3 kV konzola s novim 25 kV jednofaznim konzolama i odgovarajućim priborom. Stara je kontaktna mreža bila samo polukompenzirana, a nova je potpuno kompenzirana. Izmjena kontaktne mreže vršila se od 3. ožujka do 19. svibnja 2000. Treba naglasiti da je sav zamjenski materijal proizveden u Hrvatskoj. Jedno je eksperimentalno zatezno polje zamijenjeno ranije, između stanice Moravice i Brod Moravice. Trenutačno je cijela dionica Moravice — Rijeka pod istosmjernim napajanjem od 3 kV dok se potpuno ne dovrši izmjena kontaktne mreže. Rezultat izgleda vrlo neobično: jednofazne konzole nose dvostruki kontaktni vod za 3 kV istosmjerne struje, budući da ta voltaža zahtijeva veći presjek vodiča. Hrvatske željeznice donijele su i usvojile su još 1964. godine program modernizacije do 1970. g. Taj program u užem zadatku sadrži slijedeće:

• elektrifikaciju pruga od Karlovca do Zagreba i od Vrpolja do granice s BiH; • izgradnju električnih signalnih i sigurnosnih postrojenja i suvremene željezničke

telekomunikacije na prugama Rijeka - Zagreb i Vrpolje – d. g. BiH (ne računajući tu već izgrađeno na pruzi Zagreb - Novska);

• izgradnju i proširenje ranžirnih stanica u Zagrebu te izgradnja ili dovršenje depoa za elektrovozila u Zagrebu.

O razvoju vuče i o elektrifikaciji hrvatskih željeznica treba iznijeti više i detaljnije. Sve do 1955. g. gotovo je jedino parna vuča služila potrebama na hrvatskim željeznicama. Drugi, prijelazni period počinje nakon 1955. g. s postepenim uvođenjem dizel-električnih lokomotiva na JŽ. Tada su ponestale parne lokomotive pa su se nabavile dizelke za potrebe vuče, osobito na magistralnim prugama. Treći period počinje elektrifikacijom hrvatskih željeznica, i to od 1952. do 1964. godine sporije i u smanjenom obimu, da bi od 1964. do 1970. godine učinio krupan korak u modernizaciju željeznica. Stara, dotrajala i neekonomična parna vuča ustupa mjesto dizel i elektro-vuči. Bilo je dosta oklijevanja i kolebanja, i na željeznicama i izvan njih, oko toga, kojim putem da se pođe u vuči, da li dizelaciji ili elektrifikaciji naših pruga, iako je bilo očito kojim putem kreću europske željeznice. Te su dileme prijeđene, otpori svladani i proces ubrzan, stanovišta su jasna i određena. Elektrifikacija pruga i električna vuča postat će od 1970. godine osnovni i glavni pokretač vuče na magistralnim prugama s velikim prijevozom, dok će dizel-vuča raditi na manje opterećenim prugama i obavljati manevarski posao. Elektrifikacija hrvatskih željeznica odvijala se ovim slijedom: Godine 1945. dobiveno je oslobođenjem zemlje 28 km elektrificiranih pruga (Rijeka - Šapjane). Od 1952. do 1964., odnosno do početka programa modernizacije, bila su elektrificirana još 252 km, i to Rijeka — Karlovac 176 km. Od 1965. g. dalje vrši se program daljnje elektrifikacije i to Karlovac - Zagreb 53 km. Elektrificirana pruga Rijeka - Zagreb prva je naša elektrificirana pruga (od 1952. do 1966 .g). To je jednokolosiječna pruga duga 229 km, izrazito brdskog karaktera u svom donjem dijelu do mora na duljini 91 km. Uspon od Jadranskog mora do brda dugačak je 36 km, i to stalno 25 ‰, što je najveći i najdulji uspon HŽ I.. Najveća nadmorska visina pruge je na 836 m.

51

Elektrifikacijom pruge, povećala se propusna moć pruge za 60 %, odnosno mogući broj vlakova, a prijevozna moć odnosno moguća količina prijevoza blizu 3 puta; vrijeme putovanja skraćeno je 1,5 do 2 sata za putničke vlakove, a 3 sata za teretne vlakove. Godišnje se više ne troši 150.000 t ugljena, niti se on prevozi za vlastite potrebe, što je bilo oko 5 % tadašnjeg prijevoza. Ti pothvati i nabavke najvećim se dijelom financiraju vlastitim sredstvima hrvatskih željeznica kao i domaćim i vanjskim kreditima. Prije odluke Hrvatskih željeznica da izvrše elektrifikaciju trebalo je kritički odabrati najpovoljnije pruge za to, kako bi se relativno najmanjim ulaganjem dobio najveći tehnički, prometni i ekonomski učinak. Došlo se nedvojbeno do zaključka da su to glavne magistralne pruge, kako po važnosti i količini prijevoza, tako i po ekonomičnosti. U tu svrhu odlučeno je da treba:

• osposobiti glavne pruge u suvremeni željeznički kolosijek za osovinske pritiske od 20 t i za velike brzine do 160 km/h, i to izvršenjem kapitalnog remonta: ugradnjom tračnica 49 kg/m i 54 kg/m u duge zavarene neprekinute tračničke trakove i upotrebom betonskih pragova;

• izgraditi sustav novih ranžirnih stanica s kapacitetom od 4000 do 5000 vagona dnevno za brze i bolje sastavljanje i preradu teretnih vlakova;

• skupu i dotrajalu dizel vuču zamijeniti novom, efikasnom i jeftinijom električnom vučom, i to izgradnjom stabilnih postrojenja elektrificiranih pruga i nabavkom snažnih i brzih elektrolokomotiva za vuču i teških i brzih vlakova; ugraditi moderne i pouzdane signalno sigurnosne i telekomunikacijske uređaje duž magistralnih pruga, koji će pouzdano osigurati kretanje vlakova bez utjecaja ljudskih grešaka i omogućiti lako sporazumijevanje pod svim eksploatacijskim i vremenskim okolnostima. Automatski pružni blok omogućit će sigurnosno slijeđenje vlakova u odjavnim razmacima, a autostop uređaji ugrađeni na tim prugama između kolosijeka i na električnim lokomotivama djelovat će elektromagnetskim putem na zaustavljanje lokomotive ukoliko bi strojovođa nekontrolirano prošao crveni signal, te nabavkom dizel-manevarki uvesti bolji i jeftiniji rad na ranžirnim i drugim stanicama; nabavkom suvremenih 4-osovinskih putničkih vagona poboljšati putnički promet i nabavkom 4-osovinskih teretnih vagona poboljšati park u pogledu nosivosti, brzine i prilagođivanja suvremenim potrebama i prijevozu.

Elektrifikacijom pruga i električnom vučom ostvarit će se modernizacija željezničke vuče s manjim brojem snažnijih električnih lokomotiva i s manje ljudi, a u cjelini znatno ekonomičnije, s velikom uštedom i brzom otplatom uloženih sredstava. Ukinute su četiri ložionice parne vuče i izgrađen samo jedan depo u Rijeci. Broj ljudi je znatno smanjen. Godišnje su uštede ukupnih troškova na elektrificiranoj pruzi velike prema troškovima parne vuče, pa se čitava elektrifikacija s elektrovozilima otplatila za nekoliko godina (6-8 godina) Elektrifikacija riječke pruge bio je očit i dobar primjer u korist elektrifikacije hrvatskih željeznica. Rezultati te studije pokazali su da je elektrifikacija pruga i električna vuča na tim prugama tehnički povoljnija i ekonomski mnogo rentabilnija od dizel vuče. Pokazalo se da se eksploatacijski troškovi električne vuče prema parnoj vuči kreću od 54% kod brdskih do 80°/o kod ravničarskih pruga, ovisno pored nagibnih prilika i o veličini prijevoza, dok se troškovi dizel-električne vuče prema parnoj kreću od 74,5% do čak 104%, također po istim uvjetima. Prema tome očito je da je električna vuča najjeftinija, da je znatno niža po ukupnim godišnjim troškovima od dizel vuče za 28,8% do 21,5%, odnosno prosječno za 25%). Sustav elektrifikacije HŽ I. se nalazi na slici 36.

52

Organizacija željezničkog sektora u RH shematski je prikazana na slici 4.1, a sustav Hrvatskih željeznica na slici 4.2.

Slika 4.1. Organizacija željezničkog sektora u RH

Slika 4.2. Sustav elektrifikacije HŽ I.

53

5 ŽELJEZNIČKA VUČNA VOZILA

Željeznička vučna vozila su pokretni strojevi koji ostvaruju silu za vuču vlakova. To se postiže tako što se u vučnim vozilima toplinska ili električna energija pretvara u mehanički rad gibanja. Vučna vozila su dio željezničkih voznih sredstava. Uz njih također postoje vučena vozila (vagoni) i vozila za željezničke svrhe. Vučna vozila dijele se na:

• lokomotive • motorne vlakove.

Lokomotive su vučna vozila koja isključivo vuku vagone s putnicima i vagone sa teretom. Imaju samo pogonski uređaj i upravljačnicu bez mogućnosti smještaja putnika i tereta. Motorni vlakovi su posebna vučna vozila koja se sastoje od jednog motornog vagona ili od više motornih vagona između kojih se nalazi vagon (prikolica) za prijevoz putnika ili više njih. Postoji više načina na koje se dijele lokomotive. Svaki od njih temelji se na nekim konstrukcijskim ili na eksploatacijskim značajkama lokomotiva, pa zato nije moguće govoriti o nekoj općeprihvaćenoj podjeli. Prema vrsti energije koja se u njima pretvara u mehanički rad, lokomotive se dijele na:

• toplinske lokomotive • električne lokomotive.

Prema vrsti motora na: • lokomotive s klipnim motorom • lokomotive s plinskom turbinom.

Prema vrsti električne struje na: • lokomotive za istosmjernu struju • lokomotive za izmjeničnu struju • lokomotive za višesustavna napajanja.

Prema namjeni se dijele na: • lokomotive za vuču putničkih i brzih vlakova • lokomotive za vuču teretnih vlakova • lokomotive za manevarski rad.

Prema sposobnosti prolaska kroz kolosiječne zavoje dijele se na: • lokomotive bez slobodnih osovina • lokomotive sa slobodnim osovinama i s okretnim postoljima • dvostruke ili zglobljene lokomotive.

U skladu s time što je rečeno pojedine vrste vučnih vozila koja se nalaze u sustavu Hrvatskih željeznica prema inventarskom stanju iz godine 2000. su podijeljena u :

• električne lokomotive • dizelske lokomotive • elektromotorni vlakovi • dizelmotorni vlakovi.

Također su navedena vozila radi lakšega raspoznavanja razvrstana po serijama. Tako su vučna vozila Hrvatskih željeznica razvrstana u 21 seriju, a prema načinu dobivanja energije i prema namjeni podijeljena su na:

54

• električne lokomotive za vuču vlakova po elektrificiranim prugama • dizelske lokomotive veće snage za vuču vlakova po neelektrificiranim prugama • dizelske lokomotive relativno manje snage namijenjene za manevriranje • elektromotorne i dizelmotorne vlakove koji su isključivo namijenjeni za prijevoz

putnika.

U 2000. postojale su četiri serije električnih lokomotiva jednofaznoga i istosmjernog sustava, od kojih je jedna serija jednofaznih lokomotiva u međuvremenu kasirana. Od 11 serija HŽ-ovih dizelskih lokomotiva bilo je sedam dizelelektričnih (u današnje vrijeme jedna serija nije u aktivnom stanju) i četiri serije dizelhidrauličnih lokomotiva, od kojih je u međuvremenu jedna prodana u inozemstvo. Od dviju serija električnih motornih vlakova jedna serija je jednofazna, a druga je istosmjerna. Dizelmotorni vlakovi bili su zastupljeni s četiri serije, od kojih je jedna dizelelektrična, dvije su dizelhidraulične i jedna dizelmehanička. U nastavku će se opširnije opisati lokomotive i elektromotorni vlakovi karakteristični za sustav napajanja 25 kV, 50 Hz, tj. električne lokomotive serije 1141, 1142, 1161 te elektromotorni vlak serije 6111.

5.1 Elektri čne lokomotive

Prve električne lokomotive na prugama u Hrvatskoj pojavile su se tek 1947. Ta vučna vozila energiju preuzimaju iz kontaktne mreže elektrificiranih pruga i spadaju u najsnažnije lokomotive. Hrvatske željeznice raspolažu dvjema vrstama električnih lokomotiva, i to:

• lokomotivama izmjeničnoga sustava 25 kV, 50 Hz • lokomotivama istosmjernoga sustava 3 kV.

Najveći dio pruga u Hrvatskoj elektrificiran je izmjeničnim sustavom 25 kV, 50 Hz. U usporedbi s istosmjernim sustavom taj sustav je suvremeniji jer je razmak između podstanica za napajanje znatno dulji, a kontaktna mreža puno lakša. Hrvatske željeznice raspolažu trima serijama takvih lokomotiva i jednom serijom elektromotornog vlaka. Električni istosmjerni sustav 3 kV postoji samo na malome dijelu pruge oko Rijeke. Taj sustav prilično je stariji od izmjeničnoga, a vučna vozila po izvedbi su jednostavnija. U istosmjernom sustavu 3 kV Hrvatske željeznice raspolažu jednom serijom lokomotiva i jednom serijom elektromotornog vlaka

55

5.1.1 Elektri čna lokomotiva serije HŽ 1141, 25 kV, 50 Hz [1, 3]

Električne lokomotive serije HŽ 1141 gradila je ujedinjena tvrtka Traktion-Union, koju su činile švedska ASEA, švicarski Secheron i austrijski Elin-Union. Sklopove je montirala austrijska tvrtka Simmering-Graz Pauker. Poslije je po licenciji tvrtke ASEA izgradnju preuzela zagrebačka tvornica Rade Končar, gdje su, kao i u tvornici MIN u Nišu, bile izvođene mnogobrojne preinake. Lokomotive su Hrvatskim željeznicama isporučivane od godine 1970. Lokomotive serije HŽ 1141 (slika 5.1) su diodne, četveroosovinske, s pojedinačnim osovinskim pogonom (osovinski raspored B'o-B'o) i namijenjene su za vuču putničkih i teretnih vlakova na nizinskim i brdskim prugama, a građene su za brzine od 120 i 140 km/h. Električna oprema konstruirana je za rad s jednofaznom izmjeničnom strujom nazivnoga napona 25 kV, 50 Hz.

Slika 5.1. Električna jednofazna lokomotiva serije HŽ 1141

Lokomotive su sagrađene s električnom kočnicom ili bez nje, s uređajem za podmazivanje vijenaca kotača ili bez njega i s mogućnošću daljinskog upravljanja kod vožnje dviju lokomotiva. U svezi s tim osnovnim razlikama, kao i s razlikama zbog preinaka, lokomotive su razvrstane u podserijske skupine 000, 100, 200 i 300. Inventarski park Hrvatskih željeznica čini 96 lokomotiva serije 1141, koje su raspoređene u Jedinicu za vuču vlakova Zagreb. Prema podserijama stanje je slijedeće:

Podserija Brojno stanje

000 57 komada

100 11 komada

200 27 komada

300 1 komad

Napomena:

56

Lokomotive su bile sagrađene kao serija 441 i zbog nekih konstrukcijskih razlika razvrstane u podserije, i to:

• 441-000 - bez elektrodinamičke kočnice i bez uređaja za podmazivanje vijenaca kotača i s najvećom brzinom od 120 km/h

• 441-300 - s elektrodinamičkom kočnicom, bez uređaja za podmazivanje vijenaca kotača, s daljinskim upravljanjem i s najvećom brzinom od 120 km/h

• 441-400 - s elektrodinamičkom kočnicom, s uređajem za podmazivanje vijenaca kotača, s daljinskim upravljanjem i s najvećom brzinom od 120 km/h

• 441-500 - bez elektrodinamičke kočnice i s uređajem za podmazivanje vijenaca kotača i s najvećom brzinom od 120 km/h

• 441-600 - bez elektrodinamičke kočnice, s uređajem za podmazivanje vijenaca kotača i s najvećom brzinom od 140 km/h

• 441-700 - bez elektrodinamičke kočnice, s uređajem za podmazivanje vijenaca kotača, s najvećom brzinom od 140 km/h i daljinskim upravljanjem (lokomotive od broja 441-701 do broja 441-710 nemaju daljinskoga upravljanja)

• 441-800 - s elektrodinamičkom kočnicom i daljinskim upravljanjem, s najvećom brzinom od 120 km/h.

U svome inventarskom parku Hrvatske željeznice imale su 42 lokomotive 441-000, 10 lokomotiva 441-400, 5 lokomotiva 441-500 i 35 lokomotiva 441-700. Kada je godine 1993. na temelju HŽ-ove Upute 241-7 došlo do promjena oznaka serije i individualnih brojeva lokomotiva, nastale su sadašnje podserije, i to:

• od 441-000 i 500 nastala je podserija 1141-000 • od 441-400 nastala je podserija 1141-100 • od 441-700 nastala je podserija 1141-200.

Pregradnjom lokomotive 1141-000 nastala je podserija 1141-300 s tiristorskom regulacijom snage.

5.1.1.1 Tehnički podaci

Tablica 5-1. Opći podaci za lokomotive serije HŽ 1141, 25 kV, 50 Hz

Oznake serije 1141

Podserija 000 100 200 300

Graditelj ASEA i Končar Končar

Godina izgradnje 1967.-

1975.

1969.-

1987. 1981. 1997.

