Kraków 2021-03-03
Trakcja elektryczna w Polsce w PKP.
3 000 V DC.
W 1932 roku, w Warszawie oddano do użytku kolejową linię średnicową, która połączyła zachodnią i wschodnia stronę naszej Stolicy. Wcześniej był konieczny objazd pociągów przez stację Dworzec Gdański, który jest położony w północnej części Warszawy. Kolejowa linia średnicowa częściowo przebiega w tunelu. Tunele dla pociągów nie były czymś nowym. Jednak lokomotywa parowe wywołuje duże zadymienie. Według ówczesnych przepisów, przez tunel mógł przejeżdżać jeden pociąg ciągnięty parowozem co 30 minut, aby tunel zdążył się przewietrzyć. Takie ograniczenie zaprzeczało sensowi tej inwestycji. Podjęto decyzję o elektryfikacji warszawskiego węzła kolejowego (WWK). Do września 1939 roku, udało się zelektryfikować około 149 km linii kolejowych, w tym odcinek 40 km linii EKD (Elektryczne Koleje Dojazdowe) / WKD (Warszawskie Koleje Dojazdowe) Warszawa – Milanówek / Grodzisk Maz.
W 30-latach XX wieku, już wiele miast w Polsce miała elektryczne tramwaje: Lwów (1896 rok.), Kraków (1901 rok). Tramwaje były napędzane prądem stałym, zwykle o napięciu 600 V DC. Niestety. Nie dało się bezpośrednio przenieść rozwiązań z tramwajów do kolei. Tramwaj to pojazd stosunkowo lekki i pokonujący odległości do kilku kilometrów. Pociągi są znacznie cięższe i pokonują bardzo duże odległości. W takim układzie, podstacje elektryczne powinna być co kilka kilometrów. Podniesienie napięcia do 1 500 V DC, spowodowało, że sieć energetyczna jest grubsza i cięższa. Słupy musiano stawiać gęściej. W miastach, towarzystwa tramwajowe miały własne elektrownie lub umowy z elektrowniami miejskimi. Kolei należało zapewnić energię elektryczną z sieci energetycznej krajowej. Elektryfikację kolei prądem stałym o napięciu 1 500 V DC zaczęto wprowadzać na przykład we Francji, Wielkiej Brytanii, Danii i Holandii.
Początkowo elektryfikacja kolei na świecie opierała się wyłącznie na prądzie stałym, po prostu dlatego, iż nie było wówczas odpowiednich silników prądu przemiennego.
Prąd elektryczny stały czy przemienny?
Który prąd jest lepszy? Wsród inżynierów dyskusja na argumenty była bardzo trudna. W USA doprowadziła ona nawet do zbudowania krzesła elektrycznego. Dzisiaj nikt nie pamięta jakim prądem został zabity pierwszy skazaniec. Ale wielu pamięta, że nie został zabity tylko usmażony.
Energetyka zawodowo wytwarza prąd elektryczny przemienny 50 Hz, dlatego, że łatwiej jest go przesyłać na duże odległości. Obecnie prąd przemienny łatwo jest zamienić na prąd stały przy pomocy prostownika. Na przełomie XIX / XX wieku, przed wynalezieniem półprzewodników stanowiło to istotny problem. W praktyce stosowano przetwornice wirujące, czyli połączenie zasilanego z sieci krajowej silnika na prąd przemienny trójfazowy z prądnicą prądu stałego.
Prąd przemienny był dobrą propozycją. Sieć trakcyjna może być lżejsza, a to gwarantuje wyższe napięcie (V), niższy prąd (A). W efekcie podstacje można ustawiać co 40 - 60 km, dużo rzadziej niż przy prądzie stałym.
Silnik trójfazowy prądu przemiennego.
Najbardziej optymalnym typem silników prądu przemiennego są silniki trójfazowe. Nie posiadają one komutatora. Wadą tych silników jest bardzo duży pobór prądu podczas rozruchu.
