Napajanje električne vuče - graphis.hr · Relejna zaštita kontaktne mreže i elektrovučnih podstanica obrađena je u sedmom poglavlju. U osmom poglavlju dan je prikaz složene

Napajanje električne vuče

Ivo UglešićMilivoj Mandić

V

Sadr�aj

Predgovor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

1. Elektrifikacija željezničkih pruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1. Povijest elektrifikacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Elektrifikacija pruga u svijetu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3. Elektrifikacija hrvatskih željeznica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.4. Razlozi elektrifikacije željezničkih pruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.4.1. Ekološki i prostorni kriteriji i uvjeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.4.2. Ekonomski kriteriji i uvjeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.4.3. Energetski razlozi i uvjeti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.4.4. Prometni uvjeti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.4.5. Tehnički uvjeti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.5. Analiza izvodljivosti prije elektrifikacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.6. Prednosti električne vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2. Razvoj i karakteristike sustava za napajanje elektrificiranih pruga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1. Trofazni sustav snižene frekvencije 3,3 kV, 15 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2. Jednofazni sustav 15 kV, 16 2/3 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3. Istosmjerni sustav 3 000 V i 1500 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.4. Jednofazni sustav 25 kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5. Jednofazni sustav 2×25 kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.6. Sustavi velikih brzina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

VI


3. Interoperabilnost sustava električnih željeznica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1. Europska prometna politika za budućnost Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2. Položaj željezničkog sustava u prometnom sustavu Europske unije . . . . . . . . 413.3. Uvođenje novih tehnologija u željeznički prometni sustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.1. Uvođenje interoperabilnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3.2. Tehničke specifikacije za interoperabilnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.3. Tehničke specifikacije za podsustav energije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4. Kontaktna mreža. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.1. Vrste kontaktne mreže prema načinu ovješenja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.2. Napajanje vučnih vozila iz kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.3. Povratni vod kontaktne mreže. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.4. Uzemljenje kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.5. Zatezno polje i preklopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.6. Konstrukcija i izvedba kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.6.1. Kontaktna mreža za otvorenu prugu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.6.2. Kontaktna mreža za kolodvore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.7. Električne karakteristike kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.7.1. Impedancija kontaktne mreže. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.7.1.1. Proračun jedinične impedancije kontaktne mreže . . . . . . . . . . 77

4.8. Mehaničke karakteristike kontaktne mreže. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.8.1. Opterećenje vodova kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.8.1.1. Fizička težina vodova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.8.1.2. Sile naprezanja vodova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.8.1.3. Opterećenje uzrokovano vjetrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.8.1.4. Opterećenje prouzročeno zaleđivanjem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.8.1.5. Jednadžba stanja vodiča . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5. Napajanje i sekcioniranje kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1. Napajanje elektrovučne podstanice 25 kV, 50 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.1. Izvedbe i karakteristike vučnih transformatora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2. Sekcioniranje kontaktne mreže. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.2.1. Dvostrano napajanje kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6. Elektroenergetski proračun stabilnih postrojenja napajanja električne vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.1. Simulacija električne vuče. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.1.1. Fizikalna slika kretanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.1.1.1. Stalni otpori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.1.1.2. Povremeni otpori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.1.1.3. Otpor ubrzanja. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.1.2. Adhezija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.1.3. Potrebna snaga za vuču vozila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.1.4. Matematički model za proračun kretanja vlaka. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.1.5. Režimi vožnje vlaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1.6. Algoritam za simulaciju kretanja vlaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

VII

Sadržaj

6.2. Formiranje električne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.3. Proračuni u kontaktnoj mreži . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.3.1. Proračun električnih prilika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1246.3.2. Proračun zagrijavanja vodova kontaktne mreže. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.3.3. Proračun kratkog spoja u kontaktnoj mreži . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7. Relejna zaštita stabilnih postrojenja za napajanje električne vuče. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

7.1. Relejna zaštita kontaktne mreže . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1367.2. Relejna zaštita elektrovučne podstanice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.2.1. Zaštita transformatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8. Elektromagnetska kompatibilnost u elektrovučnom sustavu . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.1. Postojeće norme i propisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1468.2. Utjecaj elektrovučnog sustava na telekomunikacijske vodove . . . . . . . . . . . . . 149

8.2.1. Induktivni utjecaj kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

8.2.1.1. Računanje induciranog napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1508.2.1.2. Induktivni utjecaj u slučaju kratkog spoja voznog voda . . 1548.2.1.3. Utjecaj na cjevovode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1578.2.1.4. Mjere za minimiziranje induktivnog utjecaja . . . . . . . . . . . . . . 160

8.2.2. Kapacitivni utjecaj kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

8.2.2.1. Računanje influenciranog napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1618.2.2.2. Mjere za minimiziranje kapacitivnog utjecaja . . . . . . . . . . . . . 163

8.2.3. Omski i galvanski utjecaj povratnog voda na ostale metalne objekte položene u zemlju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.2.3.1. Utjecaj na kabele položene u zemlju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.3. Električna i magnetska polja niske frekvencije u elektrovučnom sustavu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.3.1. Električno polje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.3.2. Magnetska indukcija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.3.3. Mjerenje elektromagnetskog polja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1668.3.4. Proračun elektromagnetskog polja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

8.4. Kvaliteta električne energije. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

8.4.1. Pokazatelji kvalitete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

8.4.1.1. Frekvencija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1738.4.1.2. Iznos napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1748.4.1.3. Treperenje napona (flikeri) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1758.4.1.4. Nesimetrije napona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.4.1.5. Viši harmonici i međuharmonici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.4.1.6. Povišenje napona i prenaponi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9. Trendovi razvoja u sustavima napajanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

9.1. Izmjena sustava električne vuče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

9.1.1. Izmjene sustava na pruzi Moravice – Rijeka – Šapjane. . . . . . . . . . . . . . 182

9.2. Nova brza pruga visoke učinkovitosti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

9.3. Učinkovito korištenje električne energije na željeznici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

9.3.1. Stanje na hrvatskim željeznicama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

9.4. Regenerativno kočenje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

9.5. Razvoj suvremenih europskih željezničkih sustava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Popis oznaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Kazalo pojmova . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

O autorima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

VIII


IX

Predgovor

Knjiga Napajanje električne vuče obrađuje osnovnu problematiku sustava napajanjaelektrificiranih pruga. Sustavi za napajanje električne vuče nastajali su diljem svijeta uskladu s mjestom i tehnologijom dostupnom u vrijeme njihove izgradnje. Prvi sustaviizgrađeni su prije više od 100 godina, a u posljednjih 20 godina došlo je do dina mič -nog razvoja električne željezničke vuče, čemu je velikim dijelom doprinos dao ubrzanirazvoj energetske elektronike i mikroprocesora. Sustavi napajanja složeni su tehničkiobjekti u kojima pored starih mogu postojati i najmodernije tehnologije, pa su za nji-hovo projektiranje, izgradnju i održavanje potrebna multidisciplinarna tehnička zna -nja.

U ovoj knjizi nastojalo se čitatelja na postupan način upoznati s glavnim elementi-ma sustava napajanja, kao i nekim metodama proračuna za provjeru mogućnosti napa-janja vučnih vozila i za dimenzioniranje kontaktne mreže. Knjiga je koncipirana naosnovi dosadašnjih iskustava autora u radu na ovom području i velikim dijelom obra -đuje problematiku sustava 25 kV, 50 Hz kojim su elektrificirane željezničke pruge uHrvatskoj.

U prvom poglavlju knjige prikazan je povijesni razvoj elektrifikacije željeznica iopisani su osnovni tehnički problemi elektrovuče koji su se sastojali u pronalaženjunajpovoljnijega izvora i prijenosa električne energije do električne lokomotive i zatimnjezina korištenja u samoj lokomotivi.

