elektryfikacja kolei 25 kV AC - 25 kV AC railway electrification

Systemy elektryfikacji kolei w Europie:
  Niezelektryfikowany
  750 V prądu stałego
  1,5 kV DC
  3 kV DC
  15 kV AC
  25 kV AC
Linie dużych prędkości we Francji, Hiszpanii, Włoszech, Wielkiej Brytanii, Holandii, Belgii i Turcji działają pod napięciem 25 kV , podobnie jak linie dużej mocy w byłym Związku Radzieckim.

Systemy elektryfikacji kolei wykorzystujące prąd przemienny (AC) o napięciu 25 kilowoltów (kV) są stosowane na całym świecie, zwłaszcza w przypadku kolei dużych prędkości .

Przegląd

CSR EMU na Roca linii w Buenos Aires , przy użyciu 25 kV AC.

Ta elektryfikacja jest idealna dla kolei, które pokonują duże odległości lub przewożą duży ruch. Po kilku eksperymentach przed II wojną światową na Węgrzech iw Schwarzwaldzie w Niemczech , w latach pięćdziesiątych wszedł do powszechnego użytku.

Jednym z powodów, dla których nie został on wprowadzony wcześniej, był brak odpowiednich małych i lekkich urządzeń sterujących i prostowniczych przed opracowaniem prostowników półprzewodnikowych i związanej z nimi technologii. Innym powodem był zwiększony prześwit wymagany w miejscach, gdzie przebiegał pod mostami iw tunelach, co wymagałoby poważnych prac inżynieryjnych w celu zapewnienia zwiększonego prześwitu dla części pod napięciem.

Koleje korzystające ze starszych systemów prądu stałego o mniejszej wydajności wprowadziły lub wprowadzają 25 kV AC zamiast 3 kV DC/ 1,5 kV DC dla swoich nowych linii dużych prędkości.

Historia

Pierwsze udane operacyjne i regularne użytkowanie systemu 50 Hz datuje się na 1931 r., a testy trwały od 1922 r. Został on opracowany przez Kálmána Kandó na Węgrzech, który stosował 16 kV AC przy 50 Hz , trakcję asynchroniczną i regulowaną liczbę ( silnika) bieguny. Pierwszą zelektryfikowaną linią do testów była Budapeszt–Dunakeszi–Alag. Pierwszą w pełni zelektryfikowaną linią była linia Budapeszt–Győr–Hegyeshalom (część linii Budapeszt–Wiedeń). Chociaż rozwiązanie Kandó wskazywało drogę na przyszłość, operatorzy kolejowi spoza Węgier wykazali brak zainteresowania projektem.

Pierwsza kolej do korzystania z tego systemu została zakończona w 1936 roku przez Deutsche Reichsbahn , która zelektryzowała część Höllentalbahn między Freiburgu i Neustadt instalujesz 20 kV 50 Hz AC systemu. Ta część Niemiec znajdowała się po 1945 roku we francuskiej strefie okupacyjnej. W wyniku badania systemu niemieckiego w 1951 roku SNCF zelektryfikowało linię między Aix-les-Bains i La Roche-sur-Foron w południowej Francji, początkowo przy użyciu to samo 20 kV, ale przekształcone w 25 kV w 1953 r. System 25 kV został następnie przyjęty jako standard we Francji, ale ponieważ znaczne odległości na południe od Paryża zostały już zelektryfikowane przy 1,5 kV DC , SNCF kontynuowało również kilka dużych nowych projektów elektryfikacji DC , aż do powstania lokomotyw dwunapięciowych w latach 60. XX wieku.

Głównym powodem, dla którego elektryfikacja przy tym napięciu nie była wcześniej stosowana, był brak niezawodności prostowników rtęciowych, które mogłyby zmieścić się w pociągu. To z kolei wiązało się z koniecznością zastosowania silników serii DC , co wymagało konwersji prądu z AC na DC i do tego potrzebny jest prostownik . Do wczesnych lat pięćdziesiątych prostowniki rtęciowe były trudne w obsłudze nawet w idealnych warunkach i dlatego nie nadawały się do stosowania w lokomotywach kolejowych.

Możliwe było zastosowanie silników prądu przemiennego (i to zrobiły niektóre koleje, z różnym powodzeniem), ale mają one mniej niż idealne właściwości do celów trakcyjnych. Dzieje się tak, ponieważ sterowanie prędkością jest trudne bez zmiany częstotliwości, a poleganie na napięciu w celu sterowania prędkością daje moment obrotowy przy dowolnej prędkości, która nie jest idealna. Właśnie dlatego silniki serii DC są najlepszym wyborem do celów trakcyjnych, ponieważ mogą być sterowane napięciem i mają prawie idealną charakterystykę momentu obrotowego w stosunku do prędkości.

