25 kV-os villamos vontatás

Európa villamosítási rendszerei
  750 V DC
  1,5 kV DC
  3 kV DC
  15 kV AC
  25 kV AC
  nem villamosított

A nagysebességű vonalak Franciaországban, Spanyolországban és Olaszországban 25 kV rendszerrel vannak villamosítva]]

Villamosított vasutak aránya Európában

A világ vasútjain széles körben elterjedt a 25 kV-os ipari feszültségű váltakozó áramú vasúti vontatási rendszer, ugyanis ideális a nagy távolságú vagy intenzív forgalmat lebonyolító vasútvonalakhoz, különösen a nagysebességű vasutakhoz.

A vasutak ezt a vontatási rendszert a második világháborút megelőzően a Magyarországon, valamint és a németországi Fekete-erdő-vasútvonalon folytatott kísérletek után, az 1950-es években kezdték elterjedten alkalmazni. Az 50 Hz-es rendszert Kandó Kálmán dolgozta ki Magyarországon: a próbák 1922-től folytak, az első sikeres gyakorlati alkalmazása 1931-től a Budapest–Győr–Hegyeshalom vasútvonal villamosított üzeme volt (része a Budapest–Bécs útvonalnak). Kandó utat mutatott újításával, de Magyarországon kívül akkor nem mutatkozott érdeklődés a rendszerre.

Az egyenárammal (DC) szemben a váltakozó áramú (AC) ipari frekvenciás (50 Hz) rendszer tagadhatatlan előnyein túl,[pontosabban?] a 25 kV-os feszültség választásának alapja az energiaátvitel hatékonysága volt a költség függvényében. Egy adott teljesítményszinten, a magasabb feszültség kisebb áramerősséget és általában a jobb hatásfok elérését teszi lehetővé, magasabb berendezési költségek mellett. Kiderült, hogy a 25 kV-os feszültség az optimális pont, ahol a (15-16 kV-hoz képest) még nagyobb feszültség továbbra is növeli a hatékonyságot, de nem növeli jelentősen a vonatkozó költségeket, amik a nagyobb védőtávolság és a nagyobb szigetelők miatt jelentkeznek.

Áttekintés

[szerkesztés]

A villamos vontatási rendszer bevezetését a szükségszerűen magasabb űrszelvényméret hátráltatta, ami elsősorban hidak és alagutak esetében okozott gondot.

A szabvány lassú terjedésének másik oka, hogy nem állt rendelkezésre megbízható higanygőz egyenirányító, amely megfelelt volna a mozdonyokhoz, mivel a vontatómotor egyenáramú volt, a táplálásához pedig a váltakozó áramot át kellett alakítani.

Vontatási célokra az egyenáramú motor a legkézenfekvőbb választás, hiszen a feszültség változtatásával szabályozható a sebesség, továbbá ideális a sebesség-nyomaték karakterisztikája, vagyis könnyebb és nehezebb terhet is körülbelül azonos sebességgel képes vontatni. Az egyenáramú motor a gerjesztés változtatásával könnyen szabályozható, a párhuzamos gerjesztőtekercs átkapcsolásával, vagy soros ellenállás értékének változtatásával.

Egyes vasúttársaságok váltakozó áramú villanymotorokat is alkalmaztak, változó sikerrel, mivel azok sebesség–nyomaték viszonya a vontatási célokat nem elégítette ki. A legfőbb gond a sebesség szabályozásának nehézségei voltak, ehhez ugyanis bonyolult és költséges frekvenciaváltókat kell alkalmazni.

Amíg a higanyos egyenirányítók működése még ideális körülmények között is nehézkesnek bizonyult, nem alkalmazhatták a vasúti vontatásban. Az 1950-es években a problémát a félvezető egyenirányítók és a hozzá kapcsolódó technológiák kifejlesztése oldotta meg.

Az 1990-es években a nagysebességű vonatoknál elkezdtek könnyebb, alacsony karbantartási igényű háromfázisú AC indukciós motorokat alkalmazni. A Sinkanszen N700-as sorozat a motorok hajtásához az alábbi összetett átalakítót alkalmazza : 25 kV AC egyfázis → 1520 V AC (transzformátoron keresztül) → 3000 V DC fázis-vezérelt tirisztoros egyenirányítóval → maximum 2300 V AC háromfázisú feszültség, változtatható feszültségű és frekvenciájú inverterrel, melyet pulzus-szélesség modulált IGBTvel valósítanak meg. A rendszer visszafelé is működik, energia visszatápláló fékezésnél.

A vasutaikon a kis kapacitású 3 kV-os, illetve 1,5 kV-os egyenáramú rendszereket használó országok, mint például Franciaország, Oroszország, Dél-afrikai Köztársaság, Spanyolország, Olaszország, Belgium, Szlovákia és Hollandia az új nagysebességű vasútvonalaikat már a 25 kV váltakozó áramú rendszerrel építik, illetve építették meg.