Drugo poglavlje opisuje različite sustave napajanja električne vuče, čija je raznoli -kost bila prouzročena stupnjem razvoja elektrotehnike u pojedinim zemljama. Danasse nastoje uskladiti tehnička rješenja i standardizirati propisi koji bi omogućili nepre -kidno prometovanje među državama i osigurali interoperabilnost željezničkog sustavau Europi, što je opisano u trećem poglavlju knjige.

Četvrto poglavlje obrađuje problematiku kontaktne mreže, složenog objekta kojinema nikakvu rezervu u pogledu instalacija, pa se zato mora oprezno projektirati,izgra diti i održavati.

Osnovni principi napajanja i sekcioniranja kontaktne mreže za sustav 25 kV, 50 Hzprikazani su u petom poglavlju, dok šesto opisuje osnove elektroenergetskog proraču-na za računanje električnih prilika u elektrovučnom sustavu na osnovi prometa vlako-va.

Relejna zaštita kontaktne mreže i elektrovučnih podstanica obrađena je u sedmompoglavlju.

U osmom poglavlju dan je prikaz složene problematike elektromagnetske kompa -tibilnosti u elektrovučnom sustavu.

Deveto poglavlje opisuje neke nove aspekte razvoja sustava napajanja, u prvomeredu na hrvatskim željeznicama.

Knjiga je namijenjena studentima na diplomskom i poslijediplomskom sveučiliš -nom studiju koji izučavaju građu vezanu uz električne željeznice. Može biti korisna imnogim stručnjacima koji se na bilo koji način bave tim problemima u praksi.

Izražavamo posebnu zahvalnost tvrtkama koje su potpomogle objavljivanje ovogsveučilišnog udžbenika, a to su: HOPS d.o.o. – Hrvatski operator prijenosnog sustava,ŽPD d.d. – Željezničko projektno društvo i FER – Fakultet elektrotehnike i računarstvau Zagrebu.

Sa zahvalnošću ćemo primiti primjedbe i prijedloge koji bi poboljšale sadržaj slje -dećeg izdanja ove knjige.

U Zagrebu listopada 2014.

Autori


X

Elektrifikacija �eljezni�kih pruga

Od uvođenja prve električne vuče 1879. godine do danas elektrificirano je više od250 000 kilometara željezničkih pruga u svijetu.

Elektrifikacija željeznica počela je u posljednjem desetljeću XIX. stoljeća. Od tada pado danas elektrificirane su mnoge glavne željezničke pruge. Iz statističkih podatakamože se konstatirati da u gotovo svim industrijski razvijenim zemljama svijeta, is -ključujući zemlje Sjeverne i Južne Amerike, električna vuča zauzima vodeće mjesto poobimu prijevoza, a obim prijevoza tim je veći što je veći udio elektrificiranih pruga uodnosu na ukupnu dužinu pruga.

Tempo elektrifikacije željeznica stalno se pojačavao, posebno u Europi, i to posebnou godinama nakon II. svjetskog rata. Vuču vlakova na elektrificiranim prugama obav-ljaju električne lokomotive s putničkim ili teretnim vagonima i elektromotorni vlakovis vlastitim električnim pogonom s posebnim putničkim garniturama samo za prijevozputnika.

Uvođenje električne vuče na željeznicama ima sljedeće važne značajke:

– najvišu tehničku razinu u željezničkoj vuči– povoljnije korištenje energetskih izvora– bolju kvalitetu prijevoza putnika i robe zbog povećanja brzine, udobno sti, čistoće

i sigurnosti– veće prometne mogućnosti zbog bržih i težih vlakova te time povećanje propusne

moći pruga po broju vlakova i povećanje prijevozne moći pru ga po količini trans-porta

– ekonomski faktor zbog najnižih troškova prijevoza.

Elektrifikacija željeznica razvijala se i usavršavala prema stupnju razvoja elektro -tehnike i znatno je ovisila o tome, ali je ujedno dosta utjecala na razvijanje elektro -tehnike i elektroindustrije. Tehnički problemi elektrifikacije željeznica, odnosno elek-trovuče, od samog početka do najnovijih rješenja sastojali su se u pronalaženju najpo-

1

1

2


voljnijeg izvora i prijenosa električne energije do električne lokomotive i zatim kori -štenja te električne energije u samoj lokomotivi. U biti je trebalo riješiti ta dva osnovnakrupna problema elektrifikacije željeznica.

Prvo, odabrati izvor napajanja električne energije, odnosno izvor struje i napona,te ostvariti prijenos energije do stabilnih postrojenja elektrovuče uz najprikladnijutransformaciju i dovod do električne lokomotive za željezničku vuču.

To znači prijenos energije od elektrana ili trafostanica te putem dalekovoda do že-ljezničkih elektrovučnih podstanica te voznim vodom do lokomotiva i natrag tračnica-ma do podstanica.

Drugo, trebalo je pronaći najpovoljniji elektrovučni motor za pogon u električnojlokomotivi. Koliko je god bilo važno riješiti problem izbora napona i struje izvora inapajanja električne energije, još je više trebalo pronaći najpovoljniji vučni motor jerje to često bila osnova za čitav sustav elektrifikacije željeznica.

S razvojem elektrotehnike i elektroindustrije nastajali su i različiti sustavi elektri-fikacije željezničkih pruga. Prvi je i jedini sustav elektrifikacije željeznica, koji je nas-tao potkraj 20. stoljeća, istosmjerni sustav napona 600 V, i dok se on na željeznicamakasnije vrlo malo primjenjivao, dobio je široko područje u podzemnim željeznicamavelikih gradova.

Svi važni sustavi elektrifikacije željeznica nastali su i razvili su se zapravo tijekomprošlog stoljeća.

1.1. Povijest elektrifikacije

Smatra se da je električna vuča nastala 31. svibnja 1879. godine kada je na indus-trij skoj izložbi u Berlinu demonstrirana prva električna željeznica duljine oko 300 m,a izgradio ju je Werner von Siemens.

Električnu lokomotivu pokretao je električni motor snage 9,6 kW. Električnu strujuuz napon od 160 V motor je dobivao preko posebne kontaktne tračnice, a kao povratnivodič služile su tračnice po kojima se vlak kretao – tri minijaturna vagončića kretala suse brzinom od 7 km/h, a na klupama je bilo 18 putnika.

Nakon toga započelo je istraživanje uporabe električne vuče u Njemačkoj, VelikojBritaniji, SAD, Austriji, Irskoj i Francuskoj, pa bi kronologiju doga đanja trebalo dati zasvako zemlju posebno, što bi bilo preopširno.

Zbog toga je u nastavku dan pregled nekih karakterističnih događaja u povijestielektrifikacija željeznica, prvo u Europi pa u svijetu.

Dana 16. svibnja 1881. otvorena je za putnički promet prva urbana električna že-ljeznica Berlin – Lichterfeld (180 V). Godine 1891. elektrificirana je pruga Lauffen –Frankfurt u dužini od 175 kilometara (7 kV, 40 Hz).

Prva električna lokomotiva u Europi vozila je 1899. godine na magistralnoj pruziBurgdorf – Thun, sustav za napajanje električne vuče bio je trofazni napon 750 V, 40Hz (slika 1.1.).

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

Oko 1900. godine još nije postojao istosmjerni motor veće snage, pa se eksperimen-tiralo s trofaznim izmjeničnim asinkronim motorom.

Sustav s 750 V i frekvencijom 40 Hz najprije je primijenjen u Švicarskoj. Loko -motive su imale indukcijske asinkrone motore. Sustav se u praksi poka zao priličnosloženim jer je zahtijevao dva međusobno izolirana kontaktna voda (treću su fazučinile tračnice), što je bilo osobito nespretno kod skretnica. Osim toga, dodatni jetrošak prouzročila nemogućnost izravnoga povezivanja željezničke mreže na javnuelektroprivrednu mrežu (bez transformacija). Zbog toga je trebalo iznaći jednostavni-je rješenje. Istra živanja koja su uslijedila granala su se u dva smjera: izmjenična iistosmjerna struja.

