Elektrifikacija

Povijest elektrifikacije europskih željeznica

Suvremeni promatrač mogao bi se pitati zašto u Europi postoji toliko različitih sustava elektrifikacije, i bi li se uskoro mogli objediniti. Glavni razlog tolike raznovrsnosti leži u činjenici neprestanoga razvoja električne opreme (vučnih motora, sustava napajanja) od početka dvadesetoga stoljeća. Kad bi se pojedina država odlučila na uvođenