Trakční vedení tramvajových a trolejbusových drah se jmenovitým napětím do 1 kV v České republice podléhá specifickým technickým normám a regulacím. Tato norma platí pro navrhování, výstavbu, provoz a údržbu trakčních vedení, jak pro nová zařízení, tak pro přestavby.
Technické normy a legislativa
Tato norma je závazná pro trakční vedení, která podléhají státnímu dozoru podle zákona č. 266/1994 Sb. o dráhách. Výjimky ze závazného ustanovení této normy může na žádost povolit jen uvedený neopomenutelný účastník.
Norma obsahuje řadu nových ustanovení a změn vyvolaných novou drážní legislativou. Část ustanovení byla přesunuta do ČSN 37 6754 Projektování trakčních vedení tramvajových a trolejbusových drah. Touto normou se nahrazuje ČSN 33 3516 z ledna 1994.
Související normy a předpisy zahrnují:
- ČSN 33 2000-4-41 Elektrotechnické předpisy. Elektrická zařízení. Část 4: Bezpečnost.
- ČSN 33 2000-6-61 Elektrotechnické předpisy. Elektrická zařízení. Část 6: Revize.
- ČSN 33 1500 Elektrotechnické předpisy.
- ČSN 34 1050 Elektrotechnické předpisy ČSN.
- ČSN 34 1500 Elektrotechnické předpisy.
- ČSN IEC 913 Elektrotechnické předpisy.
- ČSN 34 3100 Elektrotechnické předpisy ČSN.
- ČSN 34 3112 Elektrotechnické předpisy ČSN.
- ČSN 34 5145 Elektrotechnické názvosloví.
- ČSN 42 8460 Trolejový drôt.
- Zákon č. 266/1994 Sb. o dráhách.
- Vyhláška č. 99/1989 Sb.
Typy trakčního vedení a napájecí soustavy
Stejnosměrné sítě byly historicky prvními rozvodnými sítěmi. V současné době se používají zejména pro trakční vedení, dálková vedení HVDC (High Voltage Direct Current), UHVDC (Ultra High Voltage Direct Current), podmořská propojení a specifické místní sítě.
Čtěte také: Detailní pohled na dielektrickou pevnost a bezpečnost izolace
Trakční vedení nízkého napětí
Tyto sítě se využívají nejčastěji pro napájení tramvají, metra, trolejbusů a příměstských vlaků. Napájecí soustava musí zahrnovat i trakční měnírny, které jsou připojeny k distribuční síti 22 kV. V nich se napětí transformuje na požadovanou velikost a usměrní.
Tramvajové sítě jsou obvykle jednostranně napájené, paprskové. Sítě pro metro a železnici bývají oboustranně napájené. Například v Praze jsou jednotlivé trasy metra napájené z několika různých rozvoden, např. z rozvodny Malešice, Anděl apod.
Charakteristika napájecích soustav:
- DC 600 V: Používá se pro tramvajovou dopravu v ČR, např. v Praze, Brně, Ostravě, Olomouci, Plzni. Obvykle je kladný pól v troleji (na sběrači) a záporný pól v kolejnicích. Může to být ale i obráceně, např. v Brně a v Ostravě.
- DC 750 V: Napájí např. metro v Praze. Kladný pól se přivádí na napájecí kolejnici (třetí, postranní kolejnice), záporný pól k pojížděným kolejím.
Obě výše uvedená napětí se též využívají pro napájení trolejbusů, např. v Brně, Ostravě a Pardubicích. Pomocí dvou tyčových sběračů je napájen elektromotor v trolejbusu.
Trakční vedení je zavěšováno buď na stacionární sloupy trakčního vedení, nebo je zavěšeno na úponech přichycených na jiných, např. domech. Upínací soustava je tvořena kombinací ocelových lan, svorkových prvků a samotného ocelového vodiče, který je napájen elektrickým proudem a po kterém se pohybuje sběrač vozu. Tramvajové vedení je tvořeno jediným kabelem - tvoří jeden pól, zatímco druhý pól je přirozený - tramvajová kolejnice. Tramvaj je izolovaným objektem, takže pokud chodec šlápne na kolejnici, není elektrickým proudem zasažen. Nebezpečí by ovšem hrozilo např. v případě průjezdu vozidla, jehož rozměry včetně nákladu by odpovídaly výšce trakčního vedení.