Talijanske željeznice predstavile su električnu vuču na pruzi u sjeverozapadnojItaliji, u pokrajini Valtellina, dužine 106 km, koja je otvorena za promet 4. rujna 1902.godine (slika 1.2.). Na sjeveru Italije trofazni se sustav napona 3300 V, 15 Hz širio do1928. godine.

Na slici 1.3. prikazan je brzi vlak, koji je proizveo Siemens 1903. godine. Vlak je bioza trofazni izmjenični sustav, a 23. listopada 1903. godine postigao je maksimalnu br -zinu od 207 km/h.

Pri izmjeničnoj struji nije se mogla upotrijebiti industrijska frekvencija od 50 Hzzbog štetnih posljedica na kolektorima motora, nego ju je trebalo sniziti. Frekvencijaje sma njena na trećinu, tj. na 16 2/3 Hz.

Prva lokomotiva koja se napajala s 15 kV, 16 2/3 Hz izgrađena je 1905. godine uŠvicarskoj (slika 1.4.).

Njezina ukupna satna snaga iznosila je 150 kW. U to je vrijeme već bilo mogućeproširiti elektrifikaciju diljem Europe.

Početkom 20. stoljeća velik je razvoj električne vuče u cijelom svijetu. Sustav napa-janja 15 kV, 16 2/3 Hz prihvatile su Švicarska i Njemačka 1909. godine, iduće godine

3

1. Elektrifikacija željezničkih pruga

25

Tijekom čitavog razvoja elektrifikacije željeznica, odnosno od prvih početaka elek-trične vuče, sve je u osnovi ovisilo o stupnju tehničkih rješenja električnoga vučnogmotora i o proizvodnji i prijenosu električne energije do motora.

U razvoju elektrifikacije željeznica ogleda se većim dijelom razvitak i primjenaelektrotehnike u elektroindustriji krajem 19. i početkom 20. stoljeća, a traje sve do da -našnjih dana. Na tom putu bilo je dosta tehničkih rješenja, od kojih su neka napuštenaili su danas rjeđe u uporabi. U nastavku će se navesti tehnička ostvarenja do kojih jedošlo tijekom elektrifikacije željeznica:

– Izvori napona i struje: najprije su postojale vlastite istosmjerne elektrane za isto -smjerne sustave napajanja, zatim vlastite hidroelektrane za sustave napajanja sasniženom frekvencijom 16 2/3 Hz. To je bilo omogućeno razvojem pretvaračapogonske frekvencije od 50 Hz na 16 2/3 Hz. U današnje vrijeme postoje elektro-vučne podstanice za istosmjerne i izmjenične sustave napajanja.

– Prijenos električne energije do elektrovučne podstanice: vlastiti željeznički i elektro-privredni dalekovodi (dvofazni i trofazni za jednofazne sustave 16 2/3 Hz i 50 Hz,a trofazni za istosmjerne sustave).

– Prijenos električne energije od elektrovučne podstanice do elektrolokomotive: izoli-rana treća tračnica; zračni vozni vod, tramvajski ovjes, polukompenzirana i pot-puno kompenzirana kontaktna mreža.

– Povratni strujni put: tračnice željezničke pruge (obje ili samo jedna uzemljena) ipovratno uže.

– Postupni razvoj izolacija i izolatora te uređaja za više napone.

– Električne lokomotive svih vrsta, veličina i snaga: za istosmjernu struju napona600 V, 1500 V i 3 000 V; za jednofaznu struju sniženih frekvencija 16 2/3 Hz, 15 kV;za trofaznu struju 3,3 kV, 50 Hz; za jednofazni sustav pogonske frekvencije 50 Hz,25 kV. Snage lokomotiva od nekoliko stotina do nekoliko tisuća kW.

Razvoj i karakteristike sustava za napajanje elektrificiranih pruga2

– Vučni električni motori: mali magnetnomotorni istosmjerni strojevi u početku koji

se više ne proizvode, istosmjerni serijski motori za istosmjerne napone isto -

smjernih sustava vuče i s valovitim naponom ispravljenih struja monofaznog

sustava, jednofazni serijski motori za sniženu i pogonsku frekvenciju, asinkroni

motori.

Primjenjuju se različite kombinacije pretvaranja napona, struje ili broja faza nasamim lokomotivama (putem transformatora, ispravljača svih vrsta, različitih pretva-rača broja faza i frekvencije itd.). Iz čitavoga tog kompleksa danas su se kao najpovolj-nija rješenja istaknule dvije vrste vučnih motora, i to:

– asinkroni vučni motor koji se napaja iz jednoga pulsnog pretvarača s poluvodiči-ma promjenjivog napona i frekvencije

– istosmjerni serijski motor za istosmjerne napone

– istosmjerni serijski motor za ispravljenu izmjeničnu struju.

U najnovijim se izvedbama lokomotiva (tzv. višesustavne lokomotive) na krovištunalaze četiri oduzimača struje. Na krajnjim se položajima nalaze oduzimači izmjenič-ne struje napajanja, dok se na unutarnjim položajima nalaze oduzimači struje isto-smjer nog napona napajanja. Također su opremljene vakuumskim glavnim prekidačemza izmjenični sustav (nalazi se na krovu) i s istosmjernom brzom sklopkom za isto-smjer ni sustav (nalazi se u strojarnici). Uz oduzimače struje i glavnog prekidača zaizmje nični sustav napajanja na krovištu lokomotive nalaze se i naponski pretvarači.Osi gu ran je od eksplozije u svrhu zaštite osoblja.

Neizostavna je komponenta napajanja energijom lokomotive transformator. Glavnitransformator jednofazni je transformator izveden za napone izmjeničnog sustava15 kV, 16 2/3 Hz i izmjenični sustav 25 kV, 50 Hz. Željezna jezgra s primarnim i sekun-darnim namotima i apsorbcijska prigušnica dvaju vučnih međukrugova nalaze se ukotlu transformatora.

U istosmjernom sustavu napajanja namoti za vuču koriste se kao prigušnice mrež -nog filtra.

Najpovoljnija veličina napona za vučne motore iznosi oko 750 V, ali zbog nepoželjneelektromagnetske transformacije pri komutaciji grade se izravni vučni motori mono-fazne vuče 16 2/3 i 50 Hz za napone 450 V, odnosno 220 V, dok vučni motori isto-smjernih sustava 1500 V i 3 000 V imaju napone 750 V i 1500 V, odnosno 1000 V kodispravljačkih električnih lokomotiva 50 Hz. Redoslijed nastajanja elektromotora bio jesljedeći:

– serijski istosmjerni motor za niski napon do 600 V

– trofazni asinhroni motor na načelima okretnoga magnetskog polja višefaznihsustava (Tesla)

– jednofazni serijski motor 16 2/3 Hz i 25 Hz

– serijski istosmjerni motor za istosmjerni napon 1500 V (odnosno dva motora use riji pri 3 000 V)

– istosmjerni serijski motor za ispravljenu izmjeničnu struju i izravni monofazni motor

– serijski motor jednofaznog sustava 50 Hz.

26


39

Zbog složenosti i raznolikosti sustava napajanja električnih željeznica u pojedinimzemljama Europe nastoji se uskladiti i standardizirati propise koji bi omogućili nepre -kidno prometovanje između država i osigurali interoperabilnost transeuropskoga že-ljezničkog sustava.