Raspored osovina Bo ' Bo '

Trajna snaga [kW] 3860

57

Jednosatna snaga [kW] 4080

Najveći napon [kV] 27.5

Najmanji napon [kV] 19

Najveća vozna brzina [km/h] 120 120 140 120

Elektrodinamička kočnica Ne Da Ne Da

Snaga elektrodinamička kočnica [kW] - 1740 - 1700

Najmanji polumjer zavoja pri brzini od

5 km/h [m] 90

Najmanji polumjer bez nadvišenja

vanjske tračnice pri brzini od 40 km/h

[m]

180

Najmanji polumjer s nadvišenjem

vanjske tračnice pri brzini od 60 km/h

[m]

180

Najmanji polumjer u okomitoj ravnini

[m] 250

Vlastita masa lokomotive [t] 78

Najveće osovinsko opterećenje [t/os] 19.5

Najveća masa po duljinskom metru

[t/m] 5.03

58

5.1.1.2 Tehnički crtež lokomotive

Slika 5.2. Izgled lokomotive serije HŽ 1141

59

5.1.1.3 Značajke diodne lokomotive

Slika 5.3. Vučne karakteristike lokomotiva serije HŽ 1141-000 i 100 za brzinu od 120 km/h

Napomena: • vrijedi za napon kontaktne mreže 22.5 kV s uređajem za održavanje stalnosti napona • 36, 38 i 41 su pozicije birača napona vučnih motora • 4 motora tipa ISVK 644-8

60

Slika 5.4. Vučne karakteristike lokomotive serije HŽ 1141-200 za brzinu od 140 km/h

Napomena: • vrijedi za napon kontaktne mreže 22.5 kV s uređajem za održavanje stalnosti napona • 36, 38 i 41 su pozicije birača napona vučnih motora • 4 motora tipa ISVK 644-8

61

5.1.1.4 Faktor snage diodne lokomotive

Slika 5.5. Krivulja faktora snage cosφ lokomotiva serije HŽ 1141-000,100 i 200

62

5.1.1.5 Elektrodinami čka ko čnica diodne lokomotive

Slika 5.6. Krivulja elektrodinamičkoga kočenja lokomotive serije HŽ 1141-100

Napomena: • otpornik za kočenje 0,42 Ω po motoru • trajna struja otpornika za kočenje Ia = 1020 A • trajna kočna sila 157 kN pri 43.5 km/h • trajna uzbudna struja Ip = 940 A • 4 motora tipa ISVK 644-8

63

5.1.1.6 Vučne značajke tiristorske lokomotive

Slika 5.7. Vučne značajke lokomotive serije HŽ 1141-300

Podaci: • 4 motora tipa ISVK 644-8

Snaga lokomotive [kW]: • trajna 3860 • satna 4080

Vučna sila [kN]: • trajna 173 • satna 186 • maksimalna 272

64

5.1.1.7 Faktor snage tiristorske lokomotive

Slika 5.8. Krivulja faktora snage cosφ i λ lokomotive serije HŽ 1141-300

Napomena: • napon kontaktne mreže 25 kV • struja vučnih motora 1180 A

65

5.1.1.8 Elektrodinami čka ko čnica tiristorske lokomotive

Slika 5.9. Krivulja elektrodinamičke kočnice lokomotive serije HŽ 1141-300

Napomena: • 4 motora tipa ISVK 644-8 • 4 kočna otpornika 0,42 Ω, 435 kW

66

5.1.2 Elektri čna tiristorska serije HŽ 1141, 25 kV, 50 Hz [1, 3]

Električne tiristorske lokomotive serije HŽ 1142 gradila je tvornica Rade Končar u Zagrebu od 1981. do 1989. To su četveroosovinske lokomotive s pojedinačnim osovinskim pogonom Bo' Bo', snage 4400 kW za napon napajanja 25 kV, 50 Hz (slika 5.10).

Slika 5.10. Električna jednofazna lokomotiva serije HŽ 1142

Lokomotive su namijenjene za vuču vlakova s prijevozom putnika brzinom do 160 km/h te za vuču teretnih vlakova pretežito na nizinskim prugama, ali i na brdskim prugama uz odgovarajući postupak. Glavni elektromotorni lokomotivski pogon je pogon reguliran četirima komutatorskim istosmjernim motorima s neovisnom uzbudom, koji su napajani preko tiristorskih ispravljača. Pogon je podijeljen na dvije jednake dvomotorne jedinice. Svaka jedinica ima po dva vučna elektomotora koji se sa zajedničkih sekundarnih namotaja glavnoga transformatora napajaju preko po dva serijski spojena poluupravljiva tiristorska mosta i pojedinačnih prigušnica za glađenje ispravljene struje. Uzbudni namotaji svakoga pojedinačnoga vučnog elektromotora napajaju se iz posebnoga sekundarnog namotaja glavnoga transformatora preko tiristorskih reverzibilnih ispravljača koji omogućavaju bezkontaktnu promjenu voznoga smjera. Napon vučnih elektromotora odnosno vozna brzina regulira se pomicanjem kuta kašnjenja paljenja tiristora u ispravljačima. U automatskome voznom režimu kojim lokomotiva raspolaže, brzinski regulator omogućava automatski prelazak iz vučnoga režima u režim električnog kočenja i obrnuto radi održavanja zadane vozne brzine. Pomoćni elektromotorni pogon lokomotive omogućava ventilaciju komponenata glavnoga elektromotornog pogona, kolanje ulja za hlađenje glavnoga transformatora i pretvarača glavnoga elektromotornog pogona, kao i dobavu potrebnoga stlačenog zraka. Svi elektromotori u pomoćnom pogonu su trofazni asinkroni motori s kaveznim rotorom napajani trofaznim naponom preko statičkoga tiristorskog pretvarača jednofaznoga napona u trofazni. Inventarski park Hrvatskih željeznica sastoji se od 15 lokomotiva koje su raspoređene u Vuči vlakova Zagreb.

67

5.1.2.1 Tehnički podaci

Tablica 5-2. Opći podaci za lokomotive serije HŽ 1142, 25 kV, 50 Hz

Oznake serije 1142

Graditelj Končar

Godina izgradnje 1981. - 1989.

Raspored osovina Bo ' Bo '

Trajna snaga za vuču [kW] 4400

Trajna snaga u režimu za električno kočenje[kW] 2400

Dopušteni napon napajanja [kV] 19 - 27

Dopušteni kratkotrajni napon napajanja [kV] 17.5

Najveća vozna brzina [km/h] 160

Najmanji polumjer zavoja pri brzini od 5 km/h [m] 90

Najmanji polumjer pri brzini od 60 km/h [m] 180

Najveća vučna sila (0.5 min) [kN] 300

Trajna vučna sila s punom uzbudom [kN] 168

Masa lokomotive [t] 82

Najveća masa po duljinskom metru [t/m] 5.17

Najveće osovinsko opterećenje [t/os] 20.05

68

5.1.2.2 Tehnički crtež lokomotive

Slika 5.11. Izgled tiristorske lokomotive serije HŽ 1142

69

5.1.2.3 Značajke lokomotive

Slika 5.12.Vučne značajke lokomotive serije HŽ 1142-000 za najveću brzinu od 160 km/h pri naponu kontaktnog voda 22.5 kV Napomena:

• 4 motora tipa IVK 644-8

Slika 5.13. Krivulja otpora gibanja lokomotive serije HŽ 1142

70

5.1.2.4 Faktor snage tiristorske lokomotive

Slika 5.14. Krivulja faktora snage cosφ i λ lokomotive serije HŽ 1142-000 za najveću brzinu od 160 km/h pri naponu kontaktnog voda 22.5kV

Napomena:

• 4 motora tipa IVK 644-8

71

5.1.2.5 Elektrodinami čka ko čnica

Slika 5.15. Krivulja elektrodinamičkog kočenja lokomotive serije HŽ 1142-000 za najveću brzinu od 160 km/h Napomena:

• 4 motora tipa IVK 644-8 • 4 otpornika 0,65 Ω, 600 kW

72

5.1.3 Asinkrona višesustavna lokomotiva ES64U4-F

U ormaru s upravljačkim komponentama moguće je ispostaviti bilancu energetske potrošnje za sve naponske mreže (AC 15 kV/16,7 Hz, AC 25 kV/ 50 Hz i DC 3 kV). Glavni podaci:

• Broj osovina: 4. • Trajna snaga za vuču: (6000 – 6400) kW. • Maksimalna brzina: 230 km/h. • Vlastita masa: 90 tona.

Slika 5.16. Izgled asinkrone lokomotive

Slika 5.17. Vučni pasoš asinkrone lokomotive

73

5.2 Elektromotorni vlakovi

Elektromotorni vlakovi su lagana željeznička vozila namijenjena isključivo za prijevoz putnika. Prvi elektromotorni vlakovi su bili sa motorima napajanima istosmjernom strujom napona 3 kV i pojavili su se odmah nakon II. svjetskog rata na prugama Hrvatskih željeznica od Rijeke prema Zagrebu i od Rijeke prema Sloveniji. Serijske brojeve bivše Zajednice jugoslavenskih željeznica dobili su godine 1957. Na mreži pruga Hrvatskih željeznica u današnje vrijeme vozi jedna serija elektromotornoga vlaka istosmjernoga sustava 3 kV i jedna serija elektromotornoga vlaka izmjeničnoga sustava 25 kV, 50 Hz (slika 5.18).

Slika 5.18. Izgled elektromotornog vlaka serije HŽ 6111 Elektromotorni vlakovi serije HŽ 6111 koje je sagradila tvrtka Ganz Mavag iz Budimpešte su trodijelni vlakovi koji se sastoje od pogonskoga vagona u sredini označenoga slovom C i od dvaju upravljačkih vagona (prikolica) s upravljačnicama označenima slovima A i B. Pogonski vagoni označeni su serijskim brojem 6111, a upravljački vagoni brojevima 4111 i 5111. Elektromotorni vlak HŽ 6111 služi za prijevoz putnika na prigradskim i na međugradskim relacijama. Za prijevozne potrebe rabi se ili jedna garnitura ili pak dvije ili tri garniture kojima se upravlja daljinski. Glavni pogon čine četiri kolektorska istosmjerna motora sa složenom (kompaundnom) uzbudom za valovito napajanje. Vučni motori s dvaju sekundarnih namotaja glavnoga transformatora napajaju se preko dvaju poluupravljivih tiristorskih mostova spojenih serijski te preko pojedinačnih prigušnica za glađenje ispravljene struje. Napon vučnih elektromotora odnosno vozna brzina regulira se promjenom kuta kašnjenja paljenja tiristora u upravljačkim mostovima. Budući da elektromotorni vlak serije HZ 6111 također raspolaže automatskim voznim režimom, u tome režimu uključuje se brzinski regulator koji zadanu brzinu održava automatskim prelaskom iz vučnoga režima u režim električnoga kočenja i obrnuto. Oprema glavnoga elektromotornog pogona, koju čine glavni transformator, tiristorski ispravljač i prigušnice za glađenje ispravljene struje vučnih motora, smještena je ispod poda motornoga vagona, a vučni motori ugrađeni su u okretno postolje motornog vagona. Pomoćni elektromotorni pogon pokreće ventilaciju za komponente glavnoga elektromotornog pogona, kolanje ulja za hlađenje glavnoga transformatora, ventilaciju putničkoga prostora te nabavu potrebne količine stlačenoga zraka. Napajanje trofaznih asinkronih motora pomoćnoga pogona omogućava rotacijski pretvarač ARNO, koji je također ugrađen ispod poda motornoga vagona.

74

Električno grijanje vlaka izvedeno je u kombinaciji konvencionalnih grijalica smještenih ispod sjedala i kanalnoga toplozračnog grijanja. Sustav za električno grijanje napaja se s posebnoga sekundarnoga namotaja glavnoga transformatora. U inventarskome parku Hrvatskih željeznica nalaze se 22 garniture elektromotornoga vlaka serije HŽ 6111, koje su raspoređene u Jedinicu za vuču vlakova Zagreb. 5.2.1 Tehni čki podaci

Tablica 5-3. Opći podaci za elektromotorni vlak serije HŽ 6111, 25 kV 50 Hz

Oznaka serije 6111

Graditelj Ganz Mavag

Godina izgradnje 1976.

Trajna snaga za vuču [kW] 1200

Satna snaga za vuču [kW] 1300

Snaga elektrodinamičke kočnice [kW] 550

Dopušteni napon napajanja [kV] 19 - 27.5

Dopušteni kratkotrajni napon napajanja [kV] 17.5

Najveća vozna brzina [km/h] 120

Najveća vučna sila (5 min.) [kN] 100

Trajna vučna sila pod uzbudom [kN] 56

Masa praznog vlaka [t] 145

Masa praznoga upravljačkoga vagona [t] 39

Masa praznoga motornog vagona [t] 67

Masa vlaka s 375 putnika (2/3 kapaciteta) [t] 175

Najmanji polumjer zavoja pri brzini od 5km/h [m] 90

Najmanji polumjer zavoja na otvorenoj pruzi [m] 250

75

5.2.2 Tehni čki crtež vlaka

Slika 5.19. Izgled elektromotornog vlaka serije HŽ 6111/4111/5111

76

5.2.3 Značajke vlaka

Slika 5.20. Vučne značajke elektromotornoga vlaka serije HŽ 6111

77

Slika 5.21. Krivulja otpora gibanja elektromotornoga vlaka serije HŽ 6111

78

5.2.4 Faktor snage

λ

Slika 5.22. Krivulja ukupnog faktora snage λ, elektromotornoga vlaka serije HŽ 6111 5.2.5 Elektrodinami čka kočnica

Slika 5.23. Krivulja elektrodinamičkoga kočenja elektromotornoga vlaka serije HŽ 6111

79

Slika 5.24. Niskopodni elektromotorni vlak

Osnovne karakteristike niskopodnog EMV-a: - dužina vlaka : 75 m - visina poda : 600 mm - broj sjedećih mjesta : do 212 - broj stajaćih mjesta : do 300 - maksimalna brzina : 160 km/h - masa praznog vlaka: 126 t - vučna sila pri pokretanju: 200 kN - trajna snaga: 2000 kW - akceleracija: > 1 m/s2 - povezivanje do 3 vlaka

Slika 5.25. Tehnički crtež niskopodnog elektromotornog vlaka

80

6 SIMULACIJA ELEKTRI ČNE VUČE

Za promatranje električnih prilika u kontaktnoj mreži, tj. iznosa napona u pojedinim točkama i opterećenja pojedinih elektrovučnih podstanica (EVP), potrebno je poznavati položaje vlakova i snage potrebne za ostvarenje kretanja.

Namjena programa je izračunavanje položaja vlaka i potrebne snage (djelatne (P) i jalove (Q)), koju vlak uzima iz kontaktne mreže. Kada su ti podaci izračunati moguće ih je koristiti kao ulazne podatke za proračun tokova snaga, kratkih spojeva itd. Da bi vlak mogao voziti određenom dionicom pruge, potrebno je da vučno vozilo ima dovoljnu snagu za savladavanje 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. Dakle, ulazni podaci neophodni za takav proračun su parametri profila pruge, planirane brzine kretanja na pojedinim dionicama, te karakteristike vlaka i lokomotive.

6.1 Fizikalna slika kretanja

6.1.1 Otpori vožnje [2, 4]

Pri kretanju vozila prugom pojavljuju se različiti otpori vožnje koji se protive tom kretanju. Da bi otpori bili savladani, vučno vozilo mora na obodu pogonskih kotača ostvariti vučnu silu jednaku zbroju svih otpora. Otpori vožnje su promjenjivi. Postoji više različitih otpora vožnje:

Fp stalni otpori Fv povremeni otpori Fa otpor ubrzanja

Otpori ovise o mnoštvu različitih faktora, a utjecaj nekih je vrlo teško analitički utvrditi. To je razlog da se za izračunavanje nekih otpora vožnje koriste iskustvene formule koje se mogu razlikovati u različitim zemljama.

6.1.1.1 Stalni otpori

Pojavljuju se uvijek pri kretanju vlaka. Ove otpore čine:

Fk otpori kotrljanja Fpar otpori parazitskih kretanja Fz otpori zraka

Otpori kotrljanja su posljedica deformacije kotača i tračnica, te trenja koje se između njih pojavljuje. Pri kretanju kotača po tračnici nastaju elastične deformacije (i kotača i tračnice) koje se opiru kretanju kotača. Kod idealno elastičnog kotača i tračnice, sila za stvaranje deformacije s nailazeće strane bila bi jednaka potisnoj sili na strani odlaženja kotača. U stvarnosti je sila za deformaciju veća od potisne sile. Rezultantna sila R ima normalnu komponentu G na udaljenosti e od osi kotača.

81

Slika 6.1. Pojednostavljena shema sila koje djeluju na vučeni kotač po tračnici Sila potrebna za savladavanje otpora kotrljanja je:

2k

eF G

D

⋅= ⋅ (6.1)

Pokusima je utvrđeno da vrijedi odnos:

1000k

G

F= (6.2)

G je opterećenje (N) kojim kotač djeluje na tračnicu. Za promjer kotača D=1000 mm dobiva se krak otpor kotrljanja:

[ ]1 10000.5

2 1000 2kF D

e mmG

⋅= = ⋅ =⋅

(6.3)

Otpor kotrljanja Wk po apsolutnom je iznosu jednak sili Fk a suprotan po smjeru, pa je:

[ ]2k k

eW F G N

D

⋅= = ⋅ (6.4)

Specifični otpor kotrljanja dobije se svođenjem otpora na jedinicu mase koja uzrokuje opterećenje kotača G:

2k kk

W W e Nw g g

m G D kg

⋅= = ⋅ = ⋅

(6.5)

Uz promjer kotača D=1000 mm i krak e=0.5 mm dobije se:

2 0.59.81 0.01

1000k

Nw

kg

⋅= ⋅ ≈

(6.6)

82

Iz izraza za specifični otpor kotrljanja vidi se da on ovisi o promjeru kotača. Nema izravne ovisnosti tog otpora o brzini vožnje. Međutim, ta ovisnost postoji posredno, jer se povećanjem brzine vožnje povećava sila ispred kotača u odnosu na silu iza kotača, čime se zapravo povećava krak otpora kotrljanja e. Ovom otporu treba pridodati otpor kotrljanja u ležajevima kolnih slogova (pod kolnim slogom podrazumijeva se osovina s dva čvrsto navučena kotača), koji ovisi o osovinskom opterećenju te koeficijentu trenja µ u ležajevima. Koeficijent trenja je veličina koja ovisi o mnogim faktorima: o konstrukciji ležaja, opterećenju, brzini vožnje, temperaturi, te kvaliteti podmazivanja. U proračunima stalnih otpora otpor trenja u ležajevima često se uzima zajedno s otporom kotrljanja, kao član konstantnog iznosa.

Otpori parazitskih kretanja su posljedica vijugavog kretanja i ljuljanja vozila po pruzi, pri čemu vozilo naizmjenično naliježe na obje tračnice, čime se dodatno povećava trenje. Vrlo ih je teško posebno odrediti, pa se obično dodaju stalnim otporima kao konstantna veličina. Ovi otpori su relativno manji od ostalih otpora, pa nepreciznost u njihovom određivanju nema osjetnog utjecaja na izračunavanje ukupnih otpora vožnje.