Historycznie pierwsze silniki elektryczne trójfazowe prądu przemiennego były bardzo duże i ciężkie. Można było w elektrowozie zamontować tylko dwa takie silniki, na obu końcach elektrowozu. Aby przenieść moc na więcej osi napędowych zastosowano klasyczne wiązary z lokomotyw parowych. Problemem było dostarczanie trzech faz do lokomotywy. Trzy fazy czyli czy przewody. Niemcy eksperymentalnie zastosowali trakcję trzech przewodów obok torów na różnej wysokości oraz trzech odbieraków prądu. To komplikuje konstrukcję sieci trakcyjnej. Mimo to, już w 1899 roku, w Niemczech zbudowano doświadczalną linię z trakcją trójfazową. Na linii tej w 1903 roku, testowany pociąg osiągnął prędkość 210 km/h. Mimo to, system był tak skomplikowany, że Niemcy zarzucili dalsze doświadczenia i zaczęli promować system jednofazowy.
W 20-latach XX wieku, Włosi rozpoczęli elektryfikację swoich kolei w systemie trójfazowym. Ich pomysł polegał na umieszczeniu dwóch przewodów na górze, do których dotykał pantograf z dwoma ślizgaczami. Trzeci przewód stanowiły szyny. W praktyce jednak ten system także sprawiał sporo problemów. Silniki trójfazowe przy rozruchu pobierają duży prąd, przez co sieć musiała być ciężka, a podstacje zasilające częściej niż w systemie jednofazowym. Jednak podstacje miały prostą budowę i miały tylko transformator.
W 30-latach XX wieku, Włosi byli liderami elektryfikacji. Mieli najwięcej zelektryfikowanych linii spośród wszystkich krajów na świecie; 5 170 km, co stanowiło 22 % wszystkich włoskich szlaków kolejowych. Włosi próbowali eksportować swoją trójfazową technologię, oferując ją na przykład dla PKP i linii średnicowej. Lecz koszty serwisowania i naprawy były duże. W efekcie, w 50-latach XX wieku, Włosi zmienili system elektryfikacji na prąd stały 3 000 V DC, taką jak w Polsce.
Silnik jednofazowy prądu przemiennego.
W praktyce nie udało się zbudować dobrego silnika elektrycznego jednofazowego prądu przemiennego dużej mocy. Przy częstotliwości 50 Hz występowały spore problemy z komutacją, przełączaniem uzwojeń w silniku. Skutecznym rozwiązaniem było obniżenie częstotliwości sieci zasilającej do 25 Hz, a nawet do 16 2/3 Hz. Jednak pojawiały się wtedy inne problemy. Transformatory przy obniżonej częstotliwości muszą być większe i cięższe. Było kłopoty z niedoskonałością ówczesnego silnika elektrycznego z komutatorem. Dużym wyzwaniem była zmiana częstotliwości z przemysłowej 50 Hz na niższą, o częstotliwości 16 2/3 Hz lub najwyżej 25 Hz. Ta zmiana częstotliwości wiązała się z dużymi kosztami urządzeń elektro - energetycznych.
Elektryfikacja kolei prądem przemiennym 15kV 16 2/3 Hz została wdrożona i była stosowana w Niemczech, Austrii, Szwajcarii, Norwegii i Szwecji. Zelektryfikowane szlaki w Sudetach w Niemczech (30-lata XX wieku) miały własne elektrownie. W Sudetach było około 400 km zelektryfikowanych szlaków, które w 1945 roku, rosjanie rozebrali i wywieźli do Moskwy. Kradnąc infrastrukturę Rosjanie mówili, że słupy jadą do galwanizacji.
Silnik jednofazowy prądu stałego.
Komutator występuje w silniku prądu stałego i ma za zadanie zmianę kierunku przepływu prądu przez ramkę. Komutatory są najsłabszym elementem w silniku prądu stałego. Ale postęp techniczny i materiałowy spowodował, że silniki prądu stałego pracuje bezawaryjnie dziesiątki lat. W efekcie wszystkie lokomotywy elektryczne na świecie mają silniki prądu stałego. Takie silniki mają także lokomotywy spalinowe, które mają przekładnię elektryczną; silnik spalinowy - prądnica - silnik elektryczny. Kiedyś taki układ nazywano trój maszyną.
Energia elektryczna 25 kV 50 Hz.