W latach 90. w pociągach dużych prędkości zaczęto używać lżejszych, mniej wymagających konserwacji trójfazowych silników indukcyjnych prądu przemiennego. N700 Shinkansen stosuje się przemiennik trzech poziomach konwersji 25 kV AC jednofazowego do 1,520 V AC (przez transformator) do 3 kV prądu stałego (za pomocą fazy sterowany prostownik z tyrystora) maksymalnie 2,300 V trójfazowych (za pośrednictwem zmienne napięcie, falownik o zmiennej częstotliwości wykorzystujący tranzystory IGBT z modulacją szerokości impulsu ) do uruchamiania silników. System działa w odwrotnej kolejności do hamowania odzyskowego .

Wybór napięcia 25 kV wiązał się ze sprawnością przesyłu energii w funkcji napięcia i kosztu, a nie w oparciu o schludny i uporządkowany stosunek napięcia zasilającego. Dla danego poziomu mocy wyższe napięcie pozwala na niższy prąd i zwykle lepszą wydajność przy wyższych kosztach urządzeń wysokonapięciowych. Stwierdzono, że 25 kV jest optymalnym punktem, w którym wyższe napięcie jeszcze poprawiłoby sprawność, ale nie w znaczącym stopniu w stosunku do wyższych kosztów związanych z koniecznością zastosowania większych izolatorów i większego odstępu od konstrukcji.

Aby uniknąć zwarć , wysokie napięcie należy chronić przed wilgocią. Zdarzenia pogodowe, takie jak „ niewłaściwy rodzaj śniegu ”, powodowały w przeszłości awarie. Przykład przyczyn atmosferycznych miał miejsce w grudniu 2009 roku, kiedy w tunelu pod kanałem La Manche zepsuły się cztery pociągi Eurostar .

Dystrybucja

Energia elektryczna ze stacji wytwórczej jest przesyłana do podstacji sieciowych za pomocą trójfazowego systemu dystrybucyjnego.

W stacji sieciowej, obniżający transformator jest podłączony przez dwóch z trzech faz zasilania wysokiego napięcia. Transformator obniża napięcie do 25 kV, które podawane jest na stację kolejową zlokalizowaną obok torów. SVC są używane do równoważenia obciążenia i kontroli napięcia.

W niektórych przypadkach do podstacji z jednofazowymi transformatorami prądu przemiennego zbudowano dedykowane jednofazowe linie prądu przemiennego. Takie linie zostały zbudowane w celu zaopatrywania francuskiego TGV .

Normalizacja

Elektryfikacja kolei przy użyciu prądu przemiennego 25 kV , 50 Hz stała się międzynarodowym standardem. Istnieją dwa główne standardy określające napięcia systemu:

  • EN 50163:2004+A1:2007 – „Zastosowania kolejowe. Napięcia zasilania systemów trakcyjnych”
  • IEC 60850 - "Zastosowania kolejowe. Napięcia zasilania systemów trakcyjnych"

Dopuszczalne zakresy dopuszczalnych napięć są zgodne z powyższymi normami i uwzględniają liczbę pociągów pobierających prąd oraz ich odległość od podstacji.


System elektryfikacji
Napięcie
Min.
nie stały
Min.
stały
Nominalny Maks.
stały
Maks.
nie stały
25 kV 50 Hz 17,5 kV 19 kV 25 kV 27,5 kV 29 kV

System ten jest obecnie częścią transeuropejskich standardów interoperacyjności kolei Unii Europejskiej (1996/48/WE „Interoperacyjność transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości” oraz 2001/16/WE „Interoperacyjność transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych”). ").

Wariacje

Zastosowano systemy oparte na tym standardzie, ale z pewnymi odmianami.

25 kV AC przy 60 Hz

W krajach, w których 60 Hz jest normalną częstotliwością sieci, do elektryfikacji kolei stosuje się 25 kV przy 60 Hz .

20 kV AC przy 50 lub 60 Hz

W Japonii jest to używane na istniejących liniach kolejowych w regionie Tohoku , Hokuriku , Hokkaido i Kyushu , z których Hokuriku i Kyushu mają częstotliwość 60  Hz .

12,5 kV AC przy 60 Hz

Niektóre linie w Stanach Zjednoczonych zostały zelektryfikowane przy 12,5 kV 60 Hz lub przekształcone z 11 kV 25 Hz na 12,5 kV 60 Hz . Zastosowanie 60 Hz umożliwia bezpośrednie zasilanie z sieci energetycznej 60 Hz, ale nie wymaga większego odstępu między przewodami dla 25 kV 60 Hz ani nie wymaga obsługi podwójnego napięcia dla pociągów działających również na liniach 11 kV 25 Hz . Przykłady to:

12 kV przy 25 Hz

6,25 kV AC

Na początku elektryfikacji linii kolejowej 50 Hz AC w ​​Wielkiej Brytanii zaplanowano wykorzystanie odcinków o napięciu 6,25 kV AC, gdzie prześwit pod mostami iw tunelach był ograniczony. Tabor był dwunapięciowy z automatycznym przełączaniem między 25 kV a 6,25 kV . Do 6,25 kV sekcje zostały przekonwertowane do 25 kV AC w wyniku prac badawczych, które wykazały, że odległość pomiędzy żywych i uziemionego sprzętu może być zmniejszona od pierwotnie uważano za konieczne.