Az Egyesült Királyságot és Franciaországot a tenger alatt összekötő Csatorna-alagútban futó vasútvonalon is a 25 kV 50 Hz rendszert használják.

Történet

[szerkesztés]

Magyarországon

[szerkesztés]

A dr. Kandó Kálmán által tervezett vasútvillamosítás volt a világon az első nagyfeszültségű (16 000 V) hálózati frekvenciájú (50 Hz) villamosítás. A rendszert a villamosmozdonyok szerkezetével együtt Kandó dolgozta ki, több évtizedes külföldi tapasztalatai alapján. Ezzel ötven évvel megelőzte korát, mivel napjainkra általánossá vált az általa kifejlesztett rendszer alapelve. A magyar szakemberek sikeres olaszországi működésének az 1915-ben bekövetkezett olasz–magyar hadiállapot vetett véget. A hazatért Kandó 1916-ban mint népfelkelő hadnagy a bécsi hadügyminisztériumban a vasutak szénellátásának előadója lett. A monarchia igen nehéz szénhelyzetének ismeretében megismételte az 1900-ban már felvetett javaslatát a gőzüzemű vasutak villamosítására. Rámutatott arra, hogy gazdaságos megoldás csak az országos energiagazdálkodás keretein belüli vasútvillamosítás lehet. Ehhez olyan rendszerre van szükség, amelyben a hálózati frekvenciájú egyfázisú váltakozó áram közvetlenül felhasználható a mozdonyon úgy, hogy a legegyszerűbb háromfázisú vontatómotor alkalmazható legyen. Így a vasút áramellátásához csak egy munkavezeték szükséges, és nem igényel sem önálló erőművet, sem veszteségforrást jelentő átalakító állomásokat.

Tanulmányának hatására a MÁV és a Ganz gyár kieszközölte Kandó felmentését a sorkatonai szolgálat alól, így ismét a Ganz gyár szolgálatába léphetett, és a Ganz Danubius műszaki-, majd vezérigazgatója lett. Ettől függetlenül azonnal hozzákezdett az új 50 Hz-es villamos vontatási rendszer alapelveinek kidolgozásához, 1922 után pedig vezérigazgatói állásáról lemondva a Ganz-féle Villamossági Rt. műszaki tanácsadójaként kizárólag villamos mozdonyok tervezésével és a Villamosmozdony Szerkesztési Osztály irányításával foglalkozott.

Az új rendszer elvi felépítésével egyidőben Kandó megalkotta az első fázisváltós mozdonyt is, a gyakorlatban bizonyítva, hogy lehet jó minőségben 50 periódusú villamos mozdonyt gyártani A kísérleti mozdony gyártása 1919-ben elkezdődött, de a vesztes világháborút követő politikai és gazdasági nehézségek miatt csak 1923-ban indult meg a próbaüzem a Nyugati pályaudvar és Alag közötti vonalszakaszon. A munkavezeték egyfázisúnak indult meg, 15 kV-os, 50 periódusú áramát a fázisváltónak elnevezett, új villamosgép alakította át háromfázisú 350 V és 650 V közötti feszültségű árammá a két hajtómotor számára. A négy sebességfokozat beállítása a motorok kaszkád-, illetve párhuzamos kapcsolásával, az indítás és a gyorsítás folyadékellenállás segítségével történt. A motorok a hajtókerék-párokhoz csuklós hajtókeretes hajtóművel kapcsolódtak. Az alapos, három évi próbaüzem igazolta az elgondolás helyességét, de a tapasztalatok alapján a mozdonyt a futómű és az általános elrendezés meghagyásával átszerkesztették, egyes szerkezeti elemeit tökéletesítették. Az átalakítás szerkesztési és gyártási munkáit Manndorff Béla, a szerelést Perczel Ákos mérnökök irányították.[1]

MÁV V40

Előbbi volt a próbamenetek vezetője is. Az átalakított mozdonnyal 1928-ban folytatódott a próbaüzem, amelynek során egy alkalommal a sors különös játékából az átalakított mozdony menetrendi szerepet kapott. 1928. november 6-án a kora esti órákban Alagon kisiklott a menetrend szerinti személyvonat gőzmozdonya. Más megoldás nem lévén, Alagról a kísérleti villamos mozdony hozta be a vonatot a Nyugati pályaudvarra. Talán a gondviselés így akarta Kandót előre megjutalmazni, tudva azt, hogy nem érheti meg fő műve elkészültét. Az átalakított fázisváltós próbamozdony minden szempontból bebizonyította, hogy Kandó rendszere alkalmas nagyvasúti forgalomra.

