Jednotná trakční soustava na síti SŽDC Bc. Marek Binko

Jednotná trakční soustava
na síti SŽDC
Bc. Marek Binko
ředitel Odboru strategie
20. října 2014
Proč elektrická trakce?
• elektrická trakce je šetrnější k životnímu prostředí než motorová
• v ČR pouze 34 % elektrizovaných tratí (1 774 km 3 kV DC,
1 305 km 25 kV AC) => v elektrické trakci zaostáváme za mnoha státy EU
• elektrická trakce zrychluje dopravu, zvyšuje cestovní rychlost
• vyšší energetická účinnost => snižuje náklady na trakční energii
• náklady na údržbu trakčního pohonu jsou v elektrické trakci
zhruba třetinové oproti motorové trakci
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
2
Podíl elektrické trakce ve světě
Zajímavé ukazatele elektrizace
v Evropě:
Švýcarsko
Belgie
Švédsko
Velká Británie
Česká republika
zdroj: World Bank, 2011
celková délka
tratí (km)
100 %
84 %
80 %
40 %
34 %
elektrifikováno (km)
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
3
Historický vývoj (1)
• elektrizace železnic v českých zemích nejprve stejnosměrnými soustavami
• 1903 Tábor – Bechyně (2x 700 V, později 1,5 kV)
• 1911 Rybník – Lipno nad Vltavou (1280 V, později 1,5 kV,
dnes 25 kV, 50 Hz)
• 1927 uzel Praha (1,5 kV, později 3 kV)
• 1957 Česká Třebová – Praha (3 kV)
• od 1962 elektrizace střídavou soustavou 25 kV, 50 Hz
• původní předpoklad sjednocení na střídavou soustavu nenaplněn
• realita: paralelní rozvoj obou soustav
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
4
Historický vývoj (2)
„Studie možnosti přechodu na jednofázovou trakční proudovou soustavu
v síti ČSD“
• zpracována SUDOP Praha ke dni 30. 6. 1988
• vstupní údaje ke dni 31. 12. 1987
• doplnění a rozšíření studie v roce 1990
• doplnění o zásadní informace variantní možnosti
reelektrizace „od západu“
• konkretizace řešení na jednotlivých tratích
• ve studii jsou navržena umístění napájecích a spínacích stanic,
autotransformátorů a ostatní potřebné infrastruktury
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
5
Současnost
• koexistence dvou hlavních soustav (SŽDC má celkem 4 soustavy) stále
působí problémy
• nevýhoda v nutnosti použití vícesystémových vozidel ustupuje do pozadí
• zvyšují se nevýhody provozu stejnosměrné soustavy
• nedostatečný výkon
• vysoké náklady aj.
• v letech 2013 – 2014 záměr aktualizovat studii z roku 1990
• zadavatel O130 MD ČR
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
6
Studie přechodu na jednotnou
trakční soustavu (1)
Cíle studie:
• zpracovat návrh změny napájení elektrické trakce ze systému 3 kV
na trakční systém 25 kV, 50 Hz na všech tratích v ČR
• definovat technické parametry jednotlivých pevných trakčních zařízení
včetně jejich rozmístění
• navrhnout časový harmonogram postupu i ve variantním řešení
• podmínkou korelace navrženého řešení s napájením tratí rychlých spojení
• minimalizace přechodových míst
• dodržení legislativních a normativních požadavků, včetně požadavků
kladených na interoperabilitu konvenčního i vysokorychlostního železničního
systému
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
7
Studie přechodu na jednotnou
trakční soustavu (2)
Výstupy:
• ekonomické posouzení jednotlivých variant v čase zpracování
(celkový odhad nákladů, reálné cenové kalkulace jednotlivých
technologických celků, odhad nákladů na úpravu již existující infrastruktury,
nákladů na projektování a inženýrskou činnost)
• celková reálná hodnota celého projektu (kvalifikovaný odhad zpracovaný
na základě dostupných podkladů a zkušenosti z výstavby), případně hodnoty
v závislosti na volbě variant
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
8
Výhody jednotné trakční
napájecí soustavy (1)
• perspektivně cílový evropský systém podle TSI ENE
• systém je nutnou podmínkou na vysokorychlostních tratích
• nižší ztráty v rozvodu (dle analýzy ŽSR střední roční ztráty činí 17 %
u systému 3 kV a 11 % u systému 25 kV, 50 Hz)
• menší potřebné vodivé průřezy, tedy levnější trakční vedení vč. úspor
v kotvení, základech stožárů, absence zesilovacího vedení (zhruba v relaci
5 mil. Kč/km u systému 25 kV, 50 Hz vs. 6 mil. Kč/km u systému 3 kV)
• větší přenosová schopnost trakčního vedení => větší vzdálenost
napájecích bodů trakčních napájecích stanic (cca 50 km u systému 25 kV,
50 Hz proti cca 22 km u systému 3 kV) při zhruba stejné ceně napájecí
stanice (cca 110 mil. Kč)
• aplikací moderních technologií lze využít u systému 25 kV, 50 Hz
dvoustranné napájení a vzdálenost napájecích stanic zvětšit na cca 100 km
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
9
Výhody jednotné trakční
napájecí soustavy (2)
• v kombinaci dvou předchozích bodů jsou nižší investiční náklady
na elektrizaci tratí (zhruba v relaci 8 mil. Kč/km u systému 25 kV, 50 Hz vs.