Otpori zraka se mogu podijeliti na otpore tlaka i otpore trenja. Otpor tlaka se pojavljuje na mjestima relativnog mirovanja zraka u odnosu na vozilo (vlak). To su čelna površina vlaka gdje nastaje nadtlak i stražnja površina gdje se pojavljuje podtlak. Otpor trenja nastaje na površinama po kojima zrak struji, to su bočne stranice te krov i pod. Nije moguće određivanje pojedinih komponenti otpora zraka, već se računa ukupan otpor zraka. Najčešće se u tu svrhu koristi formula:

[ ]2

2r

z x

vF C S N

ρ ⋅= ⋅ ⋅ (6.7)

Gdje je: ρ [kg/m3] - gustoća zraka vr [m/s] - relativna brzina vlaka u odnosu na zrak Cx [1] - koeficijent otpora zraka S [m2 ] - najveća površina poprečnog presjeka vlaka

Relativna brzina vlaka u odnosu na zrak jednaka je stvarnoj brzini vlaka u slučaju da nema vjetra. Pojavom vjetra (ovisno o njegovoj brzini i smjeru) relativna će brzina vlaka biti različita od stvarne brzine. U proračunima se to najčešće uzima u obzir tako da se stvarna brzina vlaka poveća za dodatak ∆v prilikom proračuna otpora zraka. Obično se uzima ∆v=3.33 m/s (12 km/h). Koeficijent Cx ovisi o obliku vučnog vozila, odnosno cijelog vlaka. Određuje se eksperimentalno u zračnim tunelima. Njegove vrijednosti se kreću od 1, za stare konstrukcije oštrih rubova i skokovitih promjena presjeka, do 0.2 kod veoma aerodinamičnih oblika. Obzirom da otpor zraka raste sa kvadratom brzine, a potrebna snaga za savladavanje tih otpora sa trećom potencijom brzine, nizak faktor Cx je neophodan za vlakove koji voze velikim brzinama. Pri malim brzinama otpor zraka može se zanemariti. Zbrajanjem svih navedenih otpora dobije se ukupni stalni otpor vožnje vlaka:

83

p k par zF F F F= + + (6.8)

Računanje pojedinih komponenti je vrlo složeno, pa se u većini slučajeva proračun vrši na temelju empirijskih izraza koji su obično polinomi brzine. To su formule oblika:

2pF A v B v C= ⋅ + ⋅ + (6.9)

Koeficijenti A, B i C ovise o vrsti vozila i sastavu vlaka. Željeznice u različitim zemljama koriste vlastite formule, koje se međusobno razlikuju u vrijednostima koeficijenata. U HŽ-u se koriste formule po Strahl-u, gdje se specifični otpori posebno računaju za vučno vozilo, a posebno za vlak. Za vučno vozilo:

2-320 10

240l

v Nf

kg

= + ⋅

(6.10)

Ova jednakost vrijedi za električne lokomotive 1142, ali ćemo je koristiti i za druge tipove lokomotive i već prije spomenuto elektrovučno vozilo. Specifični otpor vučenih vozila računa se prema formuli:

2320 10

10vl

v Nf k

kg−

= + ⋅ ⋅

(6.11)

U prethodnim formulama brzina je izražena u km/h. Apsolutne vrijednosti otpora dobit će se umnoškom specifičnog otpora i mase.

Koeficijent k ovisi o vrsti vlaka: k=0.108 za prazna teretna kola k=0.057 teretni vlak srednje tovareni k=0.047 brzi teretni vlak k=0.040 putnički vlak k=0.032 brzi putnički vlak

6.1.1.2 Povremeni otpori

To su otpori koji se pojavljuju ovisno o profilu pruge. Tu spadaju otpori na usponu i otpori u zavoju.

Otpor na usponu

Neka se vozilo nalazi na usponu čiji je nagib pod kutom α. Na vozilo će djelovati sila Fi paralelna tračnicama:

[ ]siniF G Nα= ± ⋅ (6.12)

84

Taj otpor mora biti savladan da bi se vozilo moglo kretati uz uspon. U slučaju kretanja niz uspon ovaj otpor ima negativan predznak i djeluje kao vučna sila.

Slika 6.2. Prikaz sila na usponu (otpor na usponu)

Za vrlo male nagibe α (kakvi se sreću na prugama) vrijedi:

sin tanα α≈

tanh

lα = (6.13)

1000h

il

= ⋅ (6.14)

Slijedi:

[ ]1000i

iF G N= ± ⋅ (6.15)

Svede li se taj otpor na jedinicu mase vozila odnosno vlaka, dobit će se specifični otpor na usponu:

9.8110001000 100

9.81

ii

vl

G iF i i N

fGm kg

⋅ ⋅= = ± = ± ≈ ±

(6.16)

85

Otpori u zavoju

Ovi otpori su posljedica konstrukcije željezničkih vozila i to čvrsto navučenih kotača na osovinu, te međusobno paralelnih osovina na vozilu ili okretnom postolju. Otpore u zavoju stvaraju:

• trenje između oboda kotača i tračnica zbog klizanja koje nastaje jer kotači istog kolnog sloga prelaze različite putove

• trenje zbog poprečnog klizanja kotača pri zakretanju vozila • trenje između grebena bandaža kotača i tračnice zbog prisilnog skretanja vozila kao

i zbog centrifugalne sile koja djeluje na vozilo u zavoju

Utjecaj centrifugalne sile u zavoju na povećanje trenja smanjuje se nadvisivanjem vanjske tračnice. Paralelnost kolnih slogova onemogućuje njihovo radijalno postavljanje u zavoju. Ugradnjom okretnih postolja u kojima su kolni slogovi međusobno blizu, taj utjecaj na otpore u zavoju se smanjuje. U proračunu otpora u zavoju koriste se eksperimentalno dobivene formule. U tim izrazima uglavnom egzistira polumjer zavoja kao najutjecajnija veličina na otpor u zavoju. Jedna od formula za izračunavanje otpora u zavoju je:

3800010z

Nf

R kg−

= ⋅

(6.17)

6.1.1.3 Otpor ubrzavanja

Pojavljuje se pri svakoj promjeni brzine. Promatra li se vlak kao kruto tijelo, može se zamijeniti materijalnom točkom (u težištu) koja se giba translatorno. Da bi se vlaku povećala brzina neophodno je djelovanje vučne sile na nekom putu. Kinetička energiju pri kretanju vlaka čini energija translatornog gibanja:

2

2kt

m vE

⋅= (6.18)

i energija dijelova koji rotiraju:

2 20

2 2i i

kr

J JE

ϖ ϖ⋅ ⋅= +∑ ∑ (6.19)

Gdje je: Jo polarni moment tromosti kolnog sloga Ji polarni moment tromosti i-tog rotirajućeg dijela na vozilu (npr. rotor vučnog

vozila) ωi kutna brzina i-tog rotirajućeg dijela na vozilu

86

Vrijedi:

v

rϖ = (6.20)

ii

v p

rϖ ⋅= (6.21)

Ukupna kinetička energija vlaka je:

220

2 2 2i

k i

J J vE m p

r r = + + ⋅ ⋅ ∑ ∑ (6.22)

ili

( )2

12k

vE m ε= ⋅ + ⋅ (6.23)

Gdje je ε koeficijent rotirajućih masa a karakteristične vrijednosti koeficijenta ε su od 0.06 do 0.08. Diferencijal kinetičke energije materijalne točke jednak je elementarnom radu sile koja djeluje na točku tj.:

( ) ( )1k t wdE m v dv dA F F dsε= ⋅ + ⋅ ⋅ = = − ⋅ (6.24)

Također vrijedi:

a t vF F F= − (6.25)

ds

vdt

= (6.26)

dva

dt= (6.27)

Gdje je: Ft vučna sila Fw zbroj otpora vožnje

Otpor ubrzavanja je:

( )1aF m aε= ⋅ + ⋅ (6.28)

a ubrzanje:

( )1t vF F dv

am dtε

−= =⋅ +

(6.29)

87

6.1.2 Adhezija [2]

Za kretanje vlaka neophodna je određena vučna sila za savladavanje otpora vožnje. Međutim, nije dovoljno imati snažno vučno vozilo koje će ostvariti potrebnu vučnu silu. Potrebno je tu silu prenijeti na tračnice. Naime, sila koja se može prenijeti preko pogonskih kotača je ograničena. Da ne bi došlo do proklizavanja pogonskih kotača po tračnicama mora biti ispunjen slijedeći uvjet:

t at atF G Fψ≤ ⋅ = (6.30)

tj. vučna sila mora biti manja ili jednaka sili adhezije Fat.

Ψ koeficijent adhezije Gat adheziona težina

Adheziona težina je dio težine vučnog vozila koja otpada na njegove pogonske kotače. Proizvoljno povećavanje adhezijske težine nije moguće zbog ograničenja koje stvara pruga tj. zbog ograničenja maksimalno dozvoljenog osovinskog opterećenja. Druga mogućnost za povećanje sile adhezije je povećanje koeficijenta adhezije Ψ. Ovaj koeficijent je vrlo složena funkcija ovisna o velikom broju parametara. Dobiva se mjerenjem na svakom konkretnom vučnom vozilu. Jedan od izraza za izračunavanje koeficijenta adhezije je:

0

1 0.1 v

ψψ =+ ⋅

(6.31)

gdje je brzina izražena u km/h.

Ψ0 je statički koeficijent adhezije za koji se uzima: Ψ0=0.33 za suhe tračnice Ψ0=0.23 za mokre tračnice Ψ0=0.16-0.21 za masne tračnice

88

6.2 Potrebna snaga za vu ču vozila

Poznavajući potrebnu vučnu silu za ostvarenje kretanja moguće je izračunati mehaničku snagu na obodu kotača kao:

m tP F v= ⋅ (6.32)

gdje je sila izražena u [N], a brzina u [m/s].

Za izračunavanje djelatne snage koju vlak uzima iz mreže potrebno je poznavati faktor korisnosti (η) vučnog vozila koji ovisi o brzini kretanja vlaka i naponu mreže. U slučaju da nije poznata krivulja promjene faktora η može se pretpostaviti neka konstantna vrijednost npr. 0.8 ili slična. Potrebno je još poznavati snagu pomoćnih pogona vlaka (hlađenje motora, grijanje vagona i sl.). Kad je to poznato moguće je odrediti djelatnu snagu koju vlak uzima iz mreže:

mel pom

PP P

η= + (6.33)

U slučaju izmjeničnog napajanja pored djelatne vlak uzima i jalovu snagu iz mreže. Jalova snaga se računa prema izrazu:

( )( )tan arccos cosel elQ P ϕ= ⋅ (6.34)

Faktor snage cos(φ) je ovisan o brzini kretanja vozila, a izgled te krivulje za razne lokomotive prikazan je na slikama iz poglavlja 2. (za lokomotive) i 3. (elektromotorni vlak). Poznavanje faktora cos(φ) je naročito važno kod prometa sa čestim pokretanjem i zaustavljanjem jer je kod malih brzina faktor snage manji.

89

6.3 Matemati čki model za prora čun kretanja vlakova

6.3.1 Jednadžba kretanja vlaka [2,4]

Jednadžba kretanja vlaka predstavlja matematički izraz međuovisnosti ubrzanja vlaka i sila koje djeluju na vlak. Pri izvođenju jednadžbe polazi se od pretpostavke da je vlak kruto tijelo čija je masa koncentrirana u njegovom težištu. U tom slučaju vrijedi:

kdE dA=

( )1kdE m v dvε= ⋅ + ⋅ ⋅ (6.35)

( )t wdA F F ds= − ⋅∑

Gdje je: ε koeficijent korekcije mase zbog rotacije Ft vučna sila vlaka Σ Fw suma otpora vožnje

Uvrste li se izrazi za dEk i dA dobit će se:

( )1vl t w

ds dvm F F

dt dtε⋅ + ⋅ ⋅ = −∑ (6.36)

Iz ovog izraza slijede jednadžbe kretanja vlaka:

( ) 21t w

vl

F Fdv ma

dt m sε− = = ⋅ +

∑

( )1t w

vl

F F mv a dt dt

m sε− = ⋅ = ⋅ ⋅ +

∑∫ ∫ (6.37)

( ) [ ]1

t w

vl

F Fs v dt dt dt m

m ε−

= ⋅ = ⋅ ⋅⋅ +∑

∫ ∫ ∫

Za analitičko rješavanje dobivenih jednadžbi kretanja potrebno je poznavati funkcije Ft(t) i Σ Fw(t). To je velika poteškoća, jer te ovisnosti nisu unaprijed poznate, pa se rješenje pronalazi računanjem sa konačnim priraštajima ∆t unutar kojih je moguće pretpostaviti konstantne sile što djeluju na vlak. Dakle, vrši se približno integriranje tj. zbrajanje konačnih priraštaja (diferencijala) brzine udaljenosti. Pa tako možemo pisati umjesto:

( )1t w

vl

F Fdv a dt dt

m ε−

= ⋅ = ⋅⋅ +∑ (6.38)

90

račun se provodi sa:

( )1t w

vl

F Fv a t t

m ε−

∆ = ⋅ ∆ = ⋅∆⋅ +∑ (6.39)

U ovom slučaju je potrebno izabrati dovoljno mali interval ∆t u kojem će prirast brzine (v2-v1) biti toliko malen da su sile koje djeluju na vlak mogu smatrati približno konstantnim (na razini maksimalno par sekundi). To znači da je akceleracija tijekom intervala konstantna pa se prirast puta može računati prema:

( )2

0 2

a ts v t

⋅ ∆∆ = ⋅ ∆ + (6.40)

Gdje je v0 brzina na početku intervala. Neka su a, v i s vrijednosti koje vlak ima u trenutku t. Vrijednosti brzine i prijeđenog puta nakon intervala ∆t su:

( ) ( ) ( )v t t v t v v t a t+ ∆ = + ∆ = + ⋅∆ (6.41)

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2

2

a t ts t t s t s s t v t t

⋅ ∆+ ∆ = + ∆ = + ⋅∆ + (6.42)

Što je interval ∆t manji manja je i greška koja se neminovno čini jer se umjesto integriranja provodi zbrajanje sa konačnim vrijednostima. U slučaju električne vuče (zbog velike inercije) promjene brzine, a s njom i Ft te Σ Fw su polagane pa je interval proračuna reda par sekundi sasvim prihvatljiv.

6.3.1.1 Način izvo đenja prora čuna

Ako je u trenutku t poznata brzina vlaka i njegov položaj na pruzi moguće je izračunati otpore vožnje, adhezionu silu te moguću vučnu silu lokomotive. Kad je sve to poznato izračuna se vučna sila koja ovisi o režimu vožnje vlaka. Na osnovi poznate vučne sile i brzine određuje se mehanička snaga te djelatna i reaktivna električna snaga za trenutak t. Nakon toga računa se akceleracija (ako ubrzava) vlaka, a zatim prirasti brzine i puta. Kad su određeni brzina i položaj vlaka u trenutku t+∆t moguće je odrediti nove vrijednosti sila i snaga potrebnih za kretanje. Postupak se dalje ponavlja za naredni vremenski interval - korak proračuna. Na slici 6.3. je prikazan dijagram toka za simulator kretanja vlakova.

91

Slika 6.3. Dijagram toka za simulator kretanja vlakova

6.3.2 Režimi vožnje vlaka [4]

Tijekom vožnje vlak se može kretati na različite načine ovisno o vučnoj sili i trenutnoj akceleraciji. Karakteristična su četiri načina vožnje i to:

• Ubrzavanje, • vožnja konstantnom brzinom, • vožnja sa zaletom, • kočenje.

92

vmax

t

v

ta

Ttv

tu tz tk

Slika 6.4. Dijagram ovisnosti brzine o vremenu za sva četiri režima vožnje vlaka

ta vrijeme ubrzanja, tu vrijeme ustaljene vožnje, te vrijeme vožnje sa zaletom, tk vrijeme kočenja, tv vrijeme aktivne vuče.

Ovisno o režimu vožnje vlaka, mijenjat će se potrebna vučna sila, a s njom i snaga koju vlak vuče iz mreže. Prva dva režima su režimi aktivne vuče jer su F i P > 0. Za vožnju s konstantnom brzinom vrijede slijedeći izrazi [8]:

konst.=v 0a = s v t∆ = ⋅∆ . (6.43)

Vučna sila tijekom vožnje konstantne brzine je: ∑= wt FF .

U ovom slučaju vučna sila ovisi samo o otporima vožnje tj. profilu pruge i brzini vlaka. U algoritmu potprograma za simulaciju kretanja vlaka je predviđeno da vlak vozi konstantnom brzinom od trenutka kad dosegne planiranu brzinu za tu dionicu. Za ubrzanje vrijede slijedeći izrazi:

konst.≠v 0a > ∑+⋅+⋅= wvlt )1( FamF ε (6.44)

Prirasti brzine i puta su: v a t∆ = ⋅∆ i ( )2

2

a ts v t

⋅ ∆∆ = ⋅ ∆ + (6.45)

93

U odnosu na vožnju konstantnom brzinom potrebna je mnogo veća vučna sila (za isti profil pruge). U programu je početak ubrzavanja definiran na način da ako je vplan(i) > v, i ako vlak u tom trenutku ne koči niti vozi sa zaletom, slijedi da vlak treba ubrzavati. Ubrzavanje će trajati sve dok se ne postigne planirana brzina na toj dionici ili do nailaska na mjesto od kojeg je potrebno započeti kočiti. Vlak u cijelom dijelu ubrzava s akceleracijom od a = 0,5 m/s2 ako može (tj. ako u tom trenutku vučno vozilo raspolaže s dovoljno vučne sile i sila ubrzavanja ne premašuje adhezionu silu). Inače vlak ubrzava iznosom akceleracije koju u tom trenutku vučno vozilo može ostvariti. Za vožnju sa zaletom vrijedi:

0t =F )1(vl

w

ε+⋅−

= ∑m

Fa (6.46)

U ovom slučaju vučna sila je jednaka 0, a vlak se kreće pod djelovanjem sila otpora vožnje. Ovisno o Σ Fw vlak može ubrzavati ili usporavati. Mehanička snaga potrebna za ostvarenje ovakvog kretanja jednaka je 0, a vlak iz mreže uzima samo snagu koju zahtijevaju pomoćni pogoni. U algoritmu potprograma za simulaciju kretanja vlaka se vožnja sa zaletom mora definirati pomoću varijable u ulaznoj datoteci (0 - vožnja sa zaletom nije dozvoljena ili 1 - vožnja sa zaletom je dozvoljena). Da bi vlak počeo voziti sa zaletom potrebno je prvo da vlak dosegne brzinu koja je planirana za tu dionicu. Tek nakon što postigne tu brzinu, bit će moguće voziti i sa zaletom. U algoritmu je predviđena vožnja sa zaletom sve do trenutka kad brzina padne na 80% planirane brzine ili (u slučaju da se vlak pod djelovanjem otpora vožnje ubrzava) do trenutka kad brzina dosegne planiranu. Naravno, moguće je da vlak i prije tog trenutka prekine takvu vožnju ovisno o tome je li vlak treba ubrzavati ili kočiti.