Na parę lat przed drugą wojną światową niemcy podjeli próby z zastosowaniem do trakcji kolejowej prądu przemiennego, o normalnej częstotliwości (50 Hz). Prace zaawansowali tak dalece, że uruchomili niewielki odcinek linii kolejowej w Szwarcwaldzie. Zbudowali cztery różne lokomotywy elektryczne i rozpoczęli ich próby. Testów nie ukończyli bo wybuchła wojna. Po wojnie, Francja kontynuowała te testy i w ich wyniku stwierdziła, że ma on zalety. Zdecydowali o budowie swoich kolei w poparciu o prąd przemienny 25 kV 50 Hz. W dodatku można było zmienić zbudowaną już trakcję 1 500 V DC na 25 kV 50 Hz. Podczas testów Francuzi używali własnych lokomotyw i własny odcinek testowy w Górnej Sabaudii.
W 50-latach XX wieku, powrócono do koncepcji zasilania prądem przemiennym jednofazowym o częstotliwości przemysłowej 50 Hz i napięciu 25 kV. Tym razem w lokomotywach elektrycznych planowano zastosować dobrze opanowane silniki prądu stałego, a lokomotywa oprócz transformatora miała na pokładzie prostownik rtęciowy. System ten rozwinął się znacznie w 60-latach wraz z rozwojem technologii półprzewodnikowych. Zastosowano prostowniki i falowniki krzemowe. Na świecie obecnie coraz więcej linii kolejowych jest elektryfikowanych właśnie w tym systemie. Koszt budowy i eksploatacji jest bowiem najniższy. Sieć trakcyjna jest lekka i jest duża odległość między podstacjami, które są prostej konstrukcji. W tym systemie budowane są między innymi francuskie koleje dużych prędkości TGV.
W Polsce prąd stały.
W 20-latach XX wieku, opracowano prostowniki rtęciowe, które eliminowały konieczność budowania specjalnych elektrowni czy stosowania kłopotliwych i mało sprawnych przetwornic wirujących. Lokomotywy nie musiały też wozić wielkich i ciężkich transformatorów, co było istotne zwłaszcza przy stosowaniu tak zwanych ETZ - Elektrycznych Zespołów Trakcyjnych do obsługi ruchu podmiejskiego. Elektryczne koleje podmiejskie zyskały dużą popularność.
W efekcie, na przykład w Niemczech, postały dwa różne systemy kolejowe. Koleje podmiejskie dla Berlina mają prąd stały 800 V DC.
W Polsce, po dyskusji profesorów i inżynierów zdecydowano o elektryfikacji prądem stałym o napięciu 3 kV DC. W tym czasie taką fragmentaryczną sieć zamontowano w USA na odcinku 700 km, między Chicago - St. Paul. Wyniki eksploatacyjne potwierdziły duże zalety techniczne tego rozwiązania. Polska wzorowała się na układach stosowanych w Anglii, gdzie zastosowano 1 500 V DC, ale zdecydowała się na wyższe napięcie 3 000 V DC.
W Polsce, w 1928 roku, przyjęto, że linię średnicową zelektryfikujemy do listopada 1931 roku. Jednak światowy kryzys spowodował, że pierwszy etap elektryfikacji ukończono w 1936 roku. Pierwotnie zakładano, że powstanie trakcja elektryczna pomiędzy stacjami Warszawa Wschodnia i Warszawa Zachodnia, celem przeciągania pomiędzy nimi klasycznych pociągów. Lecz zdecydowano się rozszerzyć zakres prac do Żyrardowa, Otwocka i Mińska Mazowieckiego, aby obsługiwać ruch lokalny przy pomocy pociągów EZT. Łącznie 106 km linii. Kontrakt na elektryfikację zawarto z dwiema firmami angielskimi: The English Electric Company i Metropolitan Vickers Electric Company. Część taboru miała pochodzić z Polski. Między innymi 76 zestawów EZT, których produkcji podjęły się zakłady Lilpop, Ran i Loewenstein w Warszawie, H. Cegielski - Poznań oraz Zieleniewski, Fitzner - Gamper w Sanoku.
