Jednotná napájecí soustava v Česku?

Je nutné přejít ze stávajícího systému napájení 3 kV na jiný? Pokud ano, tak v jakém horizontu? To byly hlavní otázky, na které hledala odpovědi studie zpracovaná sdružením SUDOP PRAHA a SUDOP Brno pro Ministerstvo dopravy ČR. Ta měla dále stanovit harmonogram přechodu a finančně tento přechod ohodnotit.

Masivní elektrizace hlavních tratí v Československu začala po druhé světové válce trakční stejnosměrnou napájecí soustavou 3 kV. Bývalé ČSD zavedly počátkem 60. let minulého století další napájecí soustavu systému 25 kV 50 Hz. Výsledkem bylo, že severní část státu byla elektrizována stejnosměrným systémem a jižní část střídavým.

Bylo zpracováno několik studií, které řešily sjednocení soustav, ale k realizaci se nepřikročilo. Toto dědictví získaly do vínku oba nástupnické státy. V současné době se touto problematikou vážně zabývají oba národní správci infrastruktury, ŽSR a SŽDC s. o.

Vláda ČR přijala dne 19. 5. 2015 Aktualizovanou státní energetickou koncepci. Z té vyplývá, že doprava je významným spotřebitelem energie – na konečné spotřebě energie má podíl 21 %. Chystané změny v energetické koncepci státu se proto dopravy citelně dotknou. Ve vládou přijatém dokumentu je stanoveno:

• snížení spotřeby ropných produktů v dopravě,
• zvýšení využití elektrické energie v dopravě.

Základem proto musí být prioritně převedení dopravy z automobilů poháněných spalovacími motory na elektrizované železnice.

Zásady řešení

Pro splnění výše uvedených úkolů je v oblasti subsystému energie nutné:

a) Zvýšit výkonnost pevných trakčních zařízení a tím umožnit zvýšený rozsah dopravního zatížení hlavních tratí sítě TEN-T, zejména tranzitních nákladních koridorů.

b) Vzít do úvahy vyšší nároky na napájení, které souvisí s růstem rychlostí vlaků všech kategorií. Aerodynamická složka jízdního odporu vozidel roste s druhou mocninou rychlosti, výkon potřebný na její překonání roste také s druhou mocninou rychlosti, odpovídající výkon roste s třetí mocninou rychlosti a ztráty v trakčním vedení rostou dokonce se šestou mocninou rychlosti.

c) Využít elektrizaci dalších tratí s možností růstu přepravních výkonů k uspokojení rostoucího zájmu o železniční dopravu i na další části železniční sítě. Jedná se o dosud neelektrizované železniční tratě, na kterých lze nabídnout rychlejší a levnější dopravu, než jakou umožňuje nezávislá trakce.

Skutečnost, že přenosová schopnost vedení roste s druhou mocninou napětí, se již v minulosti stala příčinou použití vysokého napětí, a to jak v energetice (přenosové i distribuční sítě), tak na železnici. Kromě zásadního snížení ztrát energie v trakčním vedení má přechod z 3 kV na 25 kV i tento významný dopad:

a) Na hlavních tratích došlo ke zvýšení rychlosti jízdy vlaků osobní přepravy i nákladních vlaků s důsledkem nutnosti zvýšení jmenovitého výkonu trakčních vozidel z někdejších 2 MW na současných 6 MW, tedy na trojnásobek. Otázka pokrytí tohoto výkonu ze strany pevných trakčních zařízení není dána jen výkonem trakčních napájecích stanic, ale zejména schopností trakčního vedení přivést tento výkon od napájecí stanice k vlaku.

Důsledkem nízké přenosové schopnosti vedení jsou vysoké ztráty výkonu a velké úbytky napětí mezi napájecí stanicí a vozidlem s důsledkem poklesu výkonu vozidla s dopadem na nedodržování jízdních dob stanovených jízdním řádem.

 b) Nízká přenosová schopnost trakčního vedení v systému 3 kV neumožňuje hospodárně elektrizovat jednokolejné, dopravně málo zatížené tratě. Systém 25 kV umožňuje díky své vyšší přenosové schopnosti stavět napájecí stanice na větší vzdálenost a využívat levnější a lehčí trakční vedení.