Čtěte také: Izolace s asfaltovým lakem: Jak na to?
Trakční vedení vysokého napětí
- DC 1,5 kV: Využívá se např. pro dráhy na jihu Francie a v Nizozemí. V ČR se dodnes provozuje železniční trať mezi Táborem a Bechyní, kterou postavil v roce 1903 František Křižík. Tato trať stále využívá napětí DC 1,5 kV.
- DC 3 kV: Využívána pro železniční dopravu na severu ČR, dále např. v Polsku, Itálii a na Slovensku. Umožňuje vyšší výkonové zatížení tratě a má menší ztráty ve vedeních než soustava DC 1,5 kV. Napájení se obvykle provádí ze dvou protilehlých stran, což zajišťuje vyšší spolehlivost.
Dálková vedení HVDC (UHVDC) a podmořská propojení
Dálková vedení HVDC a UHVDC umožňují přenášet velké výkony (v řádu GW) na dlouhé vzdálenosti (tisíce km). Je možné propojit dvě soustavy s odlišnými frekvencemi. Mají menší počet vodičů, což zmenšuje náklady na vedení (často stačí jen jeden vodič, druhý pól může být veden zemí). Dále se neuplatňuje skinefekt, není nutná kompenzace účiníku, délka vedení není omezená kapacitními proudy a dochází k menšímu úbytku napětí.
Nevýhody zahrnují potřebu měníren a s tím spojené investiční náklady, nutnost vytvoření jalového výkonu ve zvláštních zdrojích, vyšší harmonické vytvářené měnírnami a nebezpečí koroze kovových částí v zemi při monopolárním přenosu.
Podmořské kabely se používají k propojení mezi dvěma pevninami, nebo mezi pevninou a ostrovem. Kabel přenášející střídavý proud by se při dlouhé vzdálenosti choval jako válcový kondenzátor.
Konstrukce podmořského kabelu může být následující:
- Složené jádro z mědi nebo hliníku o průřezu do 3 000 mm2.
- Izolace ze zesíťovaného (extrudovaného) polyetylenu.
- Vodní bariéra z měděného nebo hliníkového laminátu kombinovaného s bobtnající vrstvou.
- Jedna nebo dvě vrstvy armování pro mechanickou ochranu.
- Plášť z HDPE (High Density PolyEtylen).
- Ochranná vrstva z polypropylenu namočeném v bitumenech (asfalt, dehet).
Polarita napětí a bludné proudy
V Ostravě je jako ve většině, ne-li ve všech městech trakční soustava složena z jednotlivých na sobě nezávislých segmentů - trakčních úseků neboli sekcí. Trakční úseky jsou od sebe odděleny pomocí úsekových děličů, které musí být pojížděny bez proudu. Síť se do jednotlivých trakčních úseků dělí zejména proto, aby nedocházelo k přepětí, resp. podpětí jednotlivých úseků v dopravních sedlech, resp. špičkách. Druhotným důvodem je pak možnost vypnutí přívodu elektrického proudu jen v dílčím segmentu trati.
Čtěte také: Cihly s tepelnou izolací
Záporná polarita napětí v troleji, tedy -600 V, je využívána například v Ostravě, Brně a Košicích. Je upřednostňována z důvodu snižování vlivů bludných elektrických proudů. Bludnými proudy nazýváme elektrické proudy, které se dostanou do půdy z nedostatečně izolovaných vodičů nebo zařízení, které používají zem jako zpětný vodič. Tyto proudy vytvářejí zemní proudová pole.
Kladná polarita kolejnice má jako účel ochranu před bludnými proudy, které devastují potrubí a další kovové věci v zemi. Když je záporný pól v koleji a v troleji je kladná polarita, existuje v okolí měnírny množství bludných proudů a kolejnice, potrubí a kovové konstrukce v tomto místě podléhají rychleji stárnutí a poruchám, což znamená, že intenzivněji rezivějí.