Za kočenje vrijede slijedeći izrazi:

0a < , ∑++⋅= wvlb )1( FmaF ε . (6.47)

U ovom režimu vožnje vlak se usporava konstantnom akceleracijom akoc na putu kočenja skoc:

koc

2

koc 2 s

va

⋅−= (6.48)

U algoritmu potprograma za simulaciju kretanja vlaka su predviđena dva slučaja kad treba kočiti. Prvi slučaj je onaj kad se vlak treba zaustaviti na kraju neke dionice, a drugi nastupa onda kad je potrebno smanjiti brzinu, jer je planirana brzina na slijedećoj dionici manja od brzine kojom se vlak kreće. U oba slučaja koristi se akceleracija kočenja od: akoc = -0,5 m/s2. Dakle, kad vlak dođe do mjesta na kojem je potrebno započeti sa kočenjem (program na svakoj dionici izračuna trenutak kada je potrebno izračunati početno mjesto kočenja), vlak počne kočiti s navedenom akceleracijom. Put kočenja se računa kao:

koc

2plan

2plan

koc 2

)i()1i(

a

vvs

⋅−+

= , m (6.49)

94

U drugom slučaju, kad je potrebno smanjiti brzinu, na početku programa vrše se uspoređivanja planiranih brzina po dionicama te ako je ispunjen uvjet:

)1()( planplan +> iviv to je znak da je pri kraju i-te dionice potrebno kočiti da bi vlak na

početku slijedeće dionice imao planiranu brzinu. Kočenje se odvija jednakim principom kao i u prvom slučaju, jedina je razlika da na kraju te dionice vlak ne staje već nastavlja vožnju planiranom brzinom na toj dionici. Pretpostavka u algoritmu je da cijeli vlak (vučno vozilo i vučena vozila-vagoni) raspolažu sa dovoljnom silom za kočenje cijelog vlaka.

95

7 ELEKTROVUČNI PRORAČUN

Elektroenergetski proračun u elektrovučnom sustavu 25 kV, 50 Hz je relativno složen, zbog same konfiguracije tog sustava, i on se u biti sastoji od tri povezana dijela:

- simulator kretanja vlaka; - formiranje električne mreže; - proračun električnih prilika u mreži

U simulaciji kretanja vlakova (poglavlje 6.) najprije se izračunavaju položaji vlakova, kao i njihove mehaničke i električne snage potrebne za vuču. Nakon toga je moguće odrediti električne prilike u kontaktnoj mreži, poput padova napona, struja kao i opterećenja EVP-a. Nakon simulacije kretanja vlakova slijedi formiranje električne mreže.

7.1 Formiranje elektri čne mreže

Kao rezultat simulacije kretanja vlaka, kako je ranije izloženo, dobiju se za svaki pojedini vlak podaci o vremenu, udaljenosti od EVP-a, brzini, radnoj i jalovoj snazi te na kojom se kolosijeku vlak nalazi. Za formiranje električne mreže, a kasnije i proračun električnih prilika u elektrovučnom sustavu nisu značajni svi rezultati simulacije kretanja vlaka. Npr. trenutna brzina vlaka nije značajna za električni proračun ali je značajna udaljenost vlaka od EVP-a koji ga napaja. Brzina kretanja vlaka, zajedno s drugim parametrima (uspon, težina vlaka, režim vožnje...) je kvantificirana djelatnom i jalovom snagom koja je potrebna vlaku da bi vozio tom vrzinom. Na slici 7.1. prikazani su rezultati simulacije kretanja elektromotornog vlaka.

Slika 7.1. Rezultati simulacije kretanja elektromotornog vlaka EMV 6111

Simulacijom kretanja vlaka dobiju se ovakvi podaci za sve vlakove koji se kreću na nekoj dionici pruge u vremenu maksimalnog opterećenja.

96

Za formiranje električne mreže, a kasnije i proračun električnih prilika u elektrovučnom sustavu su potrebni i slijedeći podaci:

- vrijeme početka i vrijeme kraja električnog proračuna; - vremenski korak električnog proračuna; - snaga, napon kratkog spoja i broj transformatora u EVP-u odnosno u EVP-ima pri

paralelnom radu; - snaga kompenzacijskih baterija u EVP-u odnosno EVP-ima; - duljine krakova napajanja pojedinog EVP-a odnosno svih EVP-a; - podaci o kontaktnoj mreži odnosno impedanciji kontaktne mreže;

Ovi podaci se unose u kompjuterski program prije početka proračuna. Sada se može formirati električna mreža unutar zadanog vremena i sa zadanim vremenskim korakom električnog proračuna. U svakom koraku se nakon formiranja električne mreže provodi proračun električnih prilika a sam proračun će se izložiti kasnije. Slijede objašnjenje kako se formira električna mreža. Prvo se nalaze vlakovi koji voze u određeno vrijeme t. Za svaki vlak koji vozi u to vrijeme čitaju se podaci o udaljenosti od EVP-a i djelatnoj i jalovoj snazi koju uzima iz kontaktne mreže u danom trenutku te kolosijek na kojem se nalazi. Da bi sustav pretraživanja funkcionirao vremenski korak mora biti višekratnik koraka simulacije kretanja vlaka, koji je 2 sekunde. Dakle vremenski korak formiranja električne mreže mora biti 2, 4, 6, 8, 10, 12... sekundi. Ako pojedini vlak u određeno vrijeme ne vozi, dakle nije krenuo ili se već zaustavio, taj vlak neću ući u formiranje električne mreže. Provodi se i provjera da li je pojedini vlak još uvijek na kolosijeku napajanja predmetnog EVP-a. Nakon što se provede gornja procedura za sve vlakove po redu vožnje, pronađeni su svi vlakovi koji se u danom trenutku nalaze na krakovima napajanje EVP-a. Svaki vlak je u danom trenutku jedno čvorište električne mreže. EVP je također čvorišta električne mreže s tim daj je vlak potrošačko čvorište a EVP čvorište izvor. Sada se sva čvorišta sortiraju s obzirom na kolosijeke i na udaljenost od referentne točke (referentnog EVP-a). Na ovaj način je formirana električna mreža i mogu se pozvati potprogrami za proračun električnih prilika.

7.2 Proračun elektri čnih prilika u kontaktnoj mreži

Proračun električnih prilika u elektrovučnom sustavu zahtjeva određene podatke koji mu služe kao osnova za proračun. Poznato je da se za svaku električnu mrežu, za koju se vrši proračun, moraju znati podaci o izvorima u toj mreži, potrošačima koje ti izvori napajaju, konfiguraciji mreže, te raznim drugim više i manje važnim činiteljima točnosti proračuna. Kod proračuna električnih prilika u elektrovučnom sustavu situacija je na određeni način specifična jer se shema napajanja mijenja općenito u svakom trenutku. Pojedini vlakovi dolaze u i izlaze iz "zanimljivog" područja napajanja, pojedini vlakovi se zaustavljaju pa na taj način nestaju kao potrošačko čvorište. Na drugoj strani ispad pojedinog EVP-a mijenja strukturu napajanja i broj čvorišta izvora. Dakle jasno je da algoritam za formiranje električne mreže mora imati podatke o vlakovima koji se kreću prugom u onome intervalu vremena za koji se vrši proračun. Nadalje na raspolaganju moraju biti podaci o EVP-ima koji napajaju vlakove na dotičnoj pruzi, te podaci o krakovima napajanja pojedinih EVP-a. S ovim podacima, uz zadan maksimalni vozni red vlakova (slika 7.2.), se može formirati električna mreža i uz poznate konstante vodova kontaktne mreže vršiti proračun.

97

96

6

2 1

0

4 0

88

8

4

25

8 2

0 9

5 3

2 9

9 3

8

5

3 0

2 6

7 0

7

23 24 1

6

6

2

0

1

0 2

2

3

9

3

3

1

0

7

7

6

29

3 8

8

6

5

2

1

1

8

7

9

1

8

0

0

6

4

9

9

7 1

1

0

7

5

31

7

8

6

5

2

2

1

8

4 3

2

5

9

7

1

0

7

5

1

9

8

4

1

22 23 24 1

RIJEKA

SUŠAK PECINE

22

01

09

98

4 5

2 3

0 18

8

6

6

5

1

7

6

3 5

3

2

9

4

2

2

0

6

4

2

0

8

0

2

4

2

5

1

5

8

8 4

2

6

1

0

6

8

2

3

2

0 5

6

7

6 0

8 6

6 3

1

8

0

7 3

9

8

6

0

6

6

53

7

6 7

4 5

43

7

4

0

0

9

6

ŠKRLJEVO

Meja

Plase

Drivenik

Fužine

Lokve

Delnice

Zalesina

Brod Moravice

MORAVICE

Skrad

TERETNI 750 t

TERETNI 1500 t

PUTNICKI 500 t

Slika 7.2. Grafikon voznog reda za prugu Rijeka - Moravice

Za određivanje strujno-naponskih prilika u kontaktnoj mreži koristi se model zasnovan na metodi čvorišta. Opterećenja vlakova modelirana su konstantnim snagama utvrđenim na temelju njihove brzine i trenutnog položaja prema podacima iz voznog reda. Proračunom padova napona mogu se odrediti naponi na priključcima (pantografima) svih vlakova koji se u određenom trenutku napajaju iz promatranog EVP-a. Na temelju izračunatih napona mogu se izračunati struje u kontaktnim vodovima, odnosno tokovi snaga u kontaktnoj mreži, te utvrditi eventualna ograničenja prilikom planiranja kontaktne mreže. Nakon modeliranja elemenata mreže elektrificiranih željeznica može se preći na rješavanje problema tokova snaga, koji se svodi na određivanje napona čvorišta promatrane mreže. Osnovu za proračun čini metoda čvorišta, kojom se rješava matrična jednadžba:

[ ] [ ] [ ]VYI ×= (7.1)

pri čemu je:

[I] – vektor injektiranih struja u čvorištima kontaktne mreže [V] – vektor napona čvorišta [Y] – matrica admitancije čvorišta.

98

Kontaktnu mrežu sačinjavaju čvorišta i grane, te elementi sustava spojeni u čvorišta. Pri tome su neka čvorišta fiksna, kao npr. mjesto priključka EVP-a, a neka promjenjivog karaktera, kao npr. trenutni položaj vlakova na pruzi. Za ta čvorišta mijenja se ne samo prostorna koordinata već ona mogu u određenim slučajevima (zaustavljanje vlaka u stanici) potpuno nestati, da bi se opet nakon određenog vremena pojavila u mreži (polazak vlaka iz stanice). Grane mreže povezuju pojedina čvorišta. Njihova se duljina i broj također mijenjaju u toku proračuna, zbog promjenjivog karaktera nekih čvorišta kontaktne mreže. U sustavu 1x25 kV, za kontaktnu mrežu od n čvorišta može se za i-to čvorište napisati slijedeća jednadžba:

cri,i

ri

ci

n

ij1j

crj,i

rj

ri

n

ij1j

ccj,i

cj

ci

ci y)VV(y)VV(y)VV(I ⋅−+⋅−+⋅−= ∑∑

≠=

≠=

(7.2)

rci,i

ci

ri

n

ij1j

rrj,i

rj

ri

n

ij1j

rcj,i

cj

ci

ri y)VV(y)VV(y)VV(I ⋅−+⋅−+⋅−= ∑∑

≠=

≠=

(7.3)

Admitancije yi,jcc, yi,j

cr obuhvaćaju u sebi uzdužne admitancije te poprečne admitancije voznog voda prema zemlji. Admitancija yi,i

cr predstavlja elemente koji se u kontaktnoj mreži nalaze između voznog voda i tračnice. Sređivanjem prethodnih jednadžbi dobiva se za ovaj sustav:

[ ][ ]

[ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ] [ ]

[ ][ ]

[ ]

×

−−

−

−

−−

=

∑

∑

∑

=

=

=

)(

)(2

)(1

1

)(,

)(2,1

)(1,

)(,2

1

)(,2

)(1,2

)(,1

)(2,1

1

)(,1

)(

)(2

)(1

.........

.......

......................................................

......

......

.........cr

n

cr

cr

n

j

crjn

crcrn

crn

n

j

crj

cr

crn

crn

j

crj

crn

cr

cr

V

V

V

yyy

yyy

yyy

I

I

I

(7.4)

Jednostupčani vektori : [I1(cr)], [I2

(cr)], …. , [In(cr)] predstavljaju injektirane struje u

zadanim čvorištima mreže, a jednostupčani vektori : [V1(cr)], [V2

(cr)], …. , [Vn(cr)] napone

pojedinih čvorišta prema referentnom čvoru (zemlji) tj. vrijedi slijedeće:

[ ]

=

ri

cicr

iI

II )( [ ]

=

ri

cicr

iV

VV )( (7.5)

99

Dijagonalne podmatrice u matrici admitancije čvorišta navedene u izrazu (7.5) imaju za i-to čvorište slijedeći oblik:

+−

−+

=

∑∑

∑∑

∑

≠=

≠=

≠=

≠=

=n

ijj

rcii

rrji

n

ijj

rcii

rcji

n

ijj

crii

crji

n

ijj

crii

ccji

n

j

crji

yyyy

yyyy

y

1,,

1,,

1,,

1,,

1

)(, (7.6)

Vandijagonalne podmatrice imaju slijedeći oblik:

[ ]

−−

−−=−

rrji

rcji

crji

ccjicr

jiyy

yyy

,,

,,)(, (7.7)

Energetski transformator, kojim je kontaktna mreža vezana na elektroenergetski sustav, modeliran je naponskim izvorom i reaktancijom transformatora. Za proračun se naponski izvori pretvaraju u strujne prema izrazu:

TRTRTR ZUI /= (7.8)

pri čemu je ZTR impedancija energetskog transformatora. Teret (vlak) modeliran je u proračunu impedancijom, koja se mijenja u ovisnosti o naponu na koji je priključen vlak. Naime, cijeli postupak rješavanja matrične jednadžbe (odvija se iterativno, a impedancija vlaka priključenog između kontaktnog vodiča i tračnice određena je izrazom:

[ ]

TRAIN

2)k(i

TRAIN S

VZ

∆= (7.9)

pri čemu je:

)()( )( kri

ci

ki VVV −=∆ - razlika napona između kontaktnog vodiča i tračnice u čvorištu i u k-

toj iteraciji; STRAIN – snaga vlaka u i-tom čvorištu.

Ova se impedancija vlaka pretvara u admitanciju, te se dodaje u svakom koraku u [Y] matricu kontaktne mreže. Za rješavanje sustava jednadžbi (7.1.) koristi se Gauss-ova metoda eliminacije, poznata i pod nazivom FORWARD – BACKWARD metoda za koju se pokazalo da su potrebni broj iteracija i brzina konvergencije postupka sasvim zadovoljavajući.

100

Navedeni algoritam opisuje proračun tokova snaga za slučaj napajanja iz samo jednog EVP-a (radijalni pogon), jer je to uobičajeni način rada za ovaj sustav napajanja. Prelazak na paralelni rad EVP-a ne izaziva u navedenom algoritmu značajne promjene, jer se samo poveća broj izvora. Na sl. 7.3. prikazana je raspodjela struja u granama i napona u čvorištima koji su dobiveni programom za proračun električnih prilika u kontaktnoj mreži primjenom matrične metode.

ELEKTROENERGETSKA

MREŽA (110 kV)

53

21

VLAK

POVRATNI VOD

VOZNI VOD

VLAK

4

VLAK VLAK

110/27,5 kV

22,9-j14,6 A 13,7-j9,8 A244,6-j221,3A235-j215,7 A

9,2-j4,8 A 13,7-j9,8 A235-j215,7 A 9,6-j5,6 A

24.48 -5,2°

24.98 -4,4°

26,84 -1,6° 26,83

-1,6°26,86

-1,6°

-5,7-j4,1 A

kV kV kV kV kV

2 V 0 V 0,2 V 0,4 V

0,0-j0,0 A 4,7-j7,7 A

240,7-j211,6 A

1,0+j1,9 A

9-j-2,1 A3,9-j9,7 A12,9-j14.4A

22,9-j14.6A244,6-j221,3A

Slika 7.3. Raspodjela struja u granama i napona u čvorištima

101

8 PERSPEKTIVA RAZVOJA ELEKTRI ČNE VUČE S NAJVEĆIM BRZINAMA

Željeznice nastoje osigurati prijevoz putnika i robe u konkurenciji s drugim vrstama prometa. Brzina prijevoza je jedan od glavnih zahtjeva suvremenog prometa. Posljednjih godina željeznica velikih brzina postaje sve konkurentnija na putovanjima na srednje udaljenosti. Razlozi tome su brojni a najznačajniji su niske cijene, udobnost, brzina, te činjenica da nema gubitka vremena poput čekanja na aerodromima, vožnje iz grada do aerodroma i sl. U teretnom prijevozu vlakova, nastaje u mnogim zemljama novi period željeznice, time što se uvode vagoni velike nosivosti, koriste palete i kontejneri za prijevoz robe i vuča vlakova s brzinom od 80, 100 i 120 km/h. To omogućuje električna i dizel-vuča. Učešće željeznice u prijevozu robe u SAD iznosi 42 %, u ex. SSSR-u 80 %. U željezničkom putničkom prometu razvoj ide sve više k najvećim brzinama prijevoza, uz potpunu sigurnost i visoki komfor. Na tom području električna vuča ima nesumnjivo punu mogućnost i očitu prednost. Dizel-vuča je ograničena snagom motora. Brzine prijevoza putničkih vlakova na elektrificiranim prugama kreću se u ovim maksimalnim iznosima: 110 do 160 km/h na većini elektrificiranih pruga, do 200 km/h na nekim najvažnijim elektrificiranim europskim prugama i od 200 do 250 km/h na posebno građenim specijalnim prugama za putnički promet, kao što je japanska elektrificirana pruga Tokaido. Tip tračnice od 54 kg/m se obično koristi za brzine do 160 km/h, a 60 kg/m za brzine 200 km/h ili više. Francuske željeznice su u ožujku 1955. g. postigle svjetski rekord od 331 km/h na pruzi s električnom lokomotivom. Brzine vlakova s električnim lokomotivama u Francuskoj, do 1964. g., kreću se do 160 km/h, a elektromotornim vlakovima do 180 km/h. Prosječna brzina nekih brzih električnih vlakova u Francuskoj je do pojave TGV-a (Train à Grand Vitesse) iznosila oko 135 km/h. TGV vlakovima je 1989. g. dosegnuta brzina 300 km/h.