Na jednotný napájecí systém 25 kV/50 Hz je potřebné přejít programově, a to tak, aby bylo optimálně využito již připravovaných modernizačních akcí na trakčním zařízení stávající železniční sítě, i budoucí výstavby vysokorychlostních tratí.

Obr. 1  Návrh konverze do roku 2040

Studie srovnání systémů 3 kV a 25 kV

Jak vyplývá z Nařízení Komise (EU) č. 1301/2014 (TSI ENE), při modernizaci napájecího systému železniční trati je nutné naplňovat podmínky TSI ENE. Jedním z parametrů, který se v souvislosti s rozšířením provozu moderních vysoce výkonných hnacích vozidel na českých hlavních tratích elektrizovaných stejnosměrným systémem 3 kV začal negativně projevovat, je kapacita napájení.

V rámci řešení této studie byla provedena měření a výpočty kapacity trakčního vedení. Z těchto výpočtů je zřejmé, že dimenzování napájecího systému u připravovaných projektů modernizace tratí elektrizovaných stejnosměrnou soustavou 3 kV nevyhoví požadavkům TSI ENE již při současném rozsahu provozu na hlavních tratích s pravidelnou nákladní dopravou.

Jelikož se jedná o studii objektivního porovnání trakčních soustav pro koncepční rozhodnutí, byl zadavatelem stanoven požadavek na porovnání střídavého systému 25 kV 50 Hz a stejnosměrného systému 3 kV při srovnatelných podmínkách plnění TSI ENE a příslušných norem, které jsou při modernizaci tratí/napájecího systému závazné.

Efekty změny systému 3 kV na 25 kV

V roce 2015 bylo v ČR v síti SŽDC 1 774 km železničních tratí napájených systémem 3 kV. Byla na nich vykonána dopravní práce na úrovni cca 40 miliard tkm a k tomu bylo při měrné spotřebě cca 22 Wh/tkm spotřebováno 884 milionů kWh elektrické energie na vstupu celkem 63 trakčních napájecích stanic.

Podle dopravní sektorové strategie MD ČR mělo v rozmezí let 2015 až 2035 dojít na železnici k:

• nárůstu přepravních výkonů osobní železniční dopravy na 1,434násobek,
• nárůstu přepravních výkonů nákladní železniční dopravy na 1,193násobek.

Tratě elektrizované systémem 3 kV patří z velké většiny do sítě TEN-T, tedy do té části sítě, která je nejvíce zatížená (27 % délky tratí vykonává 77 % přepravních výkonů osobní železniční dopravy a 90 % přepravních výkonů nákladní železniční dopravy) a nejvíce na ni roste přepravní poptávka, zatímco dopravní sektorová strategie uvádí celosíťové hodnoty.

Proto je velmi reálné předpokládat na tratích SŽDC dosud elektrifikovaných systémem 3 kV v rozmezí dvaceti let (2015 až 2035):

• růst přepravních výkonů osobní železniční dopravy na 1,56násobek, což odpovídá ročnímu nárůstu přepravních výkonů o 2,8 %,
• růst přepravních výkonů nákladní železniční dopravy na 1,68násobek, což odpovídá ročnímu nárůstu přepravních výkonů o 3,4 %.

S ohledem na vývoj v letech 2010 až 2015 i s ohledem na další trendy jde o velmi konzervativní odhad. Avšak u dimenzování pevných trakčních zařízení je nutno uvažovat i dynamičtější vývoj a napájení elektrických drah dimenzovat tak, aby neomezovalo možnosti, které trať, způsob řízení a zabezpečení vlakové dopravy i vozidla umožňují.

Obr. 2  Přepínání od hranic se Slovenskem

Úspory

Úspory elektrické energie
Nevýhodou systému 3 kV je nízká účinnost trakčního vedení, která navíc klesá s rostoucím výkonem. Další energetickou nevýhodou systému 3 kV ve srovnání se systémem 25 kV je nižší úspěšnost rekuperace (schopnost vrátit při brzdění energii do napájecí soustavy).

Úspory energie při náhradě systému 3 kV systémem 25 kV mají tedy tři příčiny – nižší ztráty při přenosu energie z napájecí stanice k vozidlu, nižší ztráty při zpětném přenosu rekuperované energie a vyšší úspěšnost rekuperačního brzdění – a proto jsou značné, činí cca 30 %.