U zadnjih desetak godina intenzivno se provodi proces donošenja jedinstveniheuropskih normi koje u tehničko-tehnološkom smislu uređuju željeznički sustav, kaoi propisa kojima se određuju smjernice budućeg razvoja jedinstvenoga interopera -bilnog željezničkog sustava te tehničko-tehnološki, funkcionalni i sigurnosni uvjeti zaorganizaciju i regulaciju željezničkog prometa. Najvažniji od tih propisa tehničke suspecifikacije za interoperabilost (TSI), i to za svaki od podsustava transeuropskoga že-ljezničkog sustava.

3.1. Europska prometna politika za budućnost Europe

Europske se željeznice od kasnih 1960-ih sve teže natječu s povećanjem popular-nosti cestovnog i zračnog prijevoza i teže prilagođavaju novim zahtjevima kupca i uteretnom i u putničkom prometu. To je djelomično zbog nedostatka konkurencije u že -ljez ničkom prometu. Zbog tih događaja Europska unija (EU) obavlja niz inicijativa zamodernizaciju željezničkog sektora kako bi mu se omogućilo da ostvari svoj potencijal.

Željeznički prometni sustav Europe danas predstavlja kontrast između starog inovog. S jedne strane grade se moderne željezničke mreže velikih brzina, a s drugestrane većinu zemalja karakterizira zastarjeli teretni i prigradski promet.

Specifičnost je željezničkog prometa da se odvija po posebno izgrađenim putovima– kolosijecima. Širina se kolosijeka s vremenom mijenjala. Gotovo 60 % željezničkihmreža danas koristi se tzv. standardnim ili internacionalnim kolosijecima širine 1 435

Interoperabilnost sustava elektri�nih �eljeznica3


40

mm. No nisu sve države usvojile tu mjeru kao standardnu, kao npr. Rusija i nekadašnjeSovjet ske Republike.

Različita širina kolosijeka problem je u povezivanju. Kako bi se taj problem riješio,uvedeni su tzv. dvojni kolosijeci. Povezivanjem prometnih mreža unutar Europeočekuje se daljnja standardizacija širina kolosijeka. Tako se danas nove linije velikihbrzina u Španjolskoj koriste standardnom širinom kolosijeka od 1435 mm. Danas se uokviru Europske unije ulažu znatna sredstva u standardizaciju ne samo širine kolosi-jeka nego i sustava signalizacije i napajanja u cilju povećanja brzine prometovanja tesigurnosti. Željeznica je imala ključnu ulogu u razvoju ekonomija pojedinih zemalja,pa ne čudi da je većina odluka donesena u skladu s potrebama države. U mnogimdržavama takva je situacija zadržana do danas.

Da bi se stvorio jedinstveni europski željeznički sustav bilo je potrebno donijetiodređene pravne regulative. Donesene su regulative o otvaranju tržišta za prijevozputnika i roba, o interoperabilnosti vlakova velikih brzina i običnih vlakova, o uvjetimaizdvajanja financijskih sredstava od strane države, o pristupu mreži itd.

Godine 1996. Europska komisija izdala je Bijelu knjigu, dokument koji između osta-loga sadržava Strategiju revitalizacije državne željeznice. Tim dokumentom dane suosnovne namjere u politici poslovanja te su predloženi programi koji bi trebali omo-gućiti provođenje tih zadataka.

Predložena je veća uloga tržišta, čime bi se smanjili troškovi te poboljšala kvalitetausluge, odvajanje države i željeznica, stvaranje koridora za prijevoz tereta itd. Bijelaknjiga bila je osnovno polazište za sve odredbe donesene od 1996. godine nadalje.

Od početka 1970-ih do sredine 1990-ih broj poginulih u željezničkim nesrećama uzemljama EU-a (15 članica) smanjio se za gotovo 75 %.

Godine 1971. u željezničkim nesrećama poginuo je 381 čovjek, a 1996. godine 93ljudi. Iste godine u automobilskim nesrećama u 15 zemalja članica Europske unijepoginulo je 43500 ljudi. Države članice Europske unije koncem prošlog stoljeća shva-tile su da je nedostatak harmonizacije mreža i sustava najveće ograničenje željeznicezbog čega se troši vrijeme, povećavaju troškovi i smanjuje konkurentnost.

Nakon toga, 2001. godine EU je usvojio drugi programski dokument Europskaprometna politika za 2010.: vrijeme odluke koji je bio u prvome redu usmjeren na koris-nika usluge te poboljšanje kvalitete pruženih usluga. Dokument obuhvaća 60-ak mjerakojima bi trebalo doprinijeti napretku prometa u EU-u. Glavni su ciljevi uravnoteženjeodnosa između pojedinih oblika prometa, rješavanje problema zagušenja prometa,poboljšanje odnosa prema korisniku, globalizacija prometa, poticanje intermodalnostikao ključni faktor i izgradnja transeuropske prometne mreže.

U oba programska dokumenta cilj je bio povećanje suradnje među državama člani-cama te zajednički razvoj modernih tehnologija i sustava kao što je razvoj željezničkihmreža velikih brzina.

Neravnomjeran razvoj unutrašnjeg tržišta pojedinih zemalja te nedostatak fiskalnei socijalne harmonizacije kao posljedicu imaju neravnomjeran razvoj pojedinih oblikaprometa. To je i posljedica činjenice da su pojedini oblici prometa, poput npr. ces-tovnog prometa, znatno prilagodljiviji potrebama suvremenog gospodarstva. Daljnje

51

Kontaktna mreža (KM) stabilno je postrojenje električne vuče namijenjeno za ne -prekidno i kvalitetno napajanje električnih vučnih vozila električnom energijom prisvim brzinama i u svim vremenskim uvjetima. To je relativno skup i složen objekt tenajveći dio svih investicija za izgradnju stabilnih postrojenja otpada na izgradnju kon-taktne mreže koja nema nikakvu rezervu u pogledu instalacija, pa se zato mora opre z-no projektirati, izgraditi i održavati kako bi njezina eksploatacija bila kvalitetna. Sastojise od voznog voda i povratnog voda i služi za prijenos električne energije iz elektro-vučne podstanice do električne lokomotive, a naziv je dobila po kontaktnom vodiču ilikliznoj žici. Nekada se energija prenosila s pomoću izolirane treće tračnice montiraneduž kolosijeka, a danas se to zadržalo u podzemnim željeznicama. Nadzemni vodičikontaktne mreže postavljeni su na nosive konstrukcije iznad kolosiječnih postrojenja.Osnovni su elementi kontaktne mreže:

1. vozni vod

2. napojni vod

3. nosive konstrukcije kontaktne mreže

4. oprema za vješanje i automatsko zatezanje

5. oprema za električno rastavljanje

6. tračnice i povratni vod.

4.1. Vrste kontaktne mreže prema načinu ovješenja

Kontaktni vodič ima provjes čiji iznos ovisi o temperaturi i nekim drugim utjecaji-ma. Na kontaktni se vodič ujedno postavlja zahtjev da stalno bude na istoj visini te daje što više paralelan s kolosijekom kako bi se vlak mogao čim brže gibati. Nosivo užeovdje ima važnu ulogu i vješaljkama pridržava kontaktni vodič tako da on bude para-lelan s prugom.

Kontaktna mre�a4


52

Prema konstrukciji kontaktna mreža dijeli se na:

– prostu (tramvajsku) kontaktnu mrežu

– lančastu kontaktnu mrežu.

Kontaktna mreža za sustav napajanja 25 kV, 50 Hz lančasta je i lagana kontaktnamreža, jer u pravilu ima samo jedno nosivo uže i jedan kontaktni vodič, koji su pove-zani vješaljkama (slika 4.1.).

Lančasta kontaktna mreža dobila je naziv po obliku nosivog užeta koje osiguravaveću i ravnomjerniju elastičnost kao i horizontalni položaj kontaktnog vodiča, a omo-gućava brzine kretanja vlakova veće od 200 km/h.

Kako bi se smanjili provjesi, dobro je povećati naprezanja vodiča kontaktne mreže.Postoje tri vrste kontaktne mreže s obzirom na način ovješenja i zatezanja:

– nekompenzirana

– polukompenzirana

– kompenzirana kontaktna mreža.

Nekompenzirana je kontaktna mreža ona kod koje su čvrsto ukotvljeni nosivo uže ikontaktni vodič. Takva mreža pogodna je za male brzine i kratke kolosijeke (slika 4.2.).

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

Slika 4.1. Lagana kontaktna mreža

Slika 4.2. Nekompenzirana kontaktna mreža

93

Povijesni razvitak dao je nekoliko sustava napajanja električne vuče, ali su se za dr -žala samo četiri sustava za elektrifikaciju. To su dva istosmjerna i dva monofazna sus-tava: istosmjerni sustav napona 1500 V, isto smjerni sustav 3 000 V, monofazni sustavsnižene frekvencije 16 2/3 Hz 15 000 V i mo nofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz25 000 V.

Sva četiri sustava nastala su u različitim uvjetima razvoja tehnike. Koliko god noseu sebi svoje posebne i pojedinačne značajke, ipak imaju zajedničke osnovne dijelove,kao što su izvori električne energije i dalekovodi, kontaktna mreža, elektrovučne pod-stanice, električni vučni motor, tj. elektrovozila. Sve se to razlikuje u pojedinačnimrješenjima i izvedbama.

Na hrvatskim se željeznicama napajanje kontaktne mreže 25 kV, 50 Hz ostvaruje iz110 kV trafostanica preko110 kV dvofaznih dalekovoda ili preko 110 kV trofaznih da -lekovoda na principu ulaz-izlaz i transformacije 110/27,5 kV u elektrovučnim podstani-cama. Priključak elektrovučne podstanice na elektroprivrednu mrežu ovisi o mjestuelektrovučne podstanice i mjestu odgovarajućega elektroprivrednog objekta na koji sepodstanica priključuje. Prednost je ovog sustava u tome što se EVP-om priključujuizravno na elektroprivrednu mrežu 50 Hz, pa nije potrebno ni ispravljanje struje nipretvara nje frekvencije i faza u EVP-ima.

5.1. Napajanje elektrovučne podstanice 25 kV, 50 Hz

Elektrovučne podstanice (EVP) postrojenja su za transformaciju električne energijei raspoređene su duž elektrificiranih pruga. Na elektroprivrednu mrežu priključene supreko napojnih dalekovoda.

Transformacija električne energije sastoji se u pretvaranju trofaznog napona elek-troprivredne mreže u odgovarajući naponski sustav elektrificirane pruge. U elektro-

Napajanje i sekcioniranje kontaktne mre�e5


94

vučnim podstanicama izmjeničnog sustava 25 kV, 50 Hz dolazi do transformacije na -pona 110 kV, 50 Hz na 25 kV, 50 Hz. Elektrovučna podstanica je rasklopno postrojenjeu kojem se nalaze zaštitni, sklopni i mjerni aparati i uređaji povezani sa sustavom zadaljinsko upravljanje. Elektrovučne podstanice mogu biti smještene na udaljenosti od40 do 60 km jedna od druge na nizinskim prugama, a na manjim udaljenostima kodbrdskih pruga. Napajanje kontaktne mreže najčešće je radijalno (slika 5.1.). Izmeđususjednih EVP-a nalazi se izolirani neutralni vod koji odvaja dva područja napajanja.Taj neutralni vod koristi se kako bi se izbjeglo premošćivanje područja dvaju elektro-vuč nih podstanica koje nekada mogu biti priključene i na različite faze elektropri -vrednog sustava.

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

U hrvatskim elektrovučnim podstanicama izmjeničnog sustava najčešće su ugrađe-na po dva energet ska transformatora prijenosnog omjera 110/27,5 ±10×1,5 % kV isnage 7,5, 10 ili 15 MVA.

Priključak elektrovučne podstanice na elektroprivrednu mrežu ovisi o mjestu elek-trovučne podstanice i mjestu odgovarajućega elektroprivrednog objekta na koji sepodstanica priključuje. U nastavku će biti opisana tri osnovna načina priključka naelektroprivrednu mrežu:

1) princip ulaz-izlaz preko trofaznog dalekovoda od 110 kV između dvaju rasklop-nih postrojenja elektroprivredne mreže koja se napajaju iz posebnog izvora. Kaošto se može vidjeti na sljedećoj slici 5.2., dva trofazna dalekovoda vode se naposebnim stupovima do sabirnica trofaznog sustava 110 kV. Sa dviju istih fazatih sabirnica povezane su sabirnice s kojih se napajaju transformatori.

2) preko dvofaznih dalekovoda 110 kV priključenih na transformatorske stanice110 kV (slika 5.3.). Dva dvofazna dalekovoda vode se na posebnim stupovima dosabirnica trofaznog sustava 110 kV. S dviju istih faza povezuju se sabirnice skojih se napajaju elektrovučni transformatori.

3) izravno na sabirnice transformatorske stanice 110 kV. Direktno napajanje sasabirnica 110 kV rasklopnog postrojenja elektroprivredne mreže koje se napajanajmanje dvostrano. Dio elektrovučne podstanice 110 kV smješten je u elektro-privrednoj trafostanici, a 25 kV dio uz prugu.

Elektroenergetski proračun utvrđuje električne prilike u elektrovučnom sustavu naosnovi prometa vlakova.

107

Elektroenergetski prora�un stabilnih postrojenja

napajanja elektri�ne vu�e6

Slika 6.1. Dijagram toka za elektrovučni proračun

elektrovučni proračun

Algoritam elektroenergetskoga proračuna uključuje tri međusobno povezana dijela:

– simulaciju kretanja vlakova– formiranje električne mreže– proračune električnih prilika u kontaktnoj mreži.

Proračun se najčešće provodi za razdoblje najgušćega prometa iz reda vožnje u ma-lim vremenskim koracima.

Na slici 6. 1. prikazan je dijagram toka za elektrovučni proračun.

6.1. Simulacija električne vuče

Za promatranje električnih prilika u kontaktnoj mreži, tj. iznosa napona u pojedi-nim točkama i opterećenja pojedinih elektrovučnih podstanica, potrebno je poznavatipoložaje vlakova i snagu potrebnu za kretanje.

Da bi vlak mogao voziti određenom dionicom pruge, potrebno je da vučno voziloima dovoljnu snagu za svladavanje najvećih otpora predviđenom brzinom te da sekočnicama vlak može pouzdano zaustaviti na bilo kojem dijelu pruge. Za određivanjesnage vučnog vozila moraju se izračunati otpori kretanja konkretnog vlaka na konkret-noj dionici.

Namjena je simulatora kretanja vlakova izračunavanje položaja vlaka i potrebnedjelatne P i jalove snage Q koju vlak uzima iz kontaktne mreže. Kad su ti podatci izraču-nati, moguće se njima koristiti kao ulaznim podatcima za proračun tokova snaga,kratkih spojeva itd.

Dakle, ulazni podatci nužni za takav proračun parametri su profila pruge, pla niranebrzine kretanja na pojedinim dionicama te karakteristike vlaka i lokomotive.

6.1.1. Fizikalna slika kretanja

Pri kretanju vlaka pojavljuju se različiti otpori vožnje. Da bi se vučno vozilo kretalo,vučna sila na obodu pogonskih kotača mora biti jednaka zbroju svih otpora. Otpori suvožnje promjenjivi, a ugrubo ih možemo podijeliti na stalne otpore Fp, povremeneotpore Fv i otpore ubrzanja Fa. Kako ti otpori ovise o mnogo različitih faktora, a utjecajnekih vrlo je teško odrediti, za izračunavanje nekih otpora vožnje koriste se iskustveneformule.

6.1.1.1. Stalni otpori

Stalni otpori pojavljuju se pri kretanju vlaka, a čine ih otpori kotrljanja Fk, otporiparazitskih kretanja Fpar te otpori zraka Fz.

Otpori kotrljanja posljedica su deformacija kotača i tračnica te trenja koje se izme -đu njih pojavljuje. Otpori parazitskih kretanja posljedica su vijugavog kretanja vlakapo pruzi, pri čemu vlak naizmjenično naliježe na obje tračnice. Otpori zraka mogu sepodijeliti na otpore prouzročene tlakom zraka (prednja i stražnja površina vlaka) i ot -

108


Osnovna je karakteristika kontaktne mreže njezina rasprostranjenost i nadzemnaizvedba, pa je stoga izložena mnogobrojnim vremenskim utjecajima koji mogu iza-zvati kvar.

Kvarovi u elektrovučnom sustavu mogu nastati iz više razloga:

– preskok ili proboj izolacije u kontaktnoj mreži

– mehaničko oštećenje mreže

– kvarovi na elektrovučnim vozilima

– kvarovi na srednjonaponskoj opremi

– pogreške pri manipulacijama uklopa i isklopa prekidača.

Zato se postavlja zahtjev za što bržim, selektivnim i sigurnim isključenjem prekida -ča pri pojavi kvara. U nastavku je opisan opći princip rješenja relejne zaštite kontaktnemreže ne ulazeći u pojedinosti i posebna rješenja releja raznih proizvođača.

Moderni su releji numeričke izvedbe s mogućnošću međusobne komunikacije kaoi komunikacije s nadređenom razinom vođenja sustava. Ti releji omogućavaju brzu iselektivnu zaštitu kontaktne mreže i pripadnih EVP-a jer objedinjuju velik broj za štit-nih zadaća. Zaštitne funkcije numeričkih releja omogućavaju širok opseg primjena zazaštitu kontaktne mreže i za zaštitu opreme u elektrovučnim podstanicama. Parametrizaštitnih podešenja mogu biti pohranjeni u numeričkim relejima u više neovisnihskupina koje se koriste za konfiguriranje zaštite za različita pogonska stanja ili alter-nativna napajanja kontaktne mreže. Sučelja numeričkih releja i komunikacijski ulaziomogućavaju jednostavno konfiguriranje te pregled traženih informacija s pomo ćuračunala. Integrirani komunikacijski protokoli omogućavaju jednostavno spajanje teprijenos informacija prema nadređenom sustavu vođenja. Modu larni dizajn moder nihnumeričkih releja omogućava izbor funkcija prema potrebama i zahtjevima korisnika[1].

135

Relejna zaštita stabilnih postrojenja za napajanje

elektri�ne vu�e7

136


Slijedi pregled tipičnih zaštitnih i upravljačkih funkcija jednoga numeričkog relejakakav se može koristiti za zaštitu sustava napajanja kontaktne mreže vlakova [2]:

– distantna zaštita s:

– poligonalnom ili kružnom karakteristikom

– 3 distantne zone

– produženom zonom 1

– dinamičkim opsezima podešavanja

– zonama 2 i 3 s detekcijom pokretanja vlaka di/dt, du/dt i dϕ/dt

– zaštitom od pogrešnog spajanja faza

– memoriranjem napona za određivanje smjera

– nadzor nad mjernim krugom

– rezervna nadstrujna zaštita, 2. stupnja

– vremenski određena nadstrujna zaštita 3. stupnja uključujući jedan trenutačnistupanj s vremenom djelovanja od 20 ms

– nadstrujna zaštita s inverznom vremenskom karakteristikom, 1. stupanj

– termička zaštita od preopterećenja vodova kontaktne mreže

– nadnaponska zaštita, 2. stupnja

– podnaponska zaštita uključujući kontrolu minimalnog napona

– zaštita uključenja na kvar

– nadzor nad naponskim mjernim transformatorom

– alternativne grupe podešenja

– zapisivanje događaja, zapisivanje kvara, zapisivanje oscilograma kvara

– samonadzor s dijagnozom kvara

– 16 LED indikatora.

Zaštita koja se koristi za stabilna postrojenja električne vuče može se podijeliti udvije osnovne skupine:

– zaštita transformatora i

– zaštita kontaktne mreže.

7.1. Relejna zaštita kontaktne mreže

Kontaktna mreža željezničkih pruga elektrificiranih izmjeničnim sustavom 25 kV,50 Hz radi u vrlo složenim uvjetima. Mehaničko djelovanje pantografa elektrovučnogvozila i zaprašenost izolacije izazvana prolazom vlakova dovode do češćih pojavakratkog spoja nego u klasičnim distribucijskim mrežama istog napona. Glavne suznačajke pogona koje su bitne za izbor zaštite sljedeće:

– Pogonska struja može biti veća od minimalne struje kratkog spoja na kraju voda.Nazivna je struja kontaktne mreže 600 A, a struja kratkog spoja u ovisnosti omjestu kratkog spoja i broja transformatora u pogonu kreće se u granicama od200 do 5 000 A.

– Pri kratkom spoju s 3 000 A i podržavanim lukom kontaktni vodič od 100 mm2

pregara za 160 ms.

145

Današnja sekundarna oprema u elektrovučnom sustavu najvećim je dijelom proce-sorski orijentirana, u potpunosti elektronička i numerička te stoga osjetljiva na elek-tromagnetske smetnje. Gledano prostorno i električki, sekundarna oprema postavlje-na je vrlo blizu energetskim uređajima i vučnim vozilima, što može izazivati poteškoćei smetnje u njezinu funkcioniranju.

Elektronička oprema koja se koristi u krugovima upravljanja, mjerenja, signalizaci-je i zaštite može tranzijentno doći pod visoki napon zbog elektromagnetskog povezi-vanja s uređajima ili opremom elektrovučnog sustava ili može biti ugrožena zbogatmosferskih izbijanja u gromobransku zaštitu postrojenja i vodove kontaktne mreže.

Posljedice se mogu podijeliti na smetnje, štete i opasnosti pri čemu granice nisustrogo određene.

Smetnje mogu utjecati na rad uređaja za signalizaciju u željezničkom sustavu,telekomunikacijske kabele te na radioprijenos.

Štete mogu prouzročiti naponi koji su rezultat lutajućih struja u komunikacijskimkrugovima.

Opasnost su za ljude dodirni naponi i velike inducirane struje.

Osnovni pojmovi i definicije povezane uz elektromagnetsku kompatibilnost nave-deni su u nastavku [1].

Elektromagnetska kompatibilnost (EMK) – sposobnost uređaja, opreme odnosno su -stava da zadovoljavajuće funkcionira u svojem elektromagnetskom okruženju bezizazivanja nedopuštenih elektromagnetskih smetnji na bilo što u tom okruženju.

Lokacija (EMK) – mjesto odnosno područje označeno raspoznatljivim elektromag-netskim utjecajima.

Elektromagnetsko okruženje – ukupnost svih elektromagnetskih pojava koje postojena određenom mjestu (ta ukupnost podliježe statističkom pristupu ako je riječ o vre-menski promjenjivim pojavama).

Elektromagnetska kompatibilnost u

elektrovu�nom sustavu8

146


Elektromagnetska smetnja – bilo koja elektromagnetska pojava koja izaziva degra -diranje performansi uređaja, opreme odnosno sustava ili utječe na smanjenje njihoveživotne dobi.

Razina smetnji – razina dane elektromagnetske smetnje mjerena na određen način.

Stupanj smetnji – jačina pojedine elektromagnetske pojave unutar određenog opse -ga razina smetnji u zanimljivom okruženju.