W dniu 15 grudnia 1936 roku, nastąpiło uroczyste uruchomienie pociągów elektrycznych na odcinku do Pruszkowa, a rok później 15 grudnia 1937 roku, pociągi dojeżdżały już do Mińska Mazowieckiego.
Pamiętano o pojedynczych lokomotywach elektrycznych do przeciągania zwykłych pociągów. Dwie lokomotywy serii EL100 wyprodukowane przez Metropolitan Vickers dostarczono z Wielkiej Brytanii. Na podstawie licencji i dokumentacji oraz aparatury elektrycznej, zbudowano cztery następne lokomotywy elektryczne EL100 w FabLok w Chrzanowie. Po drugiej wojnie światowej, do eksploatacji wróciła tylko jedna lokomotywa, która otrzymała oznaczenie EP01. W 1968 roku, została ona zezłomowana. Oprócz tych sześciu ciężkich elektrowozów, zbudowano również cztery lekkie lokomotywy EL200, zbudowane w 1937 roku, w zakładach HCP, z tych samych podzespołów elektrycznych co budowane składy EZT. Niestety, nie zachował się żaden egzemplarz.
Powojenna elektryfikacja w PKP.
Okres drugiej wojny światowej zniszczył doszczętnie urządzenia trakcji elektrycznej WWK (Warszawski Węzeł Kolejowy). Spora część została także wywieziona przez okupantów, głównie tabor osobowy, lokomotywy. Już w dniu 25 stycznia 1945 roku, rozpoczęto odbudowę sieci trakcyjnej. Odbudowano elektrowozownię na stacji Grochów i na stacji Warszawa Wschodnia. Ruch przywracano stopniowo. W dniu 14 września 1948 roku, powróciły pociągi elektryczne na szlak Warszawa Wschodnia - Mińsk Mazowiecki: lokomotywy elektryczne i EZT. Zapadły decyzje o elektryfikacji głównych magistral kolejowych kraju.
Pierwszy odbudowany, zelektryfikowany szlak to był odcinek Warszawa Wschodnia - Otwock. Pierwszy testowy pociąg przejechał ta trasą w dniu 14 lipca 1946 roku. W kwietniu 1947 roku, zawarto umowy ze Szwecją na dostawy podzespołów elektrycznych dla kolei oraz EZT i lokomotyw elektrycznych. W 1948 roku, rozpoczęto remont i elektryfikację szlaku Warszawa - Katowice. Wiele stacji na trasie musiano przebudować. Plan przewidywał także elektryfikację odgałęzienia linii Koluszki – Łódź i linii Wejherowo – Pruszcz. W dniu 3 czerwca 1956 roku, udało się oddać do użytku zelektryfikowany szlak od Warszawy do Łaz w pobliżu Zawiercia, o łącznej długości 281 km. Trasa wiodła przez: Skierniewice - Koluszki - Piotrków Trybunalski - Częstochowa - Zawiercie. W 1957 roku, pociągi elektryczne dojeżdżały już do Katowic i Gliwic. W 1959 roku, zelektryfikowano szlak Śląsk - Kraków, przez: Szczakowa - Trzebinia - Kraków - Nowa Huta. W 1964 roku, zelektryfikowano szlak Kraków - Rzeszów. W 1961 roku, w Polsce mieliśmy już zelektryfikowane około 1 200 km szlaków. Było to 25 % ówczesnych założeń.
W tym czasie na nowo rozpoczęła się dyskusja o rodzaju trakcji elektrycznej. Po rzeczowej dyskusji postanowiono pozostać przy przedwojennym systemie 3 kV DC. Przebudowa na prąd 25 kV 50 Hz była wówczas ekonomicznym nonsensem. Doceniono wkład przedwojennych pionierów elektryfikacji PKP, którzy wykonali wiele prac studialnych i rozwojowych, także w zakresie nazewnictwa i przepisów technicznych.
Prostownik rtęciowy.
Prostownik rtęciowy inaczej nazwany ignitron, a także nazywany jest prostownikiem Hewitta. Prostownik to element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.