Úspory odstraněním škod způsobovaných bludnými proudy
Při průchodu stejnosměrného proudu vlhkou zemí dochází k elektrolytickému úbytku kovů, a to jak při výstupu proudu z tratě, tedy na majetku dráhy (kolejnice a další kovové části železničního svršku a s nimi spojené předměty), tak při výstupu proudu z kovových konstrukcí uložených v zemi podél tratě či v jejím okolí (respektive země se dotýkajících), kterými proud náhodně prochází.

Úspora investičních a provozních nákladů při dokončování elektrizace sítě železnic SŽDC
Zejména na jednokolejných tratích, na kterých je jízdní řád podmíněn křižováním vlaků v určitých stanicích, vychází velmi velký poměr mezi jmenovitým výkonem, na který musí být napájecí stanice dimenzovány, a jejich středním výkonem, na který jsou zatěžovány. Napájecí stanice totiž musí být instalovány blízko sebe na vzdálenost asi 20 km. Je proto logické, že při uvažování systému 3 kV vychází elektrizace těchto tratí nerentabilně.

Zcela jiné řešení umožňuje střídavý napájecí systém 25 kV. Jeho vyšší přenosová schopnost vytváří předpoklady pro mnohem hospodárnější řešení – zejména při použití systému jednotné fáze (dvoustranné napájení) se vzdáleností napájecích stanic do cca 100 km.

Úspory při budování vysokorychlostního železničního systému
Další zásadní investiční a provozní úspora sjednocení napájení železnic v ČR na hodnotu 25 kV se týká vysokorychlostního železničního systému. Vysokorychlostní tratě mají spojovat mimo jiné i města Ústí nad Labem, Praha, Přerov a Ostrava.

Ta se nacházejí v zóně, která je dosud napájena napětím 3 kV. Vysokorychlostní železnice je však nutno napájet napětím 25 kV, neboť jízda vysokou rychlostí (kolem 300 km/h) vyžaduje vysoké výkony, které již nejsou stejnosměrné systémy schopny zajistit.

Zaústění vysokorychlostní trati napájené napětím 25 kV do železničního uzlu napájeného napětím 3 kV je velmi nešťastným řešením z těchto důvodů:

• V průběhu rozjezdu, kdy vlak potřebuje co nejradikálněji akcelerovat, aby co nejdříve získal traťovou rychlost, musí při změně systému 3 kV na 25 kV přerušit tažnou sílu. Tím dochází k nepříjemné ztrátě času, kterou je možno kompenzovat jedině následnou jízdou vyšší rychlostí, tedy s vyšší spotřebou energie.
• Velkou komplikací je přejíždění mezi konvenční tratí a tratí VRT. Na těchto přechodech musí být nainstalováno klasické mezisystémové dělení. Vlaky při pomalém najíždění z konvenční tratě na VRT budou blokovat provoz na této hlavní trati.

Z uvedených důvodů je přeměna napájení železničních uzlů Ústí nad Labem, Praha, Přerov a Ostrava z 3 kV na 25 kV velmi racionálním přípravným krokem (vkladem) pro integraci ČR do evropské sítě vysokorychlostních železnic.

Úspory odstraněním stykových míst
V síti železnic SŽDC existuje 7 míst styku soustav 3 kV a 25 kV (Kadaň, Králův Dvůr, Benešov, Kutná Hora, Svitavy, Nezamyslice a Nedakonice). Ta pochopitelně komplikují provoz. Sjednocením napájecích systémů na úroveň 25 kV styková místa vymizí.

Zajištění (zvýšení) kvality napájení
Nízká přenosová schopnost napájecího systému 3 kV, která se vlivem zvyšování rychlosti jízdy vlaků a trakčních výkonností vozidel projevuje stále výrazněji, omezuje dosažitelný trakční výkon vozidel. U starších vozidel je pokles výkonu úměrný poklesu napětí a může probíhat do úrovně 67 % nominálního výkonu při poklesu napětí k hodnotě 2 000 V.