Slika 8.1. Izgled TGV vlaka

102

Japanska Tokaido pruga Tokio-Osaka, s električnom vučom, otvorena je za putnički promet 1964. godine Pruga je građena za brzinu 250 km/h. Udaljenost od 515 km Tokio -Osaka prelazi se za 3 sata i 10 minuta. Nevjerojatan je putnički i komercijalni uspjeh te pruge. Na njoj je ostvarena velika brzina, komfor, sigurnost, frekvencija vlakova i putnika. Dnevno se prevozilo 180.000 putnika u 1968. godini, rekordno u jednom danu početkom 1969. godine 520.000 putnika ili 1,300.000 u tri dana. Nakon 1964. godine počelo se uvoditi na nekim europskim elektrificiranim prugama velike brzine od 160 do 200 km/h, kao što je to u Francuskoj na dijelovima pruge Paris - Bordeaux i Njemačkoj između Münchena i Augsburga do 200 km/h, te u drugima državama od 160 do 180 km/h, kao u Velikoj Britaniji, Belgiji, Nizozemskoj, ex. SSSR-u, SAD, Italiji i dr. Program razvoja takvih elektrificiranih pruga u Europi sve je širi. Snage tih električnih lokomotiva kreću se oko 8000 KS; snaga elektromotornih vlakova na Tokaido pruzi od 16 kola za 250 km h iznosi 16 MW. Na tim elektrificiranim prugama uspostavljena je potpuna sigurnost i automatizacija prometa putem daljinskog upravljanja, tj. telekomande, s daljinskim upravljanjem napajanja elektrificiranih pruga i primjenom poluautomatske kontrole maksimalne vožnje i signalizacije u komadnom prostoru lokomotive, tako da bi vožnja mogla biti potpuno automatska bez prisustva strojovođe. Na taj način željeznice su postigle da su u putničkom prijevozu konkurentne čak i avionskom prometu na relacijama ne samo do 400 km, već i mnogo dužim. Takav uspjeh je ostvareno zahvaljujući električnoj vuči. Željeznice sve više uvode i koriste elektronička računala u složenim procesima vođenja i nadzora velikog tehničkog sustava. Osim električne vuče u Kanadi se uvode brzi motorni vlakovi na plinsko-turbinski pogon za brzine od 225 km/h. Danas su brzine oko 300 km h za prugu Paris - Lyon, a u Engleskoj oko 250 km/h. Može se reći da je vožnja super brzih putničkih vlakova na željeznici za brzine do 250 km/h stvarnost i da se u sutrašnjica već može ostvariti brzinu čak iznad 300 km/h. Najveće brzine u željezničkom prometu za pojedine zemlje su prikazane u tablici 8-1. Tablica 8-1. Usporedba željezničkih sustava u svijetu

103

Brzine vožnje iznad 400 km/h bit će moguće ostvariti, ali ne više s klasičnom željeznicom i vučom. U Francuskoj, Engleskoj i Japanu se mnogo i dugo studiralo, razvijalo i eksperimentiralo na uvođenju sustava MAGLEV (Magnetic Levitation), na principu zračnog jastuka primjenom linearnog indukcionog motora, kako bi se ostvario zahtjev brzina iznad 400 km/h. Japanske željeznice su dosegle najveću brzinu od 581 km/h s MAGLEV vlakom (slika 8.2.).

Slika 8.2. Izgled lebdećeg vlaka

Kompozicija lebdi u zraku pod utjecajem magnetskih sila i nema ograničenja glede athezionih sila. Za sada je jedina komercijalna izvedba u Shanghaiu (brzina oko 430 km/h). Promatrano energetski, izvori nafte su iscrpivi u budućnosti, prema tome i dizel-goriva, dok je električna energija neiscrpiva, pa dolazila ona iz vodnih ili iz nuklearnih električnih centrala. Time je osigurana energija za električnu vuču i u budućnosti. Po današnjem stupnju stanja i razvoja ne može se očekivati ostvarenje lokomotive na nuklearni pogon, jer je to složen, opasan i skup proces u tu svrhu i na takvom vozilu. Elektrifikacijom je željeznica ostvarila veliki napredak, otvorila je perspektivu razvoja vuče i mogućnost za postizanje najvećih brzina na željezničkim tračnicama.

104

9 UTJECAJ ELEKTROVU ČNOG SUSTAVA NA NN VODIČE

U izmjeničnom sustavu vuče treba uzeti u obzir kapacitivno i međuinduktivno

djelovanje vodova kontaktne mreže s ostalim vodovima koji se nalaze u blizini (telekomunikacijski vodovi, naftovod, plinovod...). Za potrebe projektiranja i provođenja zaštitnih mjera od previsokih napona dodira (i koraka) na izmjeničnom sustavu električne vuče neophodno je poznavanje strujnih i naponskih prilika duž elektrificirane pruge kako u normalnom pogonu tako i u slučaju kvara. Isto tako, treba uzeti u obzir osnovne zahtjeve specifične za ovaj način vuče, a to je što manji otpor uzemljenja kolosijeka radi povoljnih naponskih prilika u slučaju kvara. Također se postavlja pitanje, koliki je napon tračnica pri kvaru na pojedinim dionicama odnosno udaljenostima od EVP-a. Pri izgradnji novih ili rekonstrukciji željezničkih pruga u svijetu, u novije vrijeme se često razmatra upotreba povratnog užeta. Poznato je da pri normalnom pogonu i kratkom spoju u kontaktnoj mreži dolazi do porasta potencijala tračnica (i s njima povezanih metalnih masa) prema referentnoj (udaljenoj) zemlji. Porast potencijala (nastanak napona prema referentnoj zemlji) je posljedica utiskivanja struje u tračnice, što je principijelno prikazano slikom 9.1. U normalnom pogonu u tračnice se utiskuje struja potrebna za električnu vuču vučnog vozila (lokomotive). U slučaju kratkog spoja to je struja kratkog spoja. Veličina porasta potencijala na mjestu utiskivanja struje je posljedica više faktora. Među najvažnije spadaju:

- veličina utisnute struje; - odvod tračnice (tračnica); - udaljenost od EVP-a; - jednokolosječna ili dvokolosječna pruga; - jedna povratna tračnica ili dvije povratne tračnice; - specifični otpor tla.

EES

EVPVozni vod

Tračnice

R1 L1

L2R2

G

M12

Slika 9.1. Principijelna raspodjela struje kratkog spoja ili struje električne vuče i porasta potencijala tračnica

Modeliranje jednokolosiječne pruge je omogućeno programom za proračun elektromagnetskih prijelaznih pojava (EMTP-RV). Na slici 9.2. je prikazan model 40 km jednokolosiječne pruge za razmatranje porasta potencijala tračnica.

105

A

A

B

B

C

C

D

D

E

E

F

F

G

G

H

H

I

I

J

J

1 1

2 2

3 3

4 4

+AC1

100 /_0

+

R1

1

1

2

+1

2

RL

RL2

1

2

+1

2

RL

RL1

1

2

+1

2

RL

RL3

1

2

+1

2

RL

RL4

1

2

+1

2

RL

RL5

1

2

+1

2

RL

RL6

1

2

+1

2

RL

RL7

1

2

+1

2

RL

RL8

1

2

+1

2

RL

RL9

1

2

+1

2

RL

RL10

1

2

+1

2

RL

RL11

1

2

+1

2

RL

RL12

1

2

+1

2

RL

RL13

1

2

+1

2

RL

RL14

1

2

+1

2

RL

RL15

1

2

+ 1

2

RL

RL16

1

2

+ 1

2

RL

RL17

1

2

+ 1

2

RL

RL18

1

2

+ 1

2

RL

RL19

1

2

+ 1

2

RL

RL20

1

2

+ 1

2

RL

RL21

1

2

+ 1

2

RL

RL22

1

2

+ 1

2

RL

RL23

1

2

+ 1

2

RL

RL24

1

2

+ 1

2

RL

RL25

1

2

+ 1

2

RL

RL26

1

2

+ 1

2

RL

RL27

1

2

+ 1

2

RL

RL28

1

2

+ 1

2

RL

RL29

1

2

+ 1

2

RL

RL30

1

2

+1

2

RL

RL31

1

2

+1

2

RL

RL32

1

2

+1

2

RL

RL33

1

2

+1

2

RL

RL34

1

2

+1

2

RL

RL35

1

2

+1

2

RL

RL36

1

2

+1

2

RL

RL37

1

2

+1

2

RL

RL38

1

2

+1

2

RL

RL39

1

2

+1

2

RL

RL40

+

R2

?vi

3.3333

+

R3

?vi

3.3333

+

R4

?v i

3.3333

+

R5

3.3333

+

R6

?vi

3.3333

+

R7

3.3333

+

R8

3.3333

+

R9

3.3333

+

R10

3.3333

+

R11

?vi

3.3333

+

R12

3.3333

+

R13

3.3333

+

R14

3.3333

+

R15

3.3333

+

R16

3.3333

+

R17

3.3333

+

R18

3.3333

+

R19

3.3333

+

R20

3.3333

+

R21

?vi

3.3333

+

R22

3.3333

+

R23

3.3333

+

R24

3.3333

+

R25

3.3333

+

R26

3.3333

+

R27

3.3333

+

R28

3.3333

+

R29

3.3333

+

R30

3.3333

+

R31

?v i

3.3333

+

R32

3.3333

+

R33

3.3333

+

R34

3.3333

+

R35

3.3333

+

R36

3.3333

+

R37

3.3333

+

R38

3.3333

+

R39

3.3333

+

R40

3.3333

+

R41

6.6666

Slika 9.2.Model 40 km jednokolosiječne pruge za razmatranje porasta potencijala tračnica

Diskretno je modeliran svaki kilometar jednokolosiječne pruge s dvije povratne tračnice ekvivalentnom matricom impedancija:

Odvod tračnica je modeliran u diskretnim vrijednostima od 0,2 S/km do 2 S/km. Vrijednost otpora uzemljenja EVP je usvojena 1 Ω za vrijednosti odvoda tračnica 0,2 S/km, 0,3 S/km, 0,5 S/km i 1,0 S/km a 0,5 Ω za vrijednosti odvoda tračnica 2 S/km. Uzimajući u obzir struje kratkog spoja za pojedini EVP i smanjenje struje kratkog spoja s povećanjem udaljenosti od EVP-a dobiju se slijedeći dijagrami. Uzimajući u obzir struje kratkog spoja za pojedini EVP i smanjenje struje kratkog spoja s povećanjem udaljenosti od EVP-a dobiju se slijedeći dijagrami.

Porast napona tra čnice prema referentnoj zemlji

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Udaljenost kratkog spoja od EVP-a (km)

Nap

on tr

ač

nice

(V)

Odvod 0,2 S/km

Odvod 0,3 S/km

Odvod 0,5 S/km

Odvod 1,0 S/km

Odvod 2,0 S/km

PSN1 Skrad NES O. Hreljin

Slika 9.3. Porast napona tračnice pri kratkom spoju krakova napajanja iz EVP

Iz prikazanog dijagrama može se izvući općeniti zaključak da porast napona tračnica prema referentnoj zemlji, a time i eventualno stvaranje opasnih napona dodira, dominantno ovisi o odvodu tračnica. Dakle, oportuno je međusobnim povezivanjem metalnih masa (stupova, portala itd.) i njihovih uzemljivača i tračnica povećati ukupni odvod tračnica. Dobiveni rezultati se slažu sa odredbama općeg projekta KM.

106

9.1 Kapacitivni utjecaj KM 25 kV, 50 Hz na zra čne vodove

Uzrok kapacitivnog utjecaja elektrificiranih željeznica je napon voznog voda. Kapacitivni utjecaj nastaje zbog električnog polja voznog voda koje spreže (obuhvaća) slobodno postavljeni vodič (u daljnjem tekstu NN vodič) u blizini voznog voda. Uzročno-posljedična zavisnost može se prikazati slijedećim tijekom: vozni vod pod naponom → električno polje voznog voda → kapacitivni utjecaj → influencirani napon na NN vodiču. Kapacitivni utjecaj je moguć samo ako su vodič pod naponom i NN vodič u njegovoj blizini zračni vodovi, a NN vodič na kojemu se inducira napon izoliran od zemlje. Ako je NN kabel položen u zemlju ne nastaje kapacitivni utjecaj zbog toga što u zemlji nema električnog polja. 9.1.1 Računanje influenciranog napona

Zbog postojanja kapaciteta između voznog voda i NN vodiča i kapaciteta između NN vodiča i zemlje, NN vodič dolazi pod napon, slika 9.4. Vrijedi isti princip kao za kapacitivno dijelilo. Napon NN vodiča je dio napona voznog voda. Ako se s UVV označi napon voznog voda, s UI influencirani napon NN vodiča a s UVI napon između voznog voda i NN vodiča tada vrijedi:

UVV = UVI + UI (9.1)

CICVV

CVI

UVV UI

UVI

Vozni vodNN vodič

Slika 9.4.Prikaz potencijala pri kapacitivnom utjecaju voznog voda na NN vodič

Napon UI se računa kako slijedi:

IVI

I

VV

I

UUU

UU

+=

(9.2)

Napon se dijeli u odnosu impedancija pojedinih kapaciteta pa vrijedi:

IVI

I

VV

I

XXX

UU

+=

(9.3)

Uz X=1/ωC dobij se inducirani napon:

107

IVI

VIVVI CC

CUU

+= (9.4)

Veličina influenciranog napona na NN vodiču UI ovisi o naponu voznog voda UVV i o kapacitetima, koji su značajno ovisni o geometrijskim dimenzijama i rasporedu. Kapacitet između voznog voda i NN vodiča CVI je ovisan o duljini l, međusobnom odstojanju a i radijusu vodiča r. Ako se za oba voda (vozni vod i NN vodič) usvoji isti radijus, kapacitet se može izračunati po slijedećoj formuli:

⋅=

r

a

lCVI

ln4

ε (9.5)

gdje je ε dielektrična konstanta.

Vozni vod Hrvatskih željeznica se sastoji iz kontaktnog vodiča i nosivog užeta, tako da pored sprežnog kapaciteta kontaktni vod - NN vodič postoji sprežni kapacitet između nosivog užeta i NN vodiča i između kontaktnog vodiča i nosivog užeta. Kontaktni vodič i nosivo uže su međusobno povezani (na istom potencijalu) pa ih je moguće nadomjestiti ekvivalentnim vodičem, slika 9.5. Radijus ekvivalentnog vodiča je: )( bdrR FE −= (9.6)

CICVV

CVI

UVV UI

UVI

Kontaktni vodič NN vodičCN

Nosivo uže CNI

NN vodič

Ekvivalentni vozni vod

UVI

UIUVV

CVI

CVV CI

Slika 9.5.Nadomještanje voznog voda koji se sastoji iz kontaktnog vodiča i nosivog užeta (lijevo) ekvivalentnim vodičem (desno) pri kapacitivnom utjecaju na NN vodič

Visina ekvivalentnog vodiča iznad zemlje je:

bde ⋅= (9.6)

U praksi se koriste slijedeće približne formule:

- Za kontaktni vod bez nosivog užeta vrijedi:

108

( )2224

9

cba

cbCVI ++

⋅⋅= (9.7)

gdje je: CVI [nF/km]; a, b, c [m]. - Za kontaktni vod s nosivim užetom:

( )2222

9

cba

cbCVI ++

⋅⋅= (9.8)

gdje se usvaja b=12 m da bi se uzeo u obzir veći kapacitet voznog voda zbog nosivog užeta.

Kapacitet NN vodiča prema zemlji CI, za primjer koji je rješavan, može se pretpostaviti: CI = 9 nF/km. Slika 9.6. prikazuje veličinu influenciranog napona na NN vodiču kao funkciju rastojanja od voznog voda. Kao parametar je navedena visina NN vodiča.

Influencirani napon

0

1

2

3

4

5

6

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

a (m)

Ui(k

V)

c=6 m

c=8 m

c=10 m

c=12 m

c=14 m

c=16 m

c=20 m

Slika 9.6.Dijagram influenciranog napona UI u ovisnosti o rastojanju od voznog voda a i visini NN vodiča iznad zemlje c Ako postoji više voznih vodova (višekolosiječna pruga) povećava se kapacitivni utjecaj jer svaki vozni vod stvara influencirani napon na NN vodiču, slika 2.18. Primjerice vrijedi za tri vozna voda i jedan NN vod koji se nalazi bočno u odnosu na vozne vodove slijedeća relacija:

IIVIVIV

IVIVIVVVI CCCC

CCCUU

+++++

=321

321 (9.9)

S udaljavanjem voznih vodova od NN vodiča smanjuje se njihov kapacitivni utjecaj. Na slici 9.7. prikazano je kako influencirani napon NN vodiča raste s porastom broja voznih vodova.

109

U proračunima dvokolosiječnih pruga je uobičajeno koristiti izraz za jedan vozni vod, ali se pri tome napon voznog voda pomnoži s faktorom 1,5.

Slika 9.7. Principijelni prikaz kapacitivnog utjecaja tri vozna voda na NN vodič [Pogreška! Izvor reference nije pronađen.]

Slika 9.8. Dijagram influenciranog napona NN vodiča u ovisnosti o broju voznih vodova n i visini NN vodiča iznad zemlje c

Oznake na slici 9.8. su kako slijedi:

b=12 m (da bi se uzeo u obzir veći kapacitet voznog voda zbog postojanja nosivog užeta), a1, …an udaljenost između 1. …n-tog voznog voda i NN vodiča

110

9.1.2 Računanje influencirane struje pražnjenja

Influencirana struja pražnjenja NN vodiča je struja koja teče preko čovjeka u zemlju pri dodiru NN vodiča. Proporcionalna je dužini paralelno položenog NN vodiča i voznog voda. Za računanje influencirane struje pražnjenja NN vodiča IL vrijedi slijedeća relacija:

qVVVIL rlUCfI ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= π2 (9.10)

Za pojedine veličine u relaciji (9.10) vrijedi: l - dužina paralelnog položenog NN vodiča; pri kosom rasporedu vrijedi projekcija NN

vodiča na vozni vod, slika 9.9. rq - faktor prigušenja uslijed slabljenja utjecaja električnog polja, rq = 1 ako ne postoje

nikakvi predmeti (prepreke), rq = 0,75 ako uz NN vodič postoji nul-vodič (uzemljeno uže), rq = 0,75 ako uz vozni vod ili NN vodič postoji red drveća, rq = 0,55 ako i uz vozni vod i uz NN vodič postoji red drveća.