Prostowniki te znajdowały zastosowanie we wszelkich urządzeniach potrzebujących dużej mocy od kilku kilowatów do kilku megawatów. Napięcia pracy wynosiły od 110 V do 30 kV. Metoda działania opiera się na odkryciu, iż łuk elektryczny pomiędzy ciekłą rtęcią (katoda) a metalową elektrodą (anoda) pozwala na przepływ prądu w jednym kierunku. Posiadały one zwykle kilka anod zasilanych z wielofazowego transformatora, gdzie łuk elektryczny przeskakiwał z katody (basenu rtęciowego) na poszczególne anody. Pozwalało to na bardziej precyzyjną i ciągłą pracę prostownika. Często używano systemów sześciofazowych, a nawet dwunastofazowych przy pomocy połączonych w gwiazdę transformatorów trójfazowych z transformatorami międzyfazowymi na połączeniach.
Użycie energii elektrycznej o wartości 3 kV DC do napędu elektrowozów i EZT, umożliwi prostownik prądu przemiennego na prąd stały w postaci prostownika rtęciowego. Prostownik rtęciowy to ogólnie szklana bańka w której znajduje się około 1 litra rtęci. Rtęć jest od strony elektrody katody. Prostownik rtęciowy jest wykonany jako lampa próżniowa lub gazowa (gaz obojętny). Prostownik ma dodatkową elektrodę zapłonową nazwaną ignitor i dlatego taka nazwa prostownika.
Prostownik rtęciowy był podstawowym urządzeniem montowanym w podstacjach trakcyjnych PKP. Często były to prostowniki rtęciowe produkowane przez fabrykę EAW w NRD. W wnętrzu prostownika była próżnia i był on nierozbieralny. Ułatwiało to obsługę i zmniejszało ilość części, które mogły ulec uszkodzeniu. W jednym zespole pracowały dwa takie urządzenia, połączone ze sobą równolegle. Do podstacji dochodził prąd trójfazowy przemienny z sieci 110 kV. Z drugiej strony wychodziło napięcie stałe do 3 300 V DC i prąd o wartości 330 A (z jednego prostownika rtęciowego). Łącznie wychodziło sześć faz, które kablami rozprowadzano do różnych odcinków trakcyjnych. Prostownik rtęciowy miał zabezpieczenia. Ten prostownik wymagał bardzo stabilnej temperatury anody i dlatego albo był grzany, albo był chłodzony. Wadą prostowników rtęciowych jest sama rtęć. Była obawa emisji niewielkich par rtęci do środowiska.
Był to czas, kiedy jeszcze nie stosowano półprzewodników. W kolejnych latach, szklaną bańkę zastąpiono skrzynią wykonaną ze specjalnych stopów metali, a jej ściany były chłodnicą prostownika rtęciowego. Obecnie prostowniki rtęciowe nie są już używane w przemyśle. Zostały one całkowicie zastąpione przez tańsze, sprawniejsze i mniejsze prostowniki półprzewodnikowe, diody krzemowe. Technologia półprzewodnikowa umożliwiła wyprodukowanie prostowników krzemowych. Prostota i trwałość ich budowy umożliwiła umieszczenie ich w pudle elektrowozu.
Dyskusja o elektryfikacji PKP w 1956 roku.
Dyskusja o tym jaki prąd; stały czy przemienny, rozpoczęła się po raz kolejny około 1956 roku. Zdania były podzielone. Zwolennicy prądu jednofazowego przemiennego używali nawet argumentu, że PKP sprzeciwia się postępowi technicznemu. Niemniej jednak, decyzja PKP została poprzedzona długotrwałymi i wszechstronnymi badaniami i kalkulacjami, opiniami placówek naukowych oraz fachowych stowarzyszeń naukowo - technicznych NOT. Wyniki i opinie były jednoznaczne i jednomyślne; Nie opłaca się wprowadzać prądu przemiennego na polskie linie kolejowe. Dyskusja rozpoczęta ponownie po 2015 roku, nie zmieniła konkluzji. Dla kolei sprawa jest zupełnie jasna; Pozostajemy przy 3 kV DC.