Badania przeprowadzono przy użyciu silnika parowego pod mostem w Crewe . Odcinek linii napowietrznej 25 kV stopniowo zbliżał się do uziemionej metalowej konstrukcji mostu, poddając się działaniu pary z komina lokomotywy. Zmierzono odległość, przy której nastąpiło rozgorzenie, co posłużyło za podstawę, na podstawie której wyprowadzono nowe odstępy między urządzeniami napowietrznymi a konstrukcjami.

50 kV AC

Czasami 25 kV podwaja się do 50 kV w celu uzyskania większej mocy i zwiększenia odległości między podstacjami. Takie linie są zwykle izolowane od innych linii, aby uniknąć komplikacji związanych z przeplataniem. Przykłady to:

Układ autotransformatorowy 2 × 25 kV

1. Transformator
zasilający 2. Zasilanie
3. Linia napowietrzna
4. Szyna
jezdna 5. Linia zasilająca
6. Pantograf
7. Transformator lokomotywy
8. Linia napowietrzna
9. Autotransformator
10. Szyna jezdna
System linii napowietrznej 2 × 25 kV we Francji między Paryżem a Caen

System autotransformatorowy 2 × 25 kV jest systemem elektroenergetycznym z podzieloną fazą , który dostarcza do pociągów moc 25 kV, ale przekazuje moc przy 50 kV w celu zmniejszenia strat energii. Nie należy go mylić z systemem 50 kV. W tym systemie prąd płynie głównie pomiędzy linią napowietrzną a doprowadzoną linią przesyłową zamiast szyny. Linia napowietrzna (3) i odpływowa (5) znajdują się na przeciwnych fazach, więc napięcie między nimi wynosi 50 kV, natomiast napięcie między linią napowietrzną (3) a szynami jezdnymi (4) pozostaje na poziomie 25 kV. Autotransformatory okresowe (9) kierują prąd powrotny z toru neutralnego, zwiększają go i przesyłają wzdłuż linii zasilającej. System ten jest używany przez koleje indyjskie , rosyjskie , włoskie linie dużych prędkości, UK High Speed ​​1, większość linii West Coast Main Line i Crossrail, przy czym niektóre części starszych linii są stopniowo przekształcane, linie francuskie (linie LGV i niektóre inne linie ), większość hiszpańskich linii kolei dużych prędkości, Amtrak oraz niektóre linie fińskie i węgierskie.

Zwiększone napięcie

W przypadku rekordów prędkości TGV we Francji napięcie zostało tymczasowo podniesione do 29,5 kV i 31 kV w różnym czasie.

25 kV na liniach szerokotorowych

25 kV na liniach wąskotorowych

Inne napięcia na elektryfikacji 50 Hz

Lokomotywy i pociągi wielosystemowe

Pociągi, które mogą pracować na więcej niż jednym napięciu, powiedzmy 3 kV/25 kV, są uznanymi technologiami. Niektóre lokomotywy w Europie mogą korzystać z czterech różnych standardów napięcia.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Keenorze, Garry. Elektryfikacja linii napowietrznych dla kolei.
  • Boocock, Colin (1991). Elektryfikacja wschodniego wybrzeża . Iana Allana. Numer ISBN 0-7110-1979-7.
  • Gillham, JC (1988). Era pociągu elektrycznego – pociągi elektryczne w Wielkiej Brytanii od 1883 roku . Iana Allana. Numer ISBN 0-7110-1392-6.
  • Glover, John (2003). Wschodnia Elektryka . Iana Allana. Numer ISBN 0-7110-2934-2.
  • Machefert-Tassin, Yves; Nouvion, Fernand; Woimant, Jean (1980). Histoire de la Traction Electrique, vol.1 . La Vie du Rail. Numer ISBN 2-902808-05-4.
  • Nock, OS (1965). Nowa kolej w Wielkiej Brytanii: Elektryfikacja głównych linii Londyn-Midland z Euston do Birmingham, Stoke-on-Trent, Crewe, Liverpoolu i Manchesteru . Londyn: Ian Allan. OCLC  59003738 .
  • Nock, OS (1974). Elektryczny Euston do Glasgow . Iana Allana. Numer ISBN 0-7110-0530-3.
  • Proceedings of the British Railways Electrification Conference, Londyn 1960 - Elektryfikacja kolei na częstotliwości przemysłowej . Londyn: Zarząd Kolei Brytyjskich. 1960.
  • Semmens, Piotr (1991). Elektryzowanie Trasy Wschodniego Wybrzeża . Patrick Stephens Ltd. ISBN 0-85059-929-6.