Zjišťování bludných proudů
Bludné proudy a proudová pole je nutno zjišťovat. Jedna metoda, uvedená do praxe Výzkumným ústavem železničním v Praze, stanovuje přítomnost bludných proudů v zemi dvojicí referenčních měděných elektrod vzájemně vzdálených 2,5 až 50 metrů s následným měřením v kolmém směru respektive s použitím čtyř měděných referenčních elektrod a dvou měřicích voltmetrů. Z naměřených hodnot pak stanovuje intenzitu elektrického pole. Získané hodnoty se zpracují do vektorových diagramů a sestrojí se jejich vektorový součet, přičemž důležitým je vektor elektrického pole bludných proudů a jeho absolutní hodnota.
Zjednodušená metodika používá při měření tři měděné referenční elektrody. Na povrch půdy se položí referenční elektrody tak, aby mezi nimi vznikl pravý úhel, a to tak, aby vždy dvě elektrody mířily k severu a východu. Nejprve se však změří vzájemný rozdíl potenciálu v mV a zahrne se do konečného výsledku. Podle předpokladu úrovně bludných proudů se zvolí vzájemný rozestup referenčních elektrod od 1 do 5 m. V oblastech silných bludných proudů se volí rozestup 1 m.
Největšími bludnými proudy a proudovými poli však trpí zejména okolí měníren (stejnosměrné napětí) a napájecích stanic (střídavé napětí) SŽDC.
Ovládání tramvajových výhybek
Přestavování výhybek z místa řidiče probíhá jak přímo u samotné výhybky, tak z tramvaje. V dlažbě u výhybky byl ve skříni elektromagnet sloužící k přehazování výhybky, signalizující polohu výhybky. Řidič na panelu stiskl tlačítko výhybky. Tramvaj v té chvíli jela výběhem, nebo pod brzdou, tedy bez odběru proudu přes motory. Pak prošel magnetem, kabelem zpátky do skříně na sloupu a odtamtud kabelem na kontakt na troleji.
Ve skříni elektromagnetických výhybek je u vlastní výhybky ještě jedno důmyslné zařízení, které umí přehodit výhybku do dvou směrů, i když jádro v elektromagnetu pokaždé dělá stejný zdvih. Jazyky výhybky jsou navzájem spojeny tyčí, která udržuje rozchod a současně několika výstupky na té tyči, které zapadají do průhybů v listovém péru aretují jazyky výhybky v obou krajních polohách.
Ovládání dvoucívkových výhybek funguje tak, že proudová cívka relé směru je bez proudu a jeho kontakt je přepnut do nakreslené polohy. Tím je obvod připraven na průchod proudu cívkou. Jestliže sběrač tramvaje najede na „hlavní kontakt“, nic se neděje. Teprve v momentě, kdy sběrač najede na „pomocný“ kontakt a propojí „hlavní“ a „pomocný „ kontakt navzájem, tak proud projde z troleje skrz proudovou cívku relé směru - na „hlavní“ kontakt z něj přes sběrač do „pomocného“ kontaktu a z něj do cívky stykače.
Moderní výhybky mají kolejové obvody, ultrazvukové/IR závory na blokování a také přijímače rádiového signálu a vyhřívání.
Vývoj systémů ovládání výhybek
Systém popsaný u starých vozů přestal stačit v době, kdy začaly jezdit tramvaje řady T ve dvojicích. Nastala totiž situace, kdy bylo nutno blokovat výhybku v případě, kdy přes ovládací kontakt přejížděly dva sběrače jednoho vlaku. Současně bylo nutno systém výhybek modernizovat a zavést řadu nových prvků. Sběrač druhého vozu přejížděl stavěcí kontakt ve chvíli, kdy se první vůz nacházel právě v prostoru výhybek. Proti dříve popsanému systému, který byl používán v provozu starých vozů, musel být systém změněn tak, že byl doplněn o další klapačku a odblokovávací stykač.