Wysokość napięcia decyduje o przekroju przewodów. Im większe napięcie, tym mniejszy przekrój. Trzeba pamiętać że, 100 m przewodu miedzianego, o przekroju 100 mm2 waży około 1 tony. W Polsce stosowaliśmy i nadal stosujemy zwykle dwa przewody jezdne o przekroju 250 mm2. Ale we Francji, kiedy ta stosowała napięcie 1 500 V, przekroje przewodów wynosiły aż 800 mm2. Łatwo obliczyć, jakie to ilości ton miedzi trzeba było zawieszać w powietrzu i jak gęsto były słupy trakcyjne.
W 40-latach XX wieku, na świecie, Inżynierowie intensywnie pracowali na silnikiem jednofazowym na prąd przemienny, który mógłby pracować nad częstotliwości przemysłowej 50 Hz. Wówczas problemu nie rozwiązano w sposób zadowalający.
Na parę lat przed druga wojną światową niemcy podjeli próby z zastosowaniem do trakcji kolejowej prądu przemiennego o normalnej częstotliwości (50 Hz) tak dalece, iż uruchomili niewielki odcinek linii kolejowej w Szwarcwaldzie. Zbudowali cztery różne lokomotywy elektryczne i rozpoczęli ich próby. Testów nie ukończyli bo wybuchła wojna. Po wojnie, Francja kontynuowała te testy i w ich wyniku stwierdziła, że ma on zalety. Zdecydowali o budowie swoich kolei w poparciu o prąd przemienny 25 kV 50 Hz. W dodatku można było zmienić zbudowaną już trakcję 1 500 V DC na 25 kV 50 Hz. Podczas testów Francuzi używali własnych lokomotyw i własny odcinek testowy w Górnej Sabaudii.
W 1953 roku, Francja zdecydowała o elektryfikacji wyłącznie prądem przemiennym. Od tego momentu datuje się trend elektryfikacji jednofazowym prądem przemiennym.
W innych krajach zapadały różne decyzje. Kraje które były na początku elektryfikacji decydowały się na prąd przemienny. Kraje które już miały częściową elektryfikacje pozostały przy prądzie stałym: Belgia, Włochy, Polska. Polskę usprawiedliwiał fakt opanowania technologi 3 kV DC oraz brak technologii 25 kV 50 Hz. Najdalej poszli Anglicy, którzy nawet przebudowali niektóre zelektryfikowane już odcinki prądem stałym 1 500 V DC, na trakcję o prądzie zmiennym wysokiego napięcia. Oczywiście wywołało to spory między fachowcami, których echo trwa do dzisiaj (2021 rok).
Jednak problem nie został całkowicie rozwiązany. Prąd przemienny nie w każdych warunkach się kalkuluje. Jest on ekonomiczny na długich odcinkach i na szlakach o dużym nasileniu przewozów. Wtedy można składać pociągi towarowe o masie 3 000 - 4 000 ton. Lecz taki pociąg jest bardzo długi i nie na każdej stacji zmieści się na bocznym torze. Prąd przemienny nie nadaje się dla pociągów lokalnych EZT, bo nie mam miejsca dla wielkiego i ciężkiego transformatora.
W 1960 roku, polscy inżynierowie przeprowadzili symulację szlaku Poznań - Szczecin z prądem 25 kV 50 Hz. (Studium porównawcze elektryfikacji linii Poznań – Szczecin prądem stałym 3 kV i prądem zmiennym 25 kV 50 Hz. Maj 1961 rok.). Przy prądzie zmiennym koszt inwestycji byłby niższy o 5 – 7 %. Niższe byłyby także koszty eksploatacji o około 10 %. Anachronizmem byłaby elektryfikacji tylko części szlaków. Musiałyby być różne lokomotywy. Nie byłoby skrócenia czasu podróży
W dodatku, koniczna byłaby nowa sieć elektroenergetyczna. Sieć 110 kV jest za słaba. Odpowiednia była sieć 220 kV lub nawet 400 kV, a takiej sieci w Polsce było i jest niewiele.
Przeprowadzone badania wykazały, że w obecnych warunkach, mimo pewnych oszczędności na urządzeniach zasilających, łączne nakłady na elektryfikację i roboty towarzyszące byłyby dla nowego systemu większe niż odpowiednie nakłady związane z elektryfikacją systemem prądu stałego.