Otpornost na smetnje – sposobnost uređaja, opreme odnosno sustava da ispravnofunkcionira u prisutnosti elektromagnetskih smetnji.

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

Razina otpornosti – najviša razina dane elektromagnetske smetnje koja utječe napojedini uređaj, opremu odnosno sustav, a pri kojoj oni još funkcioniraju sa zahtije-vanim performansama.

8.1. Postojeće norme i propisi

O problematici EMK postoje brojne norme i propisi od kojih će neki najvažniji bitinavedeni u nastavku. Tako u zemljama EU-a postoje smjernice čija je namjera osiguratida svi proizvodi proizvedeni ili prodani u EU-u podliježu zajedničkim normama te dase mogu prodavati diljem zemalja članica bez daljnje regulative. U slučaju EMK, EUsmjernica EU 89/336, dopunjena smjernicama 91/263/EEC, 92/31/EEC, 93/68/EEC i93/97/EEC daje općenite standarde za bilo koji proizvod kako bi se jamčila elektromag-netska kompatibilnost ograničavajući maksimalnu razinu emisije proizvoda i njegovuminimalnu imunost na vanjske utjecaje. Proizvođač bilo kojega prenosivog proizvodamora proglasiti suglasnost proizvoda s normama EU-a. Proizvod mora biti označenznakom CE (franc. Conformité Européenne – europski znak sukladnosti) kako bi se cer-tificirala njegova usuglašenost s EMK-om i ostalim smjernicama.

Pravilnik o elektromagnetskoj kompatibilnosti [1] definira sljedeće osnovne zah-tjeve za električnu opremu:

– oprema i uređaji moraju se projektirati i proizvoditi tako da elektromagnetskesmetnje koje oprema i uređaji stvaraju ne prelaze razinu koja dopušta radijskoj itelekomunikacijskoj opremi te drugim uređajima ispravan rad u skla du s nji-hovom namjenom

– oprema i uređaji moraju imati odgovarajuću razinu unutarnje otpornosti na elek-tromagnetske smetnje, što im omogućuje ispravan rad u skladu s njihovom na-mjenom.

Slijedi kratak pregled normi povezanih za elektromagnetsku kompatibilnost u elek-trovučnom sustavu.

Norma HRN EN 50121 [2] koju je donio Europski komitet za standardizaciju u elek-trotehnici za EMK u elektrovučnom sustavu, kompatibilna je s općim propisima elek-tromagnetske kompatibilnosti u HRN EN 61000 i propisima za EMK u industriji, danimu HRN EN 50082 i HRN EN 50081. Definirani su sljedeći pojmovi:

179

Trendovi razvoja u sustavima napajanja9

Većina željeznica u Europi nastoji provesti modernizaciju željezničkih sustava.

Jedna od smjerova razvoja prelazak je s istosmjernog sustava napajanja od 3 kV najednofazni izmjenični sustav napajanja 25 kV frekvencije 50 Hz. Takva izmjena provelase u Hrvat skoj, što je od iznimne važnosti za cjelokupnu elektrificiranu željezničkumrežu Hrvatskih željeznica jer je nakon gotovo 30 godina ona postala jedinstvena.

Učinkovito iskorištavanje električne energije suvremeni je trend širom svijeta, a toomogućuju napredne tehnologije vozila te organizacija prijevoza, pri čemu je važnooptimalno iskorištavanje energije u željezničkim prijevoznim sredstvima.

Potrošnja energije električnih vlakova i ostalih postrojenja električne željeznicenastoji se optimirati u cilju racionalnog iskorištavanja energije i odgovarajućih ušteda.U usporedbi s osobnim prijevozom, električne željeznice troše manje energije po pre-vezenom putniku ili jediničnoj količini tereta emitirajući pritom manje stakleničkihplinova, uz tri do pet puta veću energetsku učinkovitost.

U prošlosti se nije posebno vodilo računa o štednji energije za vuču vlakova. S obzi -rom na rast cijena energije, osobito u Europi, ukazala se potreba smanjivati troškoveenergije za vuču vlakova. Između ostalog, potrebno je učiniti znatan pomak u ciljusmanjenja utroška energije za vuču vlakova, što je najvažnija stavka ukupnih troškovaenergije.

Nakon procjene da će potrošnja energije u prometu rasti brže nego u ostalim sek-torima kao cilj prometne i energetske politike u svijetu postavljeno je preusmjerava-nje dijela cestovnog prometa na željeznički te elektrificiranje željezničke mreže i osi-guravanje infrastrukture za kombinirani transport.