Vozni vod

NN vodič

NN vodič

Vozni vod

Slika 9.9. Određivanje projekcije NN vodiča

Najveća dopuštena vrijednost influencirane struje za energetska postrojenja nije strogo određena. Stoga je oportuno koristiti, po TGL 200-0605 slika 5., za informatičke vodove određenu najvišu dopuštenu vrijednost 15 mA, također i za energetske vodove. Usvojena je sigurnosna margina u odnosu na graničnu vrijednost od 21 mA, slika 9.10., kako ni pri duljem djelovanju struje ne bi nastali opasni utjecaji na ljudsko tijelo.

21 aaa ⋅=

111

85 mA ~ 60 mA Ieff

70 mA ~ 50 mA Ieff

30 mA ~ 21 mA Ieff

Trajanje struje [ms]

1010 100 1000 10000

Str

uja

[mA

]

100

1000

10000

100000

SMRTONOSNO

BEZOPASNO

Isprekidana linija: prestanak disanja, pri duljem dijelovanju nastaje treperenje srčanih klijetki

Q = 100 mAs

Q = 70 mAs

Q = 30 mAs

Slika 9.10. Prikaz jakosti struje I u ovisnosti o vremenu trajanja t (prema Osypka [Pogreška! Izvor reference nije pronađen.])

9.1.2.1 Primjer izra čuna

Jednofazni NN vodič duljine l = 0,6 km je uz elektrificiranu prugu. Vozni vod jednokolosiječne pruge sastoji se iz kontaktnog vodiča i nosivog užeta, slika 9.11. Ostali ulazni podaci su slijedeći: f = 50 Hz, a = 10 m (udaljenost između voznog voda i NN vodiča), b = 12 m (visina voznog voda prema izrazu 9.8), c = 6 m (visina NN vodiča), rq = 0,75. Kapacitet jednofaznog NN vodiča prema zemlji je poznat i iznosi CI = 9 nF/km.

( )2222

9

cba

cbCVI ++

⋅⋅=

( )222 612102

6129

++⋅⋅=VIC = 1,16 nF/km

SVS

VSVVI CC

CUU

+=

09161

16125

,,

,U I +

= = 2,85 kV

qVVVSL rlUCfI ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= π2

7506025161502 ,,,I L ⋅⋅⋅⋅⋅π⋅= = 4,1 mA

112

U razmatranom primjeru pokazuje se da kapacitivni utjecaj ne može predstavljati izravnu opasnost za ljudsko tijelo.

d e

a

5500

mm

1,4

m

2700 mm

1,435 m

b

nosivo uže

kontaktni vod

povratni vod

Slika 9.11. Položaj kontaktnog vodiča i nosivog užeta na stupu

9.2 Induktivni utjecaj KM 25 kV, 50 Hz na zra čne vodove

Uzrok induktivnog utjecaja je struja voznog voda. Vozni vod protjecan strujom stvara magnetsko polje u svojoj okolini koje spreže NN vodič. Uzročno-posljedična zavisnost može se prikazati slijedećim tijekom: vozni vod protjecan strujom → magnetsko polje voznog voda → induktivni utjecaj → inducirani napon na NN vodiču. 9.2.1 Računanje induciranog napona

Oko vodiča protjecanog strujom stvara se magnetsko polje, koje je proporcionalno iznosu struje. Ukoliko se u ovom magnetskom polju nađe drugi izolirani vodič, na njemu se inducira uzdužni napon Ui.

dt

dkU i

φ⋅−= (9.11)

Faktor k u relaciji (9.11) je međuinduktivitet ME. Magnetsko polje (tok) je proporcionalno struji (φ ~ i) pa se relacija može napisati kako slijedi:

dt

diMU Ei ⋅−= (9.12)

113

Dalje se dobije za izmjeničnu struju:

IMfU Ei ⋅⋅⋅⋅= π2 (9.13)

Međuinduktivitet se obično navodi po jedinici duljine. Osim tračnica, drugi objekti (u blizini položeni kabeli i cjevovodi, redovi drveća i drugi s potencijalom zemlje povezani objekti) imaju minimalan utjecaj na inducirani napon. Uzimajući navedeno u obzir dobije se slijedeća relacija:

rlIMfU Ei ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= π2 (9.14)

Za pojedine faktore važno je kazati slijedeće: f - je frekvencija voznog voda. Viši harmonici u pravilu nemaju značajniji utjecaj na inducirani napon. ME - je međusobni induktivitet dva strujna kruga s povratnim putem kroz zemlju. Međuinduktivitet dva strujna kruga s povratnim putem kroz zemlju je veoma komplicirano egzaktno matematički izraziti. Zbog toga se često koriste približne formule, koje se najvećim dijelom temelje na mjernim rezultatima. Specifična vodljivost tla ima značajan utjecaj na međusobni induktivitet, zato što struja koja iz tračnica prelazi u zemlju teče kao prostorno električno strujanje. U zavisnosti o specifičnoj vodljivosti tla i frekvenciji, površina u tlu protjecana strujom je različita. Međusobni induktivitet, za frekvenciju 50 Hz, u ovisnosti o rastojanju dva struja kruga i specifičnoj vodljivosti tla prikazan je na slici 9.12. Specifi čna vodljivost tla (specifični otpor tla) se može izmjeriti. Za procjenu se mogu koristiti vrijednosti iz tablice 9-1. U blizini glavnih prometnica u velikim gradovima može se računati s vrijednostima od 0,5 S/cm do 0,1 S/cm. I - je struja voznog voda. Kako je najviši dozvoljeni napon dodira za ljudsko tijelo ovisan o vremenu trajanja, svrsishodno je računati, u slučaju kvara u kontaktnoj mreži, s najvećim mogućim strujama za vrijeme trajanja kvara ≤ 0,3 s. l - je dužina paralelnog položenog NN vodiča; pri kosom rasporedu vrijedi projekcija NN vodiča na vozni vod, slika 9.9. r - je rezultantni faktor smanjenja induciranog napona a sastoji se iz redukcionog faktora tračnica rT, redukcionog faktora kabela rK i faktora oklapanja rQ:

QKT rrrr ⋅⋅= (9.15)

Redukcioni faktor tračnica je ovisan o odnosu rastojanja NN vodiča prema voznom vodu i tračnicama, broju kolosijeka, veličini struje tračnica, izvedbi tračnica, vodljivosti tla, udaljenosti od elektrovučne podstanice, vrsti tračnica i položaju NN vodiča. Za proračun se koriste vrijednosti prema tablici 9-2., ako ne postoje mjerni rezultati. Redukcioni faktor NN kabela rK, se u osnovi dobiva mjerenjem. Za okvirni proračun, kada nisu poznate mjeren vrijednosti može se računati s rK = 0,5.

114

Slika 9.12. Dijagram za određivanje međusobnog induktiviteta ME u ovisnosti o razmaku a između voznog voda i NN vodiča i specifičnoj vodljivosti tla χ pri nazivnoj frekvenciji f 50 Hz [] Tablica 9-1. Orijentacione vrijednosti za specifičnu vodljivost tla

Tablica 9-2. Orijentacione vrijednosti za redukcioni faktor rT

Slika 9.13. prikazuje visinu induciranog napona u NN vodiču u zavisnosti o dužini paralelnog vođenja. Kao parametar se koristi razmaku između voznog voda i NN vodiča.

115

Slika 9.13. Dijagram induciranog napona u NN vodiču u zavisnosti o dužini paralelnog vođenja l i razmaku a između voznog voda i NN vodiča Slika 9.14. prikazuje visinu induciranog napona po A struje voznog voda i po km paralelnog vođenja u ovisnosti o razmaku a.

Slika 9.14. Dijagram specifičnog induciranog napona po km paralelnog vođenja i po A struje voznog voda u ovisnosti o razmaku a između voznog voda i NN vodiča za nazivnu frekvenciji 16,67 Hz i 50 Hz [Pogreška! Izvor reference nije pronađen.].

9.2.1.1 Primjer

Za isti primjer kao u 2.4.1.4. je zadano:

I = 600 A χ = 350 µS/cm rK = 1.

116

Dobije se ME = 800 µH/km (prema slici 9.12..) Uz rT = 0,6 dobije se:

QKT rrrr ⋅⋅=

r = 0,6*1*0,75 r = 0,45

rlIMf2U Ei ⋅⋅⋅⋅⋅π⋅= Ui = 2*3,14*50 s-1*800 µH/km *600 A*0,6 km*0,45 Ui = 40,7 V

Induktivni utjecaj u prikazanom slučaju ne predstavlja direktnu opasnost za ljudsko tijelo.

9.2.2 Induktivni utjecaj u slu čaju kratkog spoja voznog voda

Specijalni slučaj induktivnog utjecaja je kratki spoj voznog voda. Prekidači u EVP-ima isključe kratki spoj u vremenu cca. 80 ms. U skladu s tim treba usvojiti i dozvoljeni dodirni napon, slika 9.15. Struja kratkog spoja voznog voda može se odrediti pokusom kratkog spoja (što se praktično više ne radi) ili proračunom na odgovarajućem modelu EE sustava. Značajan utjecaj pri tome ima udaljenost mjesta kratkog spoja od EVP-a, zato što impedancija voznog voda ima značajan utjecaj na veličinu struje kratkog spoja.

Slika 9.15. Dopušteni naponi dodira u ovisnosti o trajanju struje [Pogreška! Izvor reference nije pronađen.]

9.2.2.1 Mjere za minimiziranje induktivnog utjecaja

Uzimajući u obzir tehnički aspekt dobiju se slijedeće mogućnosti za minimiziranja induktivnog utjecaja a koje su ipak praktično primjenjive:

- Kabliranje vodova; - Povećanje razmaka između voznog voda i NN vodiča; - Ugradnja odvodnika prenapona (mjera koja se primjenjuje samo za zaštitu od

prenapona pri kratkom spoju voznog voda).

117

9.3 Utjecaj KM 25 kV, 50 Hz na postrojenja jake str uje za op ću potrošnju-PJS

Pod elektrotehničkim sredstvima opće potrošnje u području el. željeznice podrazumijevaju se stabilna postrojenja za rasvjetu, grijanje i sl. Najčešće se ta pogonska sredstva napajaju ili iz javne mreže ili iz posebne transformatorske stanice izgrađene za tu svrhu. Pri elektrifikaciji pruge nastoji se što manje utjecati na postojeći sustav napajanja (osim u slučajevima kad se grade potpuno novi objekti) opće potrošnje. Potrebno je jedino osvrnuti se na kapacitivni, induktivni i omski utjecaj postrojenja za napajanje električne vuče i u tom smislu izvršiti promjene odnosno prilagodbe.

Za elektrotehnička postrojenja u području pruge postoje posebni uvjeti što se tiče zaštite od napona dodira i koraka, pošto u slučaju pada kontaktnog voda mogu određeni metalni dijelovi postrojenja doći pod opasan napon s jedne strane, dok se s druge strane nastoji, naročito kod istosmjernog sustava električne vuče, zaštititi te metalne dijelove od utjecaja korozije. Za daljnja razmatranja problematike uzemljenja i zaštite definirat će se pojmovi područje pruge i područje utjecaja.

Pri utvrđivanju područja pruge mjerodavna je izvedba voznog voda kontaktne mreže. Kao područje pruge podrazumijeva se prostor koji može biti zahvaćen padom kontaktnog voda računajući od osi kolosijeka. To je područje približno određeno udaljenošću od 8 m okomito na os kolosijeka s obje strane.

Područje utjecaja ne može se jednoznačno definirati jer ovisi o više faktora. Tračnička mreža ima karakter velikog površinskog uzemljivača i time je okolno područje zahvaćeno naponskim lijevkom kolosijeka. Pošto se u tom području nalaze različite vrste postrojenja, počevši od signalno-sigurnosnih naprava do niskonaponske razdjelne mreže različite izvedbe te srednjenaponskih i visokonaponskih postrojenja, a također i podzemnih vodovodnih i plinskih mreža, utvrđivanje područja utjecaja, naročito kod istosmjernog sustava vuče moguće je jedino mjerenjem u konkretnim situacijama.

9.3.1 Uzemljenja u sustavima elektri čne vuče

Uzemljenje se u ovim sustavima dijeli na zaštitno i pogonsko uzemljenje a ista su međusobno povezana.

Zaštitno je uzemljenje izravno uzemljenje metalnih dijelova električnih postrojenja koji ne pripadaju strujnim krugovima, radi zaštite ljudi od opasnoga dodirnog napona i napona koraka. Prema tome, ispravno projektiranje, izvođenje i održavanje zaštitnog uzemljivača, kao dijela elektroenergetskog postrojenja, omogućava postizanje zadovoljavajuće sigurnosti ljudi pri rukovanju i održavanju postrojenja, odnosno ljudi koji se nađu u blizini postrojenja pri normalnim uvjetima rada i tijekom dozemnih kratkih spojeva.

Uzemljivači se najčešće odvajaju za visokonaponska i niskonaponska postrojenja. Vodovi za uzemljenje također se izrađuju od bakrenog užeta ili pocinčane trake i moraju biti vidljivi i pristupačni te zaštićeni protiv mehaničkih i kemijskih oštećenja. Pod određenim uvjetima mogu se kućišta i dijelovi metalnih konstrukcija koristiti kao vodovi za uzemljenje.

Pogonsko uzemljenje je uzemljenje metalnih dijelova koji pripadaju strujnim krugovima elektroenergetskog postrojenja (na primjer zvjezdište transformatora).

Kao pogonsko uzemljenje smatra se veza sekundarne strane transformatora u EVP-u s tračnicama kolosijeka. Ta se veza ostvaruje podzemnim kabelima, koji time postaju dio povratnog voda vučnog strujnog kruga.

Pošto se ukupna vučna struja ne vraća kroz tračnice do EVP-a, znatan njezin dio vraća se kroz zemlju na zaštitno uzemljenje, to je razlog što se zaštitno i pogonsko uzemljenje povezuju zajedno.

118

9.3.2 Zaštitne mjere za elektrotehni čka postrojenja u podru čju izmjeni čnog sustava vu če

U izmjeničnim elektrovučnim sustavima, direktno uzemljenje elektrovučnog sustava je uobičajeno korištena metoda kojom se postiže brzo isključenje kvara i zaštita ljudi. U ovaj metodi se u slučaju kvara koristi povratni krug za vođenje struje. Svi vodljivi dijelovi, koji mogu doći pod napon u slučaju kvara, moraju se izravno spojiti na uzemljivački sustav. Povezivanje vodljivih dijelova sa željezničkim tračnicama je preporučena metoda.

Ako je, zbog nekog razloga, tračnica ili izloženi vodljivi dijelovi ne smiju izravno povezati na uzemljivački sustav, moraju se koristiti uređaji za ograničenje napona, čime se osigurava povratni put struji, u slučaju da tračnica ili izloženi vodljivi dijelovi dođu pod napon.

Kontaktni vodič na cestovnom prijelazu ne smije biti iznad gornjeg ruba glavne tračnice (GRT) na visini manjoj od 5100 mm kod jednofaznog sustava 25 kV, 50 Hz odnosno 4950 mm kod istosmjernog sustava 3 kV. Najveći razmak prijevoznog sredstva koje smije prometovati ispod kontaktnih vodova treba biti ograničen garantiranim razmakom između najviše točke prijevoznog sredstva i kontaktnih vodova kako slijedi:

- 1,0 m, kada samo prometni znakovi određuju maksimalnu visinu vozila; - 0,50 m, kada postoje čvrste prepreke (npr. kruta prepreka ili uočljiva metalna žica)

koje su uzdignute na obje strane prijelaza i imaju psihološko ograničenje na visinu vozila

Prema Općem projektu KM, minimalni sigurnosni razmak između dijelova pod naponom i tovarnog profila cestovnog vozila iznosi 0,60 m.

Nadalje, u bilo kojim uvjetima, između nadzemnog voda i grana drveća ili grmlja, treba biti održavana sigurnosna udaljenost od 2,5 m.

Uzemljenje mora biti dimenzionirano tako da može voditi najveće pogonske struje odnosno struje kvara i da pri tom nastali naponi dodira i koraka ne prelaze dozvoljene vrijednosti unutar i izvan postrojenja. Ako se tračnice kolosijeka koriste kao uzemljivač, priključci na tračnicama moraju biti mehanički čvrsti i električni dobro vodljivi što se postiže zavarivanjem u skladu s [] ili vijčanim spojem. Da se olakšaju radovi na donjem postrojenju pruge, priključke na tračnice treba izvoditi okomito na os kolosijeka. Paralelno polaganje vodova i kabela na duljini većoj od 10 m smije se izvoditi samo izvan radnog područja pružnih strojeva za donji postroj. Ako je zbog remonta potrebno odvajanje tračnica od mreže tada treba spriječiti da se otpor uzemljenja tračničke mreže zbog toga bitno promijeni. To se postiže premoštavanjem s vodičem koji obzirom na vodljivost odgovara najvećem presjeku veze na tračnicu.

119

9.4 Omski i galvanski utjecaj povratnog voda na ost ale metalne objekte položene u zemlju

Omski utjecaj strujnih krugova el. vuče na ostale strujne krugove ostvaruje se preko međusobnih otpora (vodljivosti tla). Kad je međusobni otpor jednak nuli tada među tim strujnim krugovima postoji direktna veza i taj se utjecaj naziva galvanski utjecaj. 9.4.1 Utjecaj na kabele položene u zemlju

U izmjeničnom sustavu vuče plaštevi se kabela povezuju na povratni vod zbog zaštitnih mjera napona koraka i dodira. Pritom kroz plašt kabela teče dio povratne struje koja na kabel ima termički utjecaj. Struja kroz plašt kabela je ovisna o razlici napona između točaka uzemljenja plašta, o vod-ljivosti tla, vodljivosti plašta te vodljivosti tračnica odnosno plašta prema zemlji. Iz struje koja teče kroz plašt kabela može se izračunati zagrijavanje kabela te time i utjecaj na smanjenje dozvoljene opteretivosti kabela. Iskustvo je pokazalo da su u normalnim pogonskim prilikama utjecaji zanemarivi. U slučajevima kratkog spoja na KM duž kabela koji prolazi potencijalnim lijevkom kolosijeka javljaju se znatne razlike potencijala koje uzrokuju protjecanje relativno velikih struja kroz plašt. No, zbog malog trajanja struje kratkog spoja, termički je utjecaj na kabel i u tom pogonskom slučaju zanemariv. Slika 9.16. prikazuje oblik naponskog lijevka tračnica kolosjeka na mjestu kratkog spoja u ravnini okomitoj na os kolosjeka. Padovi su napona u ravnini uzdužnoj uz os kolosjeka znatno manji. Ta se razlika još više smanjuje povećanjem broja paralelnih kolosjeka. Iz navedenog, može se zaključiti da termičko djelovanje povratne struje kroz plašt kabela nema znatniji utjecaj na smanjenju dozvoljene opteretivosti kabela.