12 mil. Kč/km u systému 3 kV)
• odpadá poškozování vodivých konstrukcí bludnými proudy (stavby,
produktovody, …)
• odpadá poškozování ložisek vozidel ve vlacích podélnými proudy
• jednodušší ukolejnění vodivých konstrukcí (přímo bez průrazky)
• nižší nároky na odizolování kolejnic od štěrkového lože při výstavbě i
v provozu
• schopnost systému 25 kV, 50 Hz využívat rekuperovanou brzdovou energii
nejen v přilehlém úseku trakčního vedení, ale i předávat zpět do distribuční
sítě
• s ohledem na předchozí bod není třeba vybavovat vozidla pro AC systémy
brzdovým odporníkem (při zajištění spojitého napájení – viz dále)
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
10
Výhody jednotné trakční
napájecí soustavy (3)
• napětí pro napájení trakčních motorů lze volit optimálně bez vazby na napětí
trakčního vedení
• možnost využít lehké sběrače proudu schopné vysokorychlostního provozu
• vyšší stabilita (nižší tolerance, respektive kolísání) napájecího napětí vozidel
(vliv nižších úbytků napětí ve vedení)
• vyšší výkon trakčních napájecích stanic a vyšší přenosová schopnost vedení
• odpadá omezování příkonu vozidel výkonem pevných trakčních
zařízení, což je v souvislosti se zvyšováním měrného trakčního výkonu
vlaků (příchod vysoce výkonných vozidel do osobní i nákladní dopravy
při zvyšování rychlosti) velmi závažný limit
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
11
Nevýhody jednotné trakční
napájecí soustavy (1)
• nutnost používat na vozidle transformátor (měrná hmotnost cca 3 kg/kWh)
• u vlaků osobní dopravy s měrnou hmotností cca 10 kW/t zvýšení
hmotnosti vlaku cca o 3 % a u nákladních vlaků s měrnou hmotností
cca 3 kW/t zvýšení hmotnosti vlaku cca o 1 %
• s nutností používat vícesystémová vozidla irelevantní
• zvýšení ztrát na vozidle o ztráty v transformátoru (cca o 5 %) – ztráty jsou
vyváženy nižšími ztrátami v pevných trakčních zařízeních
• nutnost používat měniče pro napájení trakčních a pomocných motorů
(podmínka je u současných vozidel s frekvenčně řízenými střídavými
trakčními a pomocnými motory automaticky splněna)
• oproti stejnosměrným vozidlům jsou vícesystémová o cca 10 % dražší
• zatěžování elektráren a rozvodu odběrem jalového a deformačního výkonu –
odstraněno čtyřkvadrantovými vstupními měniči na vozidlech
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
12
Nevýhody jednotné trakční
napájecí soustavy (2)
• nespojité napájení – střídání fází s nutností vypínat trakční a pomocné
pohony trakčních vozidel i spotřebiče ve vozech – je řešitelné aplikací
polovodičových měničů v trakčních transformovnách
• nesymetrické zatížení třífázové distribuční sítě – řešitelné aplikací
polovodičových měničů v trakčních transformovnách
• potřeba pečlivého EMC ošetření (odrušení) trakčního vedení z hlediska
ochrany radiového a televizního příjmu
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
13
Srovnání trakčních soustav
Napěťová soustava
oblast
trakční vedení
750 V
řešení
výsledek
vysoký
proud
náklady
3 kV
15 kV, 16,7 Hz
25 kV, 50/60 Hz
DB
SJ
1x
2x
50 kV,
50/60 Hz
––
–
+
+
+
+
+
––
–
+
+
+
+
+
––
(220 km/h)
–
(250 km/h)
+
+
+
+
+
omezení výkonu nízký proud
provoz
limitovaná
rychlost
vysoký
proud
provoz
počet napájecích
stanic
úbytek
napětí
náklady
––––
––
–
+
+
+
++
++
napájecí stanice
náklady
–
–
–
+
–
+
+
+
počet
délka napájecího
napájecích
vedení
stanic
náklady