A végleges konstrukció négypólusú lett, közvetett vízhűtésű forgórésszel. Állórésze olajjal teli térben volt, amelyet egy bakelithenger választott el a forgórésztől. Az állórész szekunder tekercselése 850 V és 1300 V között változtatható feszültségen három-, négy- vagy hatfázisú áramot szolgáltatott egységnyi primeroldali teljesítménytényező mellett. Az indításhoz szükséges kétfázisú, rövidre zárt forgórészű indukciós motor és a gerjesztőgép egybe volt építve a fázisváltóval. Az egyetlen, több mint 18 tonna súlyú többfázisú, csúszógyűrűs aszinkron hajtómotor Kandó-féle csuklós, keretes hajtóművel csatlakozott a hajtott kerékpárokhoz. A motor forgórészén két egymástól független pólusátkapcsolásos tekercselés volt, az állórész önmagában zárt tekercselése 48 kivezetéssel a motor teljesítménymérője által vezérelt folyadékellenálláshoz csatlakozott.

A fázisváltós rendszer létrehozását fáradságot nem spórolva eredményesen támogatta Verebélÿ László, aki a MÁV Vasútvillamosítási Osztály vezetőjeként már 1919-ben megfogalmazott tanulmányában erőteljesen támogatta Kandó elképzelését.

A világban

[szerkesztés]

Az 1920-as évek első felében az olaszországi Saronno-i mozdonygyár megrendelésére – Kandó tervei alapján – a Ganz gyár két háromfázisú mozdonyt készített. Egyik hajtóművét még a régi Kandó-féle háromszöggel gyártották, a másiknál azonban már a csuklós, Kandó-keretes új hajtóművet alkalmazva azt sikeresen kipróbálták. Ezt a megoldást ismételte meg Kandó 1926-ban is a két Paris-Orleans vonalra rendelt 4000 LE-s egyenáramú gyorsvonati mozdonyon, amelyek akkor Európa legnagyobb egyenáramú lokomotívjai voltak.

Az újítást alkalmazó első külföldi vonal a francia SNCF-é volt 1951 ben. Aix-les-Bains és La Roche-sur-Foron között közlekedett Dél-Franciaországban. Kezdetben 20 kV feszültséggel, de később átépítették 25 kV-ra 1953-ban. A 25 kV rendszer lett később a Francia szabvány, ám mivel Párizs környékén számottevő hosszon 1500 V DC volt már kiépítve, az SNCF folytatta ennek kiépítését is az új létesítéseknél, mígnem kifejlesztették a többáramnemű gépeket az 1960-as években.

A villamos vontatás előnyei a gőzvontatással szemben

[szerkesztés]
  • A villamos vontatás összhatásfoka lényegesen nagyobb a gőzvontatásénál.
  • A gőzüzemmel szemben a villamos üzem nagyobb teljesítőképességű.
  • A szén- és vízvételezés ideje megtakarítható.
  • A nagy teljesítményű villamosmozdonyok révén a vonatok átlagos tömege és sebessége a pálya átépítése nélkül is növelhető.
  • Az alagutak szellőzése a villamos vontatásnál kedvezőbb.
  • A villamosmozdony gazdaságosabb üzemű a gőzmozdonyénál, mert számos olyan veszteség nem jelentkezik, amely a gőzmozdonynál elháríthatatlan (begyújtás, ácsorgás, fűtőházban való gőztartás miatti szénfogyasztás).
  • A számos vízi erőművel rendelkező országok (pl.: Svájc, Norvégia) a külföldtől való függőségét is csökkenti.
  • Nincs káros anyag kibocsájtás.

Hátrányok

[szerkesztés]

A vontatási 25 kV-os váltakozó áramú rendszer egyfázisú rendszer, amely a háromfázisú villamos hálózatot aszimmetrikusan terheli, és ez zavarokat okozhat a többi fogyasztónál. Ez áthidalható teherelosztó állomások kiépítésével, vagy a terhelés csökkentésével zavar esetén. Ez a rendszer nincs elszigetelve az országos villamosenergia-hálózattól, mint más rendszerek. Régebbi mozdonyok vagy az újabb mozdonyok energia visszatápláló fékezése zavart okoz a hálózatban. Nem feltétlenül gazdaságos kiszűrni a zajt a hálózatból, ez pedig ahhoz vezetett, hogy egyes országokban tilos a visszatápláló fékezést alkalmazni.

A nagyfeszültségű felsővezetéknek nagyobb a helyszükséglete, amikor a sínpálya hidak alatt vagy alagútban fut.

A rövidzárlat elkerülése érdekében óvakodni kell a nedvességtől. Olyan időjárási körülmények mint például az ónos eső vagy az intenzív havazás meghibásodást, a vezeték leszakadását okozhatja. Hasonló történt 2009 decemberében, amikor négy Eurostar vonat hibásodott meg a Csalagútban.