Slika 9.16. Naponski lijevak tračnica na mjestu kvara u ravnini okomitoj na os kolosjeka

120

9.4.2 Utjecaj na nul-vodi č u pogonu

Pri primjeni zaštitne mjere "nulovanja" u području električne željeznice, nul-vodič se na što je moguće više mjesta povezuje s tračnicama preko vodova za izjednačenje potencijala, pa je tako moguć omski utjecaj povratne struje vuče na nul-vodič. Na slici 9.17. prikazana je principijelna shema omskog djelovanja povratne vučne struje na nul-vodič. Za konkretan proračun raspodijele povratne struje na nul-vodič potrebni su slijedeći podaci:

RN – otpor nul-vodiča, ovisan o duljini nul-vodiča, njegovom presjeku i specifičnoj vodljivosti,

RV – otpor veze nul-vodič – tračnice koji se određuje kao i za nul-vodič s time da se dva puta uzima u proračun

RŠ – otpor tračnica kolosijeka (≈ 0.05 Ω/km)

Slika 9.17. Raspodjela struje tračnica kod dvostrukog priključka nul-vodiča na povratni vod Proračun se obično provodi samo s djelatnim otporima, dok su zbog zanemarivanja induktivnih otpora, stvarne vrijednosti manje.

Neka je prema slici 9.17.:

presjek nul-vodiča: qN = 25 mm2

udaljenost od tračnica: lV = 12 m presjek veza s tračnicom: qV = 95 mm2 Cu udaljenost između veza: lN= 500 m

Ω=⋅Ω=

Ω=⋅

=⋅χ

=

Ω=⋅

=⋅χ

=

025050050

02209557

12

55502536

500

.km.km/.R

.q

lR

.q

lR

T

VCu

VV

NAl

NN

(9.16)

121

Omjer struje kroz nul-vodič prema struji tračnice iznosi:

041702

.RR

R

I

I

VN

T

T

N =⋅+

= (9.17)

Dakle, kroz nul-vodič protječe oko 4% povratne struje tračnice. Ako maksimalna vučna struja iznosi oko 1000 A, proizlazi da će kroz nul-vodič teći struja iznosa oko 20 A (uz pretpostavku povratne struje kroz tračnice u iznosu približno polovicu vučne struje). Iskustvo je pokazalo da su struje kroz nul-vodič u normalnim pogonskim situacijama znatno niže od dozvoljenih struja kroz nul-vodič koje prema propisima iznose 40% struje kroz fazne vodiče kod trofaznog sustava. Osim toga kod dimenzioniranja vodova i kabela najčešće se presjek odabire s obzirom na dozvoljeni pad napona pa su ti presjeci veći nego što zahtjeva strujno opterećenje. Dodatno se može kazati da je djelovanje povratne struje za nul-vodiče manjih presjeka, zbog većeg otpora, manje izraženo. U slučajevima primjene vodiča većih presjeka, uobičajeno je simetriranje opterećenja te je pritom i pogonska struja koja teče kroz nul-vodič manja.

9.4.3 Utjecaj na nul-vodi č u slu čaju kratkog spoja

U slučaju kratkog spoja u kontaktnoj mreži teku kroz tračnice povratnog voda znatno veće struje, a proporcionalno se povećava i dio povratne struje koja protiče kroz nul-vodič. Zbog toga treba izvršiti proračun obzirom na moguće pregrijavanje nul-vodiča u vremenu djelovanja zaštite. Pošto su ta vremena kratka nema mogućnosti odvođenja topline. Julova toplina razvijena u nul-vodiču ostaje akumulirana u njemu što je uzrok povišenja temperature nul-vodiča. Izrazi za navedene topline su slijedeći:

tRIQ ⋅⋅= 2

Julova toplina (9.18)

ϑ∆⋅⋅= VcQ akumulirana toplina (9.19)

Povišenje temperature nul-vodiča iznosi:

Vc

tRI N

⋅⋅⋅

=∆2

ϑ (9.20)

gdje je: IN - struja kroz nul-vodič; R - otpor nul-vodiča; c - specifična toplina materijala nul-vodiča; V - volumen nul-vodiča; T - ukupno vrijeme djelovanja zaštite.

122

Provede li se proračun prema slici 2.32. uz struju kratkog spoja IKS = 5 kA i vrijeme djelovanja zaštite t = 0,3 s dobijemo slijedeće vrijednosti:

20004,0 =⋅= KSN II A

Km

JcAl o⋅

⋅=3

61042,2 (9.21)

=⋅⋅⋅

⋅⋅

⋅Ω⋅=ϑ∆− 35

36

2

105250010422

305550200

m,mKm

J,

s,,)(

o

0,22 K

Ovi rezultati pokazuju da u slučaju kratkog spoja u KM praktički nema opasnosti od omskog utjecaja povratnog voda na nul-vodič.

9.4.4 Utjecaj elektri čne vuče na cjevovode

Podzemni cjevovodi u blizini elektrovučnog sustava (EVP-a i kontaktne mreže) izloženi su utjecajima preko induktivnih i galvanskih veza. Dolazi do pojave potencijalne razlike između cjevovoda i okolnog zemljišta koje mogu doseći visoke vrijednosti i ugroziti sigurnost osoblja. Prema [] postoji određeni rizik za koroziju cjevovoda, pri paralelnom vođenju cjevovoda i pruge elektrificirane izmjeničnim sustavom 50 Hz. Za koroziju cjevovoda izmjeničnom strujom su potrebne veće gustoće struje nego istosmjernom strujom te ista nije jako izražena [] Induktivni utjecaji se ne uzimaju u obzir ako je razmak cjevovoda i bilo kojeg objekta električne vuče veći od 1000 m, a u urbaniziranim sredinama ta granična vrijednost iznosi 250 m. Donji granični iznos širine područja galvanskog utjecaja iznosi 10 m. U fazi projektiranja se mora nastojati da objekti električne vuče i cjevovodi ne budu locirani u pojasu induktivnih i galvanskih utjecaja iznad dozvoljenih. Pri radovima na cjevovodu mora se između alata, dizalica i sl. i dijelova pod naponom osigurati sigurnosna udaljenost od 3 m za naponski nivo 20 kV – 110 kV. Kod nadzemnih dijelova cjevovoda gdje je moguć pristup mora biti provedena barem jedna od slijedećih zaštitnih mjera:

- galvansko odvajanje nadzemnih od podzemnih dijelova cjevovoda ugradnjom izolacionih spojeva;

- izoliranje nadzemnih dijelova plastičnim omotačima; - oblikovanje potencijala polaganjem uzemljenja na udaljenosti 1 m od nadzemnih

dijelova cjevovoda, na dubini 0,5 m.

U slučaju da je cjevovod neizoliran, on je u neposrednom kontaktu s okolnim zemljištem, pa potencijalne razlike između njih ne postoji, i u takvom cjevovodu se ne mogu pojaviti opasni induktivni utjecaji. Cjevovod može biti ugrožen ako je položen u slabo vodljivo tlo specifičnog otpora 300 Ωm ili više, i ako se jednim dijelom nalazi u naponskom lijevku uzemljenja objekata električne vuče. Tada cjevovod može poslužit kao povratni put jednom dijelu struje zemljospoja što može imati za posljedicu oštećenje samog cjevovoda []

123

Smatra se da na cjevovodu ne postoje opasni utjecaji napona ako su istovremeno ispunjena slijedeća 3 uvjeta:

- ako najveća efektivna vrijednost napona između cijevi i okolnog zemljišta na bilo kojem dijelu cjevovoda nije veća od granične vrijednosti;

- ako rastojanje bilo kojeg dijela cjevovoda od najbližeg dijela uzemljenja objekata električne vuče nije manje od granične vrijednosti;

- ako napon dodira na pristupačnim dijelovima cjevovoda nije veći od graničnog.

Granična vrijednost napona između cjevovoda i okolnog zemljišta iznosi 1000 V []. Najmanje dozvoljeno rastojanje cjevovoda od uzemljenja objekata električne vuče iznosi 10 m, odnosno u iznimnim slučajevima smije se smanjiti do 0,5 m. Nadzemni dijelovi cjevovoda moraju biti udaljeni barem 10 m od najisturenijih dijelova objekata električne vuče, a oni dijelovi kroz koje se ispušta fluid barem 30 m. Najmanje dozvoljeno rastojanje između EE kabela nazivnog napona do 35 kV i cjevovoda pri križanju ili paralelnom vođenju je 0,5 m. Ukoliko se ovi zahtjevi ne mogu postići mora se voditi računa o statičkoj stabilnosti objekata električne vuče i mehaničkoj sigurnosti cjevovoda. Dozvoljeni trajni napon dodira je:

- 125 V na pristupačnim dijelovima cjevovoda koji su ograđeni; - 65 V na neograđenim pristupačnim dijelovima cjevovoda.

Dozvoljeni trenutni napon dodira je određen krivuljama na slici 9.18. pri čemu se a krivulja odnosi na pristupačne dijelove cjevovoda koji su ograđeni, a b krivulja na neograđene pristupačne dijelove cjevovoda. Ako se u području utjecaja nalazi više objekata električne vuče njihovi se utjecaji za vrijeme redovnog pogona superponiraju.

Slika 9.18. Dozvoljeni napon dodira za podzemne cjevovode

Proračun opasnih napona za podzemne cjevovode se provode za rastojanje približavanja do 1000 m u nenaseljenim područjima i do 250 m u naseljima. Kod približavanja cjevovoda

124

objektima električne vuče uzima se geometrijska sredina 21 aa ⋅ udaljenosti na pojedinim krajevima (slika 9.19.). Ovo je zadovoljeno ako je omjer a1/a2 između 1/3 i 3.

Slika 9.19. Određivanje ekvivalentne udaljenosti cjevovoda od objekata električne vuče Ako taj omjer prelazi te granice onda se ekvivalentni razmak određuje prema slici 9.20.

Slika 9.20. Određivanje ekvivalentne udaljenosti cjevovoda od objekata električne vuče

Kao dodatna zaštita od korozije, poglavito za istosmjerne elektrovučne sustave, koristi se katodna zaštita strujom iz stranog izvora. Pri tome se ispravljački uređaji moraju napajati preko zaštitnog transformatora.

125

10 NISKOFREKEVENCIJSKO ELEKTROMAGNETSKO POLJE U ELEKTROVU ČNOM SUSTAVU

Elektromagnetska polja su statička i periodički promjenljiva električna i magnetska polja te elektromagnetski valovi frekvencije do 300 GHz. To su zračenja fotona čija je energija proporcionalna frekvenciji. Prema frekvenciji i energiji elektromagnetski valovi se dijele na ionizirajuća zračenja i neionizirajuća zračenja. Ioniziraju ća zračenja su elektromagnetski valovi (X zrake i γ zrake) koji imaju dovoljnu energiju fotona da izazovu ionizaciju. Neionizirajuće zračenje uključuje niskoenergetsko ultraljubičasto (ultraviolet - UV) zračenje, vidljivu svjetlost, infracrveno (infrared - IR) zračenje, radiofrekventna (radiofrequency - RF) i mikrovalna (microwave - MW) polja, polja ekstremno niskih frekvencija (Extremely Low Frequency - ELF), kao i statična električna i magnetska polja. U Hrvatskoj je na snazi Pravilnik o zaštiti od elektromagnetskih polja (NN 204/03, 15/04, 41/08) [1], kojim se između ostaloga propisuju dozvoljeni iznosi električnih i magnetskih polja, koje emitiraju elektroenergetski i drugi električni objekti u okolinu. Prema zahtjevima Pravilnika, prilikom izgradnje i pogona elektroenergetskih objekata stacionarni izvori elektromagnetskog polja moraju imati valjano izvješće o mjerenjima elektromagnetskog polja, kojim se potvrđuje da razine elektromagnetskih polja u okolini izvora, pri njegovom radu zadovoljavaju tražene uvjete. S obzirom na broj postojećih elektroenergetskih postrojenja i uređaja koji su izvori elektromagnetskog polja, zakonska obaveza HŽ Infrastrukture je izrada studije značaja korištenih izvora s obzirom na razinu emitiranih elektromagnetskih polja. U nastavku se razrađuje problematika elektromagnetskih polja čiji izvor predstavljaju postrojenja kontaktne mreže.

Najprije je dan pregled važeće regulative za postrojenja KM s naglaskom na granične razine električnog i magnetskog polja propisane u Pravilniku o zaštiti od elektromagnetskih polja. Hrvatska regulativa uspoređena je s odgovarajućom europskom na tom polju.

10.1 Pregled važe će regulative za postrojenja kontaktne mreže

10.1.1 Hrvatska regulativa

Najprije je dat osvrt na neke osnovne napomene iz Pravilnika o zaštiti od elektromagnetskih polja [1] u svezi elektroenergetskih objekata.

Razlikuju se dva područja:

• područja povećane osjetljivosti su: a) područja stambenih zona u kojima se osobe mogu zadržavati i 24 sata dnevno;

b) škole, ustanove predškolskog odgoja, rodilišta, bolnice, smještajni turistički objekti, te dječja igrališta (prema urbanističkom planu);

c) površine neizgrađenih parcela namijenjene prema urbanističkom planu za a) ili b);

• područja profesionalne izloženosti su: Područja radnih mjesta koja nisu u području povećane osjetljivosti i na kojima se pojedinci mogu zadržavati do 8 sati dnevno, pri čemu je kontrolirana njihova izloženost elektromagnetskim poljima.

126

Za prosudbu o emisiji EM polja elektroenergetskih objekata u okolinu bitne su granične vrijednosti polja dopuštene Pravilnikom (tablica 10-1. i 10-2.)

Tablica 10-1. Granične razine električnog i magnetskog polja, gustoće magnetskog toka i gustoće snage ekvivalentnog ravnog vala za pojedinačnu frekvenciju za područja profesionalne izloženosti. Granične razine dane su za efektivne vrijednosti jakosti nesmetanog polja i gustoće magnetskog toka, a vrijede za jednoliku izloženost cijelog ljudskog tijela elektromagnetskim poljima.

Tablica 10-2. Granične razine električnog i magnetskog polja, gustoće magnetskog toka i gustoće snage ekvivalentnog ravnog vala za pojedinačnu frekvenciju za područja povećane osjetljivosti. Granične razine dane su za efektivne vrijednosti jakosti nesmetanog polja i gustoće magnetskog toka, a vrijede za jednoliku izloženost cijelog ljudskog tijela elektromagnetskim poljima.

Izvor elektromagnetskog polja smije se upotrebljavati i stavljati u promet samo ako pri normalnoj uporabi razine elektromagnetskog polja u njegovoj okolini zadovoljavaju uvjete iz članaka 7., 8., 10., 11. i 13. ovoga Pravilnika odnosno vrijednosti u gornjim tablicama. Značajan je i slijedeći dio članka 23. Pravilnika: Za stacionarni izvor koji uobičajeno radi sa snagom manjom od nazivne (npr. elektroenergetski objekti), procjena udovoljavanja uvjetima iz članka 14. ovoga Pravilnika može se dati na temelju prvih mjerenja obavljenih pri radu izvora s uobičajenom snagom koja je manja od nazivne, uz prilaganje dijagrama dnevnih i tjednih opterećenja dotičnog izvora. Ukratko, najvažnije je rezimirati granične razine električnog i magnetskog polja za: a) područje profesionalne izloženosti (E= 5 kV/m; B = 100 µT). b) područje povećane osjetljivosti (E = 2 kV/m ; B = 40 µT). U nastavku (tablica 10-3.) je naveden popis hrvatskih normi vezanih za elektromagnetsku kompatibilnost (EMK), a nakon toga je dan kratki pregled.

127

Tablica 10-3. Popis hrvatskih normi vezanih za elektromagnetsku kompatibilnost

U HRN EN 50121 [2] su dani propisi, koje je donio Europski komitet za standardizaciju u elektrotehnici za EMK u elektrovučnom sustavu. Ova norma je kompatibilna sa općenitim propisima elektromagnetske kompatibilnosti danim u HRN EN 61000 i propisima za EMK u industriji danim u HRN EN 50082 i HRN EN 50081. Norma se sastoji od više dijelova. U prvom dijelu (HRN EN 50121-1) se navode općeniti propisi o EMK u elektrovučnom sustavu. U drugom dijelu (HRN EN 50121-2) se navode propisi o emisiji cjelokupnog željezničkog sustava u okolno područje (10 metara udaljenosti od tračnica i 3 metra od ograde elektrovučne podstanice). Na slici 10.1. je prikazano granično područje mjerenja elektromagnetskog polja KM-e i elektrovučne podstanice (EVP) prema toj normi.

128

Slika 10.1. Granično područje mjerenja elektromagnetskog polja KM-e i EVP-a prema normi HRN EN 50121-2

Sa slike 2.1. se vidi da granične udaljenosti pri mjerenju razine jakosti EM polja za otvorenu prugu iznose 10 m od osi krajnjeg kolosijeka, a za EVP 3 m od ograde. Za razliku od otvorene pruge, u normi su navedene i granične razine jakosti EM polja za frekvencije do 9 kHz za EVP-e, jer je tu veća koncentracija ljudi. Navedeno je da jakost magnetskog polja (pri niskim frekvencijama do 9 kHz) mjerenog na 3 m od zaštitne ograde EVP-a i na visini od 1 m, u bilo kojoj osi ne smije prelaziti razinu od 50 A/m (što odgovara gustoći magnetskog toka od 63 µT). To se odnosi na nazivno opterećenje EVP-a. Uslijed preopterećenja ili kratkog spoja u KM ta vrijednost može biti i do 10 puta veća. Unutar KM-e magnetsko polje (pri niskim frekvencijama) može biti do 100 A/m (126 µT). Kao što se vidi postoji razlika u odredbama prema Pravilniku o zaštiti od elektromagnetskih polja [1] (granične razine električnog i magnetskog polja za oba područja izloženosti navedena su u gornjem tekstu) i norme HRN EN 50121-2. U normi HRN EN 50061:2003 (EN 50061:1988+A1:1995+Corr.1:1995) o sigurnosti implantabilnih elektrostimulatora srca postoji dodatak o EMK tih uređaja. Elektrostimulatori srca su posebno testirani na otpornost za statička magnetska polja u rasponu 1 mT do 10 mT. Testovi za određivanje otpornosti na promjenjiva elektromagnetska polja su temeljeni na direktno narinutom naponu. Propisi o izloženosti uređaja elektromagnetskim (EM) poljima su se pojavili kao sprega sigurnosti proizvoda i standarda o elektromagnetskoj kompatibilnosti (EMK) [11]. Budući da je za jakost električnog i magnetskog polja bitna konfiguracija vodiča KM, u nastavku će se navesti pojedini propisi vezani za tu problematiku. Prema [3] najveći razmak prijevoznog sredstva, koje smije prometovati ispod kontaktnih vodova, treba biti ograničen garantiranim razmakom između najviše točke prijevoznog sredstva i kontaktnih vodova kako slijedi:

129

- 1,0 m - pri čemu prometni znakovi određuju maksimalnu visinu vozila; - 0,50 m - pri čemu postoje čvrste prepreke (npr. kruta prepreka ili uočljiva metalna

žica), koje su uzdignute na obje strane prijelaza i imaju psihološko ograničenje na visinu vozila;

- nalazi li se drveće ili grmlje u blizini kontakte mreže treba se održavati minimalna udaljenost od 2,5 m.