195

Popis oznaka

OznakaMjernajedinica Opis

DKU m udaljenost između ekvivalentnog nosivog užeta i kontaktnog vodiča

f Hz frekvencija izmjenične struje kroz tračnicu

ε koeficijent korekcije mase zbog rotacije

Fdozv kN najveća dopuštena sila naprezanja voda

Ft kN vučna sila vlaka

Gat N adhezijska težina

kp km–1 konstanta rasprostiranja povratnog voda

Ivv A struja voznog voda

l km duljina napojnog kraka od EVP-a

mvl kg masa vlaka

μt magnetska permeabilnost tračničkog čelika

P MW djelatna električna snaga

Q Mvar reaktivna električna snaga

R Ω vlastiti radni otpor vodiča promatrane petlje

Rk Ω/km djelatni otpor kontaktnog vodiča

rk m polumjer kontaktnog vodiča

ρ Ωm specifični otpor tla

ρk Ωmm2/m specifični otpor kontaktnog vodiča

S m visina sustava

Sk mm2 presjek kontaktnog vodiča

Sn MVA nazivna snaga transformatora

ψ koeficijent adhezije


196

OznakaMjernajedinica Opis

uk % napon kratkog spoja

Un kV referentni napon kontaktne mreže

Zvv Ω/km jedinična impedancija voznog voda

Zpv Ω/km jedinična impedancija povratnog voda

Zcpv Ω/km karakteristična impedancija povratnog voda

Zv Ω/km impedancija voznog voda

Zvp Ω/km međusobna impedancija vozni vod – povratni vod

Zs Ω/km impedancija tračnice

X Ω/km vlastiti induktivni otpor promatrane petlje

Ypv S/km jedinični odvod tračnica prema zemlji

197

Kazalo pojmova

A

adhezija, 111

algoritam za simulaciju kretanja vlaka, 115

analiza izvodljivosti, 20

automatsko zatezanje, 54

AZ – uređaj za automatsko zatezanje, 63

B

baza podataka potrošnje električne energije,186

buka, 17

Č

čvrsta točka, 61

D

diferencijalna zaštita transformatora, 141

dijagram toka za elektrovučni proračun, 107

direktiva, 44

distantna zaštita, 136

duljine pruga

u RH, 14u EU, 41

E

ekološki kriteriji i uvjeti elektrifikacije, 15

ekonomski kriteriji i uvjeti elektrifikacije, 18

ekvivalentno nosivo uže, 74

ekvivalentni vozni vod, 74

elastični portal, 67

električno polje, 165

elektrifikacija pruga, 1

elektroenergetski proračun, 107

EMK – elektromagnetska kompatibilnost,145

energetski razlozi i uvjeti elektrifikacije, 19

EVP – elektrovučna podstanica, 93

F

faktor snage, 112, 113

fizička težina vodova, 84

flikeri (treperenje napona), 175

formiranje električne mreže, 122

frekvencija, 173

G

gustoća željezničke mreže, 42

I

IEC vlak, 37

impedancija KM, 71

inducirani napon, 160

induktivni utjecaj KM, 150

IP – izolirani preklop, 63

ISEV – izmjena sustava električne vuče, 180

istosmjerni sustav 3000 V i 1500 V, 31

izvor smetnji, 147

J

jednadžba stanja vodiča, 89

jednofazni sustav

15 kV, 16 2/3 Hz, 2925 kV, 50 Hz, 332×25 kV, 50 Hz, 35

K

kapacitivni utjecaj KM, 161

KM – kontaktna mreža, 51

kočna sila, 113

kompenzirana KM, 53

kontaktni vodič, 54

kruti portal, 68

kvaliteta električne energije, 171

M

magnetska indukcija, 165

matematički model kretanja vlaka, 113

međusobni induktivitet, 151

mehaničke karakteristike KM, 83

mjerenje elektromagnetskog polja, 166

N

nadstrujna zaštita, 137

nadtemperatura kontaktnog vodiča, 126

napajanje KM, 93

napojni vod, 54

napon kratkog spoja, 130

nekompenzirana KM, 52

nesimetrije napona, 176

NIP – neizolirani preklop, 62

nosive konstrukcije KM, 51, 66

nosivo uže, 55

O

obilazni vod, 103

omski utjecaj, 163

opterećenje vodova KM, 84

osnovni otpor, 113

otpor

kotrljanja, 108ubrzanja, 110

P

paneuropski koridori, 184

pantograf, 56

paralelni rad EVP-a, 103, 104

podešenje zaštite, 138

poligonator, 66

polukompenzirana KM, 53

poprečni presjek

KM, 65konzole, 66

poprečno sekcioniranje, 101, 103

potrošnja električne energije, 189

povijest elektrifikacije, 2

povratni vod KM, 57

povremeni otpori, 109

prednosti električne vuče, 22

preklopi, 60

preklopni stupovi KM, 63

prenaponi, 177

prividna snaga, 123

prometna politika, 39

prometni uvjeti elektrifikacije, 19

proračun

električnih prilika, 124elektromagnetskog polja, 168kratkog spoja, 128zagrijavanja vodova KM, 126

PSN – postrojenje za sekcioniranje s neutral-nim vodom, 101

R

rastavljač, 63

regenerativno kočenje, 190

198


regulativa, 44

relejna zaštita, 135

režimi vožnje vlaka, 114

Rogowskijev svitak, 82

S

sekcijski izolator, 102

sekcioniranje KM, 98

sheme

napajanja AC 25 kV 50 Hz, 94priključka EVP-a, 95

sidro, 63

sile naprezanja vodova, 86

simulacija električne vuče, 108

simulator kretanja vlaka, 116

specifični otpor, 109

stalni otpori, 108

strujne veze, 55

S – visina sustava, 79

sustav elektrifikacije u RH, 15

sustavi velikih brzina, 36

T

tehnički uvjeti elektrifikacije, 20

TSI – tehničke specifikacije

za interoperabilnost, 46za podsustav energije, 48

U

uzdužno sekcioniranje, 100

V

viši harmonici, 176

vozni vod, 54

VVB – vlakovi velikih brzina, 36

vučna sila, 113

vučni transformator, 96

Z

zaštita transformatora, 140

zatezni stupovi KM, 63

zatezno polje KM, 61

Ž

željeznički paketi, 44

Kazalo pojmova

199

201

O autorima

Prof. dr. sc. Ivo Uglešić

Ivo Uglešić rođen je u Zagrebu 1952. godine. Diplo -mirao je 1976., magistrirao 1981., a doktorirao 1988.godine sve u u polju elektrotehnike na Elektro teh nič komfa kultetu Sveučilišta u Zagrebu. Od 1977. godine radi uZavodu za visoki napon i energetiku ETF-a.

Usavršavao se u Njemačkoj, na Sveučilištu Stuttgart –Institut für Energieübertragung und Hochspannungs tech -nik i u Austriji na Tehničkom Sveučilištu Graz – Institutfür Hochspannungstechnik. Godine 1989. izabran je uzvanje docenta, 1997. u zvanje iz vanrednog, a 2002. uzvanje redovitog profesora.

Autor je više od 120 znanstvenih radova u časopisima, na međunarodnim i do -maćim konferencijama te voditelj preko 50 studija i tehničkih rješenja izrađenih zapotrebe elektroprivrede, električnih željeznica i industrije.

Prof. Uglešić hrvatski je predstavnik u studijskom komitetu Cigré C4 SystemTechnical perfomance u Parizu. Za doprinose u radu komiteta dobio je priznanjaDistinguished Member i The Cigre Technical Committee Award 2012. godine. Iste godinenagrađen je zlatnom plaketom "Josip Lončar" FER-a za znatno unapređenje nastave iznanstvenoistraživački rad u području elektroenergetike, a posebno za ustrojstvomeđunarodno prihvaćenoga visokonaponskog laboratorija. Član je tehničkog komitetameđunarodne konferencije International Conference on Power Systems Transients (IPST)u kojem je bio supredsjedatelj konferencije u Vancouveru (Kanada) 2013. godine te jeizabran za predsjedatelja iste konferencije 2015. u Cavtatu. Recenzent je i gost urednikposebnog izdanja časopisa Electric Power System Research te recenzent časopisa IEEETransactions on Power Delivery.

Dr. sc. Milivoj Mandić

Milivoj Mandić rođen je 4. prosinca 1978. godine uSplitu. Osnovnu školu završio je u Krivodolu, a priro-doslovnu gimnaziju „dr. Mate Ujević” u Imotskom 1997.godine. Fakultet elektrotehnike i računarstva Sveučilištau Zagrebu upisao je 1997. godine. Tijekom studija dobioje godišnju nagradu „Hrvoje Požar” za izvrstan uspjeh ustudiju energetskog usmjerenja. Diplomirao je s iz vrs -nim uspjehom 2002. godine na smjeru Elektro ener -getika, a posebno se istaknuo u znanstveno-istraži-vačkom radu.

U listopadu 2002. godine upisao je poslijediplomski studij na Fakultetu elektro -tehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu, smjer Elektroenergetika. Magistarski radpod naslovom „Elektroenergetski proračun u elektrovučnom sustavu 25 kV, 50 Hz”obranio je 25. svibnja 2006. godine. U srpnju 2010. godine doktorirao je na smjeruElektroenergetika (područje Tehničkih znanosti, znanstveno polje Elektrotehnika) sdisertacijom „Metoda za optimiranje potrošnje energije električnih vlakova”.

Od listopada 2002. godine zaposlen je kao znanstveni novak u Zavodu za visokinapon i energetiku Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu uzvanju asistenta, a od rujna 2010. godine u zvanju višeg asistenta. Kao izvođač nastavesudjeluje na poslijediplomskom specijalističkom studiju „Željeznički elektrotehničkisustavi“.

U listopadu 2013. godine zapošljava se u HŽ-u Infrastruktura d.o.o., u poslovnompodručju Građenje na radno mjesto glavnog inženjera za izvedbu elektroenergetskihpostrojenja. Položio je državni stručni ispit i željeznički stručni ispit. Od prosinca2013. godine upisan je u Imenik vježbenika kandidata za upis u Hrvatsku komoruinženjera elektrotehnike.

U listopadu 2014. godine prelazi u poslovno područje Razvoj i investicijsko plani-ranje na radno mjesto glavnog inženjera za elektroenergetska postrojenja i imenovanje na projekte UIC-a.

Sudjelovao je na poslovima akreditiranja i godišnjih nadzora nad laboratorijimavisokog napona na FER-u kao voditelj mjerenja i voditelj proračuna. Kao suautor radioje na više od pedeset studija i elaborata te objavio šesnaest članaka u časopisima i sud-jelovao na međunarodnim i domaćim znanstvenim i stručnim skupovima.

Recenzent je za časopis PROMET – Traffic&Transportation i Tehnički vjesnik. Akti -van je član IEEE-a i HRO CIGRE-a.


202

Documents

Napajanje električne vuče - graphis.hr · Relejna zaštita kontaktne mreže i elektrovučnih podstanica obrađena je u sedmom poglavlju. U osmom poglavlju dan je prikaz složene