Další změnou bylo doplnění dalšího, odblokovávacího stykače, na schématu označeného OS. Ten se vyznačoval tím, že na rozdíl od blokovacího stykače měl hlavní kontakt vypínací. Jestliže přes výhybku projíždí sólo, výhybka se odblokuje v momentě, kdy sběrač najede na odblokovávací klapačku. Jestliže přes elektromagnetickou výhybku projíždí trojice, je nejnebezpečnější situace ve chvíli, kdy přes stavěcí kontakt projíždí třetí vůz. Řidič už nevidí na návěstidlo, jestli je výhybka zablokovaná. Jinak je vždy jeden sběrač na odblokovávací klapačce a další na klapačce přídržné.
Prudký ráz při přestavování jednak působil hluk a někdy stížnosti lidí bydlících v blízkosti, jednak prudké rázy v mechanizmu při jejich přestavování. Kromě toho byly tyto výhybky dost citlivé na nečistoty nebo cizí tělesa ve žlábcích v místech, kde se pohybovaly jazyky. Dalším problémem byl souběh starých a nových vozů. Každý typ vozu totiž vyžadoval jinou intenzitu proudu.
Jedním takovým způsobem zlepšení přestavování výhybky je způsob, kdy výhybka se už nepřehazuje přímo trakčním proudem, ale přes stykače a předřadné odpory ve skříni na sloupu. Proudem z troleje už jsou ovládány pouze řídící obvody stykačů. Ty buď sepnou a výhybky se spolehlivě přehodí, nebo z nějakého důvodu nesepnou a výhybka se nepřehodí. Má to tu výhodu, že výhybka by se neměla přehodit napůl.
V Praze se experimentovalo s několika, více méně pokusnými systémy, například se světelnou výhybkou, plzeňským systémem a s popudovými cívkami. Tyto experimenty se však neosvědčily a po krátké době skončily.
V posledních letech byl vyvinut podobný systém jako na dráze, kdy výhybky jsou přestavovány mechanizmem poháněným motorem. Ovládací kontakt na troleji dává impuls stykači nebo relé, které řídí směr a rychlost otáčení motoru. Výhybka se pak přestavuje plynule bez rázů. Zajímavé na tom je to, že dost často jsou používány trojfázové motory napájené z veřejné sítě.
Zapojení elektrických obvodů tramvají
Na schématu vidíme 4 stejnosměrné elektromotory zapojené sérioparalelně do obvodu, označené 1M - 4M. V troleji máme napětí 600 V a vzhledem k tomu, že jsou motory zapojeny do dvou paralelních větví, každý z motorů je na 300 V. Motory jsou sériové stejnosměrné s vlastním buzením, kotvy motorů a budící vinutí jsou zapojeny sériově.
Při zrychlování je linkový stykač LS sepnutý dle řídících obvodů. Proud z troleje protéká přes odpojovač-uzemňovač, který v poloze uzemněno uzemňuje trakční obvod z druhé strany obvodu (až poté je možné bezpečně vyměňovat silnoproudé pojistky). Dále proud protéká přes maximální relé MR, které se samočinně rozpadne při větším proudu než 750 A. Jedná se o nadproudovou ochranu, která se dá vyrušit opětovným sešlapem jízdní šlapky - jedná se proto o speciální jistič. Následně se obvod rozděluje do dvou větví - pro motory 4M a 3M a motory 2M a 1M.
Při brzdění se chová motor jako dynamo - vyrábí elektrický proud z kinetické energie vozu, který tím brzdí. Proud spotřebuje zrychlovač opět dle omezovacího relé. Největší změna oproti jízdnímu obvodu je v zapojení cívky přípravy CP do obvodu pracovním kontaktem stykače B1. Cívka přípravy se stará o to, aby bylo předbuzeno vinutí motorů 4M a 3M - tím je možné začít okamžitě brzdit, což znamená, že i při doběhu vůz brzdí malým proudem asi 50 A.
tags: #izolacni #napeti #tramvaj #vysvětlení