Prema Općem projektu KM [4], minimalni sigurnosni razmak između dijelova pod naponom i tovarnog profila cestovnog vozila iznosi 0,60 m. Kontaktni vodič na cestovnom prijelazu ne smije biti iznad gornjeg ruba glavne tračnice (GRT) na visini manjoj od 5,1 m kod jednofaznog sustava 25 kV, 50 Hz, odnosno 4,95 m kod istosmjernog sustava 3 kV, [5]. Prema privremenom tehničkom uputstvu za projektiranje i gradnju kontaktne mreže jednofaznog sustava 25 kV,50 Hz [6], minimalna visina kontaktnog vodiča na cestovnim prijelazima u nivou je 5,5 m. Kao što se vidi postoji bitna razlika u odredbama prema zakonskoj, podzakonskoj regulativi i normi HRN EN 50122-1 u vezi primjene zaštitnih zapreka i visini kontaktnog vodiča na cestovnim prijelazima, o čemu treba voditi računa pri izradi novih i usklađenju navedenih akata. Ukoliko se nadzemni vodovi nalaze iznad utovarne platforme minimalna udaljenost između platforme i voda treba biti 12 m. U pojedinim prilikama nije moguće osigurati dovoljan sigurnosni razmak. U tom je slučaju potrebno upotrijebiti prepreke. Oblik prepreke ovisi o mjestu gdje se prepreka postavlja u odnosu na dijelove pod naponom, udaljenosti između prepreke i dijelova pod naponom, te da li je prepreka u zoni slobodnog pristupa ili zoni ograničenog pristupa (samo radnici). Na slici 10.2. prikazani su najčešći slučajevi kod kojih se osobe približavaju dijelovima pod naponom.

Slika 10.2. Stajališta u blizini dijelova pod naponom izvan vozila i kontaktna mreža napajana izmjeničnim naponom 25 kV, [3]

130

Prema Zakonu o sigurnosti u željezničkom prometu [7] na cesti koja prelazi preko elektrificirane željezničke pruge moraju se na propisanoj udaljenosti s obiju strana željezničko-cestovnoga prijelaza postaviti zaštitne zapreke, koje ograničavaju prolazak cestovnih vozila čija visina zajedno s teretom premašuje propisanu najveću dopuštenu visinu. Zaštitna zapreka postavlja se na udaljenosti od najmanje 8 m od najbliže tračnice, mjereno po osi ceste i na visini od 4,5 m mjereno iznad kolnika ceste.

10.1.2 Usporedba sa europskom regulativom

U Europskoj direktivi 2004/40/IEC [10] su navedene granične razine minimalnog izlaganja elektromagnetskom (EM) polju, za frekvencijski spektar u rasponu od 0 Hz do 300 GHz, donesenom od strane Europskog Vijeća 29. travnja 2004. Radnici ne smiju biti izloženi EM poljima iznad vrijednosti određenih ovim propisom. Za raspon frekvencija od 0,025 kHz – 0,82 kHz, u koji spada pogonska frekvencija od 50 Hz, granična razina jakosti električnog polja i gustoće magnetskog toka iznosi: E = 500/f [V/m] i B = 25/f [µT] za područje profesionalne izloženosti. Za frekvenciju od 50 Hz te vrijednosti iznose: E = 10 kV/m i B = 500 µT. Granične razine EM polja za područje povećane osjetljivosti u ovoj direktivi nisu navedene. Navedeno je također da poslodavac mora provesti akcijski plan koji se sastoji od tehničkih i/ili organizacijskih mjera za sprečavanje izloženosti EM polja preko propisanih vrijednosti i mora utvrditi razloge prekoračenja, ako su granične vrijednosti elektromagnetskog polja prekoračene. Mjerenja navedena u 2004/40/EC ne treba provoditi u prostorima otvorenim za javnost, ako je procjena izvršena u skladu s preporukom Vijeća 1999/519/EC. Rezultati analize graničnih razina elektromagnetskog polja za elektrovučni sustav 25 kV, 50 Hz prema ovoj direktivi pokazuju da su u većini analiziranih scenarija granične razine jakosti elektromagnetskog polja kompatibilne sa gore navedenim vrijednostima za područje povećane osjetljivosti (E = 10 kV/m i B = 500 µT), ali u slijedećim slučajevima te vrijednosti mogu biti premašene [13]:

- ako vozni vod KM prelazi preko mosta i nije zaklonjen, jakost električnog polja je procijenjena na iznos od 11,8 kV/m iznad mosta;

- situacija kada su dijelovi pod naponom relativno blizu dijelovima postrojenja koji su uzemljeni (npr. u elektrovučnoj podstanici u blizini rastavljača i prekidača ili u blizini neoklopljenog 25 kV kabela);

- na platformama za radnike gdje jakost električnog polja doseže vrijednost od 5,21 kV/m za maksimalno dozvoljeni trenutni napon KM.

S obzirom na kompleksnost procjene izloženosti EM poljima u daljnjem radu bi se trebala navesti izvediva metodologija za dokazivanje sukladnosti sa graničnim razinama navedenim u direktivi. Tako npr. prema zaključcima međunarodne komisije za neionizirajuće zračenje u Velikoj Britaniji (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection - ICNIRP) granične razine električnog i magnetskog polja iznose: a) područje profesionalne izloženosti: E= 10 kV/m; B = 500 µT b) područje povećane osjetljivosti: E = 5 kV/m ; B = 100 µT.

131

U direktivi 2004/40/IEC [10] je također navedeno da s ovim graničnim razinama jakosti EM polja se možda neće moći izbjeći nepravilan rad nekih medicinskih uređaja (metalna proteza, umjetna pužnica, a posebno elektrostimulator srca) i tu se za njih ne definiraju bilo kakve granične razine, dok je ICNIRP 1994. godine dala smjernice o graničnim razinama EM polja kojima može biti izložen elektrostimulator srca. Granične razine, definirane EMF direktivom i međunarodnom komisijom za neionizirajuće zračenje, su direktno mjerljive veličine jakosti električnog ili magnetskog polja. Kao posljedicu elektromagnetskog polja postoje referentne veličine za posredne učinke elektromagnetskog polja, koje se ne mogu direktno mjeriti:

- dodirna struja koja teče tijekom dodira ljudskog tijela s vodljivim objektom u elektromagnetskom polju (IC) [mA];

- gustoća struje za glavu i trup (J) [mA/m2]; - specifična apsorbirana snaga uprosječena po cijelom tijelu ( SAR) [W/kg].

Ako su granične razine elektromagnetskog polja premašene to ne znači da su ograničenja izloženosti referentnim veličinama (dodirna struja, gustoća struje i specifična apsorbirana snaga) premašene, ali se podrazumijeva da je potrebna daljnja analiza referentnih veličina pomoću analitičkih modela [13]. U Pravilniku [1] su navedene granične razine za vremenski promjenjive dodirne struje za oba područja izloženosti EM polja (tablica 2-5. i 2-6.), a granične razine za J su navedene u tablici 2-1. i 2.2. Granične razine za područje profesionalne izloženosti definirane od strane EMF direktive mogu biti prekoračene na nekim mjestima (u slučaju da most prelazi preko KM kao i na platformama za radnike), pa je tako Zavod za zaštitu od zračenja u Velikoj Britaniji (Radiation Protection Division - RPD) donio granične razine magnetske indukcije i jakosti električnog polja [13]: a) područje profesionalne izloženosti: E= 46 kV/m; B = 1800 µT b) područje povećane osjetljivosti : E = 9 kV/m ; B = 360 µT. Na osnovi gore navedenog, dolazi se do zaključka da su te vrijednosti i do nekoliko puta više od graničnih vrijednosti dozvoljenih Pravilnikom (E = 5 kV/m i B = 100 µT).

132

10.2 Proračun elektromagnetskog polja za izabrana tipska rješe nja kontaktne mreže

Suvremenim računalnim programima moguće je utvrditi vrijednosti EM polja u prostoru, pri čemu je važno poznavati podatke o elektroenergetskom objektu. Proračuni magnetskog i električnog polja za izabrana tipska rješenja kontaktne mreže provest će se programskim paketom EFC-400 [8], koji omogućuje simulacije EM polja u trodimenzionalnom prostoru. Točnost rezultata proračuna povezana je s detaljnim prikazom vodiča i poznavanjem pogonskog stanja struje i napona.

10.2.1 Teoretske osnove prora čuna

10.2.1.1 Magnetska indukcija (gusto ća magnetskog toka)

Nekoliko faktora utječe na intenzitet magnetskog polja, u prvom redu struja po amplitudi kao i geometrija vodiča, a često se proračun polja provodi na osnovi najgoreg mogućeg slučaja (maksimalna struja). Svaki vodič protjecan strujom je okružen i magnetskim poljem koje može biti prikazano koncentričnim kružnicama oko samog vodiča. Pri tom se koristi "pravilo desne ruke" pri čemu palac pokazuje smjer struje, a zakrivljeni prsti smjer magnetske indukcije (B). Magnetska indukcija B vodiča kojim teče struja može se odrediti uz pomoć Biot-Savartovog zakona. Doprinos magnetskoj indukciji na udaljenosti r od strujnog elementa Idl dan je izrazom (10.1):

)t(Ir

rld)t(Bd

30

4

×π

µ= (10.1)

gdje su dB i I vremenski promjenljive veličine prikazane kao kompleksni brojevi. Da bi se odredila ukupna magnetska indukcija B (doprinos cijelog vodiča), potrebno je integrirati doprinose svih strujnih elemenata duž vodiča. Ako je strujni element (Idl) paralelan s x-osi njegov udio u magnetskoj indukciji u točci P(x,y,z) je dan izrazom (10.2.):

++

−−

πµ=

22

0

4 rx

x

)xL(

xL)t(I

r)t(B

p

p

pi

piii (10.2)

pri čemu su komponente vektora dane izrazom (10.3): 0=)t(Bxi

)t(Bzy

z)t(B i

pp

pyi 22 +

−= (10.3)

)t(Bzy

y)t(B i

pp

pzi 22 +

=

133

Prilikom proračuna svaki vodič se dijeli u segmente, a broj segmenata određuje se proizvoljno. Nosivo uže je modelirano s provjesom kao parabola, a kontaktni vodič je horizontalan.

Vektor magnetske indukcije )t(B se može prikazati pomoću komponenti pomoću izraza

(10.4):

=

)t(B

)t(B

)t(B

)t(B

z

y

x

(10.4)

Ako vodičem protječe sinusoidalna struja konstantne frekvencije ona se može izraziti kao:

)tsin(I)t(I max ω= (10.5)

pri čemu je efektivna vrijednost definirana kao 2/II max=

EFC-400 omogućuje računanje apsolutne vrijednosti vektora B (B ), pojedine

komponente vektora (Bx, By, Bz), te maksimalne vrijednosti Bmax.

10.2.1.2 Elektri čno polje

Jakost električnog polja se računa kao negativni gradijent skalara potencijala Φ(x,y,z):

)r()r(E Φ∆−= (10.6)

gdje je operator nabla:

∂∂∂∂∂∂

=∆z/

y/

x/

Potencijalna razlika opisuje rad koji je potreban za premještanje testnog naboja iz referentne točke potencijala Φ(x,y,z) = 0 u točku sa potencijalom iznosa Φ. U praksi referentna točka je postavljena u beskonačnosti. Tada je potencijal na udaljenosti A od izvora naboja dan slijedećim izrazom:

∫∞

⋅==ΦA

A sd)r(Eq

W)r( (10.7)

Rješenje ovog integrala se postiže pomoću linijskog (točkastog) naboja paralelnog x-osi:

222

222

04ppipip

ppppipppi

zy)Lx()Lx(

zyxxln

Q)t,z,y,x(

++−+−

+++πε

=Φ (10.8)

134

Proračun jakosti električnog polja je sličan proračunu magnetske indukcije osim u izračunu linijskog naboja Qj. Dok je prije bila zadana struja pojedinog vodiča, ovdje je potrebno odrediti naboj Qi iz poznatog napona U na površini vodiča. Tako se dobije iznos linijskog naboja u središtu svakog pojedinog segmenta vodiča. Iznos naboja se izračuna rješavanjem jednadžbe prema slijedećem izrazu:

jiji QPKU = (10.9)

Podjelom vodiča na n segmenata, sustav jednadžbi ima n nepoznanica, pri čemu je PKij – matrica potencijalnih koeficijenata. Inverzijom ove matrice se dobije raspodjela linijskog naboja. EFC-400 omogućuje da matrica PKij ima 16000 x 16000 elemenata (dok se vodič može podijeliti na 16000 segmenata). Tako veliki proračun može trajati i po nekoliko dana (proporcionalno sa n2 – n3) i zahtjeva slobodan prostor na disku od 1 GB. Vrijeme proračuna električnog polja je 2-3 puta duže od proračuna magnetskog polja, upravo zbog inverzije PKij matrice. Za razliku od magnetskog polja ovdje se utjecaj zemlje ne može zanemariti jer je zemlja skoro idealan vodič u usporedbi s impedancijom zraka. 10.2.2 Ulazni podaci za prora čun

Pored geometrije KM (slika 10.3.) za proračun jakosti EM polja će se koristiti parametri KM 25 kV, 50 Hz dani u tablici 10-4.

e f

a

550

0 m

m1

400

mm

2700 mm

1507 mm

b

nosivo uže

kontaktni vod

povratni vod

c d

2700 mm

a

b

4000 mm

Slika 10.3. Poprečni presjek kontaktne mreže dvokolosiječne otvorene pruge za izmjenični sustav napajanja 25 kV, 50 Hz.

Oznake na slici su sljedeće: a – kontaktni vod, b – nosivo uže, c, d, e, f – tračnice koje čine povratni vod.

135

Tablica 10-4. Parametri KM 25 kV, 50 Hz

10.2.3 Jednokolosje čna pruga

Na slici 10.4. je vidljiv trodimenzionalni prikaz modelirane kontaktne mreže s 4 raspona. Na ostalim slikama je prikazana raspodjela elektromagnetskog polja na visini od 1.5 m i u okolini tračnica (pružni pojas). Proračun je proveden za drugi i treći raspon kako bi se izbjegli rubni efekti.

Slika 10.4. Trodimenzionalni prikaz modeliranog sustava sa 4 raspona

Slijedi prikaz jakosti električnog polja i gustoće magnetskog toka, pomoću izolinija za slučaj kada voznim vodom teče struja od 150 A, a napon kontaktne mreže iznosi 25 kV.

Na slici 10.5. i 10.6. prikazane su gustoća magnetskog toka i jakost električnog polja u poprečnom presjeku YZ na kraju prvog raspona (vodiči KM i tračnice su postavljene uzduž osi X).

136

Slika 10.5. Gustoća magnetskog toka uzduž YZ presjeka na kraju prvog raspona kontaktne mreže (krivulje crne boje su granične vrijednosti od 40 µT).

Kao što se vidi sa slike 10.5, vrijednost gustoće magnetskog toka je najviša u prostoru između tračnica, dok se ta vrijednost smanjuje udaljavanjem. Prikaz pomoću izolinija pokazuje da je izvan pružnog pojasa gustoća magnetskog toka niža od 4 µT za struju voznog voda od 150 A.

Slika 10.6. Električno polje uzduž YZ presjeka na kraju prvog raspona kontaktne mreže (krivulje crne boje su granične vrijednosti od 2 kV/m)

Sa slike 10.6. je vidljivo da jakost električnog polja izvan pružnog pojasa ima iznos manji od 0,4 kV/m za nazivni napon kontaktne mreže od 25 kV. Rezultati prikazuju da je jakost električnog polja najveća u okolini voznog voda.

137

10.2.4 Dvokolosje čna pruga

U nastavku će se prikazati rezultati proračuna za dvokolosiječnu prugu kontaktne mreže. Poprečni presjek ovog tipa kontaktne mreže je prikazan na slici 10.3, a parametri su dani u tablici 10-4. U proračunima su uzete prosječne struje voznih vodova dvokolosječne pruge dobivene elektrovučnim proračunom.

Na slikama 10.7. i 10.8. prikazana je gustoća magnetskog polja u poprečnom presjeku YZ i po osi Y na kraju prvog raspona (vodiči kontaktne mreže i tračnice su postavljene uzduž osi X), za dvokolosiječnu prugu uz struju voznih vodova prema od 65 A i 35 A.

Slika 10.7. Gustoća magnetskog toka uzduž YZ presjeka na kraju prvog raspona KM-e (krivulje crne boje su granične vrijednosti od 40 µT)

Slika 10.8. Gustoća magnetskog toka uzduž Y-osi kontaktne mreže na visini 1,5 m dvokolosječne pruge za struje voznih vodova 65 A i 35 A

138

Sa slika 10.7. i 10.8. je vidljivo da su najveće vrijednosti gustoće magnetskog toka između i u neposrednoj blizini kolosijeka. Najveća vrijednost gustoće magnetskog toka izvan pružnog pojasa je manja od 1,5 µT, a dopuštena granica za područje povećane osjetljivosti je 40 µT.

Na slici 10.9. prikazana je jakost električnog polja uzduž poprečnog presjeka dvokolosječne pruge za napon kontaktne mreže 25 kV.

Slika 10.9. Električno polje uzduž YZ presjeka na kraju prvog raspona kontaktne mreže (krivulje crne boje su granične vrijednosti od 5 kV/m).

Sa slike 10.9. vidljivo je da je najveća vrijednost jakosti električnog polja između kolosijeka na visini vodiča voznog voda, a izvan pružnog pojasa je manja od 0,5 kV/m.