W 60-latach XX-wieku był problem dla przemysłu taboru kolejowego, a zwłaszcza fabryki PaFaWag, która budowała lokomotywy elektryczne. Dla nich rynek zagraniczny, gdzie było 25 kV 50 Hz był zamknięty. Planowano zbudowanie toru testowego, dla tego typu elektrowozów, co jednak nie wykonano. Dopiero w 2017 roku, taki tor testowy zbudował NEWAG koło Nowego Sącza.
W 1965 roku, dyskusję zakończyło Ministerstwo Komunikacji, wydając rozporządzenie o kontynuacji elektryfikacji prądem 3 kV DC. W Polsce dyskusję podjęto jeszcze w połowie 80-lat. Ale Polska gospodarka była w dużym kryzysie i dyskusja była tylko papierowa.
Planowany Centralny Port Komunikacyjny po raz kolejny wywołał dyskusję: 3 kV DC, czy 25 kV 50 Hz. Pojawił się kolejny raport pod tytułem „3 czy 25 kV ?” To była kolejna merytoryczna dyskusja. Uzyskane wyniki pokazały, że nie można jednoznacznie stwierdzić, który z systemów zasilania sieci trakcyjnej jest lepszy w polskich warunkach. Zwłaszcza jeśli mówimy o pociągach osobowych o prędkości biegu 200 - 250 km/h.
W 2020 roku, w Polsce jest około 12 000 km linii kolejowych zelektryfikowanych w systemie 3 kV DC. Jest to około 60 % wszystkich linii kolejowych w Polsce. To linie głównie o znaczeniu krajowym i tranzytowym. Zasila je ponad 500 podstacji trakcyjnych, w znacznej części nowych lub zmodernizowanych w ostatnich latach.
System prądu przemiennego 25 kV 50 Hz obecnie. 2020 rok.
W schemacie blokowym oba systemy są podobne: 3 kV DC i 25 kV AC. Ciąg przepływu energii trakcyjnej jest następujący: linia zasilająca AC (prąd przemienny) – transformator obniżający – prostownik – regulator napięcia – silniki trakcyjne prądu stałego. Nawet w systemie AC stosuje się silniki szeregowe prądu stałego, ponieważ ich charakterystyki trakcyjne najbardziej odpowiadają wymaganym warunkom pracy w lokomotywie elektrycznej i spalinowej z przekładnią elektryczną.
Różnica polega na innym umieszczeniu w tym ciągu punktu styku sieć trakcyjna – odbiornik prądu (pantograf). W systemie DC (prąd stały) transformator obniżający i prostownik znajdują się w budynku podstacji trakcyjnej. W efekcie pantograf (odbierak prądu) jest najsłabszym ogniwem systemu. Dlatego w systemie 3 kV DC przewody trakcyjne są dwa, nie ze względu na przekrój drutu (przewodu) ale ze względu na jak największą powierzchnię styku odbieraka z przewodami.
System 25 kV AC ma rzadziej rozstawione podstacje, co 50 - 60 km, znacznie rzadziej niż przy 3 kV DC (co 15 – 25 km). Cieńsze przewody trakcyjne to lżejsza sieć i rzadziej stawiane słupy trakcyjne. Jest tylko jeden przewód jezdny. Wyższe napięcie to mniejszy amperaż, a w efekcie mniejsze spadki napięcia wzdłuż sieci trakcyjnej, a zatem mniejsze straty przesyłu energii.
Wadą systemu 25 kV 50 Hz są wysokie wymagania dla publicznej sieci zasilającej. Jedna faza bardziej i niesymetrycznie obciąża sieć zasilającą. Dlatego preferowana jest linia 220 kV lub nawet 400 kV. Sieć 110 kV może być wykorzystana, ale wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń, które zmniejszą asymetrię faz. W dodatku 25 kV 50 Hz zakłóca stosowane w PKP urządzenia, na przykład SRK. Na modernizowanych liniach kolejowych stosuje się już liczniki osi, niewrażliwe na trakcyjne prądy powrotne i błądzące, ale cały szereg czujników i sterowników pracuje na częstotliwości przemysłowej 50 Hz. Tych wad nie ma system 3 kV DC.