U novějších vozidel řešených v souladu s TSI LOC&PAS dochází záměrně k radikálnímu omezování výkonu již při poklesu napětí pod 90 % nominální hodnoty, tedy pod 2 700 V, a při poklesu napětí na 2 000 V klesá trakční výkon na nulu. Dochází k významnému snižování disponibilního trakčního výkonu vozidel, což má vážné dopady na neplnění jízdních dob stanovených jízdním řádem a tím i na plynulost a pravidelnost železničního provozu.

Přechod ze systému 3 kV na systém 25 kV, který disponuje výrazně vyšší přenosovou schopností, tyto nedostatky odstraňuje a vytváří podmínky k tomu, aby vozidla disponovala neomezovanými trakčními vlastnostmi a dodržovala jízdní doby stanovené jízdním řádem.

Obr. 3  Přepínání od hranic s Německem

Zvýšení výkonnosti subsystému ENE

Nízká přenosová schopnost napájecího systému 3 kV má vliv nejen na dodržování jízdního řádu, ale i na jeho konstrukci. Jde o elektrická následná mezidobí. Pro dopravu vlaku daným traťovým úsekem je potřebné určité množství energie. Nemá-li být překročen výkon pevných trakčních zařízení, nesmí vlaky jezdit v intervalu kratším než elektrické následné mezidobí.

Schopnost systému 25 kV umožnit jízdu vlaků v těsnějším sledu, než dovoluje současný stav systému 3 kV, je také významným přínosem.

Závěr

Studie svým zaměřením představuje zajímavý pohled do oblasti subsystému energie a porovnává použití a možnosti trakční napájecí soustavy 3 kV a 25 kV, 50 Hz. Přináší tak odpovědi na otázky, které ve vztahu ke zmíněnému subsystému nebyly v ČR dosud konfrontovány. Pro naplnění závěrů studie je nutné sledovat následující programové kroky:

a) bezodkladně přijmout rozhodnutí o programovém přechodu elektrizovaných tratí SŽDC na jednotný systém 25 kV,

b) toto rozhodnutí a předpokládaný časový plán přechodu zveřejnit, aby se dopravci i objednatelé dopravy mohli na změnu systému napájení drah v předstihu připravit,

c) moderní technikou trakčních napájecích stanic zajistit napájení železnic systémem 25 kV 50 Hz jednotné fáze a zároveň rovnoměrně zatěžovat třífázovou distribuční síť,

d) koordinovat postup konverze s postupem elektrizace dosud neelektrizovaných tratí,

e) koordinovat postup konverze s postupem výstavby vysokorychlostních tratí,

f) koordinovat postup konverze u SŽDC s postupem konverze u ŽSR,

g) koordinovat postup konverze s postupem modernizace tratí SŽDC,

h) konkrétní podrobnosti řešit v rámci projektů jednotlivých staveb, avšak vzájemně koordinovaně a s cílem využít synergických efektů (typicky: společné napájecí stanice pro více tratí),

i) věnovat vysokou pozornost úspěšné realizaci pilotních projektů konverze,

j) obecné otázky konverze nadále řešit centrálně s dohledem MD ČR a GŘ SŽDC – udržet jednotící linii a aktualizovat ji,

k) koordinovat postup konverze systému 3 kV na 25 kV s postupem implementace ETRMS (zejména s instalací ETCS).

Etapizace výstavby až do roku 2040 je na obr. 1. Přepínání od hranic se Slovenskem je na obr. 2. Návrh postupu přepínání od hranic se SRN je na obr. 3.

Unified power system of overhead lines in the Czech Republic?
It is necessary to move from the existing power system 3 kV to another? If so, in what horizon? These were the main questions that sought answers study prepared by the Association SUDOP PRAGUE and SUDOP Brno for Ministry of Transport. It should also provide a schedule for transition and financially evaluate this change.

TEXT: Ing. Jaroslav Peroutka, Ing. Petr Lapáček
OBRÁZKY: SUDOP PRAHA a.s.
Ilustrační foto: Správa železniční dopravní cesty, s. o. 

Jaroslav Peroutka a Petr Lapáček působí ve společnosti SUDOP PRAHA a.s.

Článek byl uveřejněn v časopisu Inžinierske stavby / Inženýrské stavby 1/2017.