Táplálási rendszerek

[szerkesztés]

A villamos energiát az erőművekből a vonali alállomásokra továbbítják 400 kV vagy 120kV feszültségű, háromfázisú távvezetékeken keresztül. Különböző országok különböző feszültségértékeket alkalmaznak.

Az alállomásokon a háromfázisú tápvezeték két fázisához egy feszültségcsökkentő transzformátor csatlakozik, amely a feszültséget 25 kV szintre alakítja. Ezzel táplálják a vasútvonalak mellett futó vontatási hálózatot, ahol a teherelosztás és a szabályzás is történik.

Szabványosítás

[szerkesztés]

A vontatási rendszer, mely 25 kV, 50 Hz AC nemzetközi szabvánnyá vált. Két fő szabvány van mely a feszültség értékeket definiálja:

  • EN 50163 - "Vasúti alkalmazások. A vontatási rendszerek tápfeszültségei" (legfrissebb magyar nyelvű változata: MSZ EN 50163:2013)
  • IEC 60850 - "Railway Applications. Supply voltages of traction systems"
Vontatási rendszer Legalacsonyabb
nem állandó
feszültség 		Legalacsonyabb
állandó
feszültség 		Névleges feszültség Legmagasabb
állandó
feszültség 		Legmagasabb
nem állandó
feszültség
25 000 V, AC, 50 Hz
17 500 V
19 000 V
25 000 V
27 500 V
29 000 V

Ez a rendszer most már része az Európai Unió Transz-Európai vasút átjárhatósági szabványainak. (1996/48/EC "Interoperability of the Trans-European high-speed rail system" and 2001/16/EC "Interoperability of the Trans-European Conventional rail system").

Változatok

[szerkesztés]

25 kV AC 60 Hz

[szerkesztés]

Országokban ahol a hálózati frekvencia 60 Hz, ott 25 kV 60 Hz-et alkalmaznak a vasutaknál is:

6,25 kV AC

[szerkesztés]

A korai 50 Hz AC villamos vontatás Angliában 6,25 kV AC használt ott, ahol kevés hely volt hidak alatt, vagy alagútban. A járművek kétáramneműek voltak, automatikus átkapcsolással a 25 kV és a 6,25 kV között. A 6,25 kV részeket átépítették 25 kV AC-ra a kutatómunka eredményeit látva. Demonstrálták, hogy a földelt és a feszültség alatt lévő berendezések közötti távolság kisebb is lehet, mint ahogy először szükségesnek gondolták.

A kutatást egy gőzmozdonnyal végezték egy híd alatt Crewe-ben. A 25 kV-os felsővezetéket lassan egyre feljebb emelték a földelt hídszerkezet közelébe, amíg ki nem került a mozdony füstjéből. Azt a távolságot, ahol még nem történt ívkisülés, megmérték és később tervezési alapnak vették a további védőtávolságok kijelölésénél.

50 kV AC

[szerkesztés]

Esetenként a 25 kV duplázható 50 kV-ra a nagyobb teljesítmény és alállomási távolságok megnövelése érdekében. Az ilyen vonalakat általában elszigetelik más vonalaktól. Ilyen vonalak például:

  • A Black Mesa and Lake Powell Railroad, ami egy elszigetelt bányavasút volt. (60 Hz)
  • A Tumbler Ridge egy hálózat része a BC Rail. (60 Hz)
  • A Sishen–Saldanha vasércszállító vasút. (50 Hz)
  • Hazánkban 2×25 kV 50 Hz rendszerben üzemel a 30-as-60-as és 41-es menetrendi mezőkkel jelölt vasútvonalak Szabadbattyán és Kapospula, valamint a 29-es vonal Szabadbattyán és Balatonfüred közötti szakasza. A 2×25 kV-os rendszer nem keverendő össze azonban az 50 kV-os üzemmel. A felsővezeték és a sín közötti feszültségkülönbség ebben a rendszerben továbbra is 25 kV.[2]

Növelt feszültségű

[szerkesztés]

A TGV sebesség világrekordját Franciaországban állították fel. A kísérlet során a feszültséget átmenetileg megnövelték 29,5 kV és 31 kV-ra bizonyos időközönként.

25 kV keskeny nyomtávú vonalak

[szerkesztés]

Többáramnemű mozdonyok és vonatok

[szerkesztés]

Vannak olyan mozdonyok pl. Európában melyek többféle feszültséggel is képesek működni, pl 3 kV vagy 25 kV. Ez akár négy különböző rendszer is lehet.

Kapcsolódó szócikkek

[szerkesztés]

Jegyzetek

[szerkesztés]
  1. ↑ Technikatörténet 96. évfolyam 3. szám (2003)
  2. ↑ A nagyvasúti villamos vontatás szerepe

Irodalom

[szerkesztés]