––––
––
–
+
+
+
++
++
transformátory
ve vozidlech
prostor,
náklady
+
+
+
––
––
–
–
–
náklady
+
+
+
–
–
––
––
––
náklady
–
–
–
(–)
+
+
+
+
impedance
rekuperace
střídavý
proud
––––
1,5 kV
Poznámka: znaménko „+“ označuje výhody, znaménko „–“ nevýhody. Uvedený počet znaků není úměrný počtu výhod, znamená
pouze příznivější resp. nepříznivější řešení. Zdroj: www.bueker.net
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
14
Změna trakční soustavy v Evropě (1)
Slovensko
• elektrizováno stejnosměrnou trakcí cca 620 km tratí, střídavou cca 740 km
tratí
• zpracována studie na přechod na 25 kV, 50 Hz – rozhodnutím GŘ
z 30. 11. 2005 se budou přepínat rekonstruované úseky na hlavním koridoru
Bratislava – Košice
• 1. fáze – přesun styku trakčních soustav z Púchova k Žilině (2015)
Porovnanie diskontovaných nákladov
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
6000
6105
5000
4507
135,5 %
100 %
(mil.SK)
(mil.Sk)
Porovnanie diskontovaných nákladov
4817
4000
3000
2000
3041
158,4 %
100 %
1000
JSTS
STTS
Investičné náklady
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
0
JSTS
STTS
Náklady na údržbu
15
Změna trakční soustavy v Evropě (2)
Chorvatsko
• v roce 2013 dokončena změna trakce ze 3 kV na 25 kV, 50 Hz na tratích:
• Moravice – Rijeka – Šapjane
• Škrljevo – Bakar
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
16
Změna trakční soustavy v Evropě (3)
Francie
• vysokorychlostní tratě
elektrizovány 25 kV, 50 Hz
odlišně od ostatní sítě 1,5 kV
• ostatní tratě postupně
elektrizovány 25 kV, 50 Hz,
a to i jako ostrovní provoz
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
17
Změna trakční soustavy v Evropě (4)
Nizozemí
• Betuwelijn: nová nákladní trať Rotterdam – Zevenaar (hranice se SRN)
• elektrizována 25 kV, 50 Hz (odlišně od ostatní sítě 1,5 kV)
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
18
Změna trakční soustavy v Evropě (5)
Itálie, Belgie, Nizozemí, Španělsko
• vysokorychlostní tratě elektrizovány 25 kV, 50 Hz
odlišně od ostatní sítě 3 kV, resp. 1,5 kV
Další státy s plány přechodu z 3 kV na 25 kV, 50 Hz:
• Lotyšsko
• Ukrajina
• Rusko – na nově elektrizovaných tratích
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
19
Jednotná trakční soustava v ČR
Ideální doba konverze cca 30 let (2020 – 2050)
• 30 let je plánovaná technická životnost hnacích vozidel
• na tranzitních koridorech doslouží v posledních letech obnovená trakční
zařízení určená pro 3 kV
• ve výstavbě budou nové vysokorychlostní tratě
• nově elektrizované tratě 25 kV, 50 Hz nebo s přípravou na přepnutí
• např. Staré Město u Uh. H. – Luhačovice a Otrokovice – Vizovice
elektrizovat 25 kV, 50 Hz současně se změnou soustavy v úseku
Nedakonice – Říkovice
• u všech staveb uvažovat s vlivy trakce 25 kV, 50 Hz!
• postup přepínání na 25 kV, 50 Hz určí studie, např. podle výstavby VRT
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
20
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
21
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
22
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
23
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
24
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
25
Jednotná trakční soustava na síti SŽDC, Praha, 20. 10. 2014
26
Děkuji za pozornost!
Jednotná trakční soustava
na síti SŽDC
© Správa železniční dopravní cesty, státní organizace
www.szdc.cz