Wieloletnia eksploatacja wykazała, że do prędkości biegu pociągu do 200 km/h nie ma problemu z przesyłem energii przez pantograf. Problem pojawia się przy prędkości ponad 250 km/h. We Włoszech szybki pociąg planowo biegnie z prędkością 220 km/h. W Polsce Pendlino biegnie 200 km/h i nieco więcej.
Przy 3 kV DC prostsza jest natomiast budowa samej lokomotywy elektrycznej, a zatem niższy koszt zakupu taboru do obsługi konkretnych pociągów.
Postęp technologiczny umożliwił dosyłanie energii przewodami sieci trakcyjnej na wysokim napięciu, natomiast jego obniżanie i prostowanie odbywało się już w samej lokomotywie. Problemem był jednak transformator obniżający, którego gabaryty nie umożliwiały umieszczenia go pod pudłem pojazdu lub na jego dachu. Dlatego też na kolejach z prądem przemiennym nie rozwinęły się konstrukcje EZT. Jako półśrodek opracowano składy zmiennokierunkowe, znane również obecnie w Polsce jako „push-pull”.
Obecna technologia umożliwia budowę lokomotyw wielosystemowych. Takie lokomotywy są budowane w Polsce. Koszt lokomotywy wielosystemowej nie jest tak drastycznie wyższy od pojazdu o jednym systemie zasilania, jak to było w XX wieku. Konieczny jest tylko system zabezpieczający, aby niewłaściwy pantograf nie podnieść do niewłaściwej sieci.
W warunkach polskich standardem jest 440 mm2, czyli dwa przewody po 220 mm2. Były odcinki kolejowe ważne gospodarczo gdzie zamontowano dwa przewody po 250 mm2. Dla przykładu we Włoszech na szlaku Rzym – Florencja jest 620 mm2. Tu pociągi biegną z prędkością 220 - 250 km/h. W polskich warunkach nominalna prędkość to 220 km/h.
Obecna dyskusja jest bezprzedmiotowa, a to dlatego, że wydano już miliardy złotych na modernizację infrastruktury kolejowej. Wiele szlaków przystosowano już do prędkości biegu pociągów osobowych do 160 km/h.
Polskie koleje dysponują lokomotywami elektrycznymi, które mogą już biec z prędkością 200 km/h. Polskie nowe EZT standardowo biegną do 160 km/h. Tak samo pociągi klasyczne osiągają już 160 km/h. Wiele lokomotyw elektrycznych ma już silniki elektryczne asynchroniczne, które mają lepsze parametry. Nowe pociągi SZT standardowo jadą z prędkością do 120 km/h. Wynika to z fizyki przekładni elektrycznej stosowanej w tych pociągach i ekonomiki.
Co planowano do elektryfikacji 25 kV AC w PKP?
Centralna Magistrala Kolejowa była typowana do zmiany prądu na 25 kV AC. Jednak przedsięwzięcie jest nieekonomiczne.
Typowano nowo budowany szlak „Y” Warszawa - Łódź z odejściem do Poznania i Wrocławia. Szlak jeszcze nie powstał.
Typowano szlak Nr 203 Kostrzyn nad Odrą - Gorzów Wielkopolski - Krzyż Wielkopolski - Piła - Chojnice - Tczew. Tutaj napotkano na problemy krzyżowania się szlaku 25 kV 50 Hz z siecią 3 kV DC na stacjach: Kostrzyn (tutaj jest mniejszy problem, bo główne szlaki krzyżują się na wiadukcie kolejowym), Krzyż Wielkopolski, Piła, Tczew.
W 2010 roku, Zarząd PLK S.A. podjął decyzję o przygotowaniu projektowanego odcinka linii „Rail Baltica” od stacji Ełk przez Suwałki do granicy w Trakiszkach, traktując ten odcinek jako poligon doświadczalny.
Z ekonomicznego punktu widzenia, tylko elektryfikacji linii LHS prądem 25 kV 50 Hz ma sens. Ta sieć kolejowa szeroko - torowa jest niezależna od normalnotorowej. Tym bardziej, że jest w pobliżu sieć energetyczna 400 kV.
Opracował Karol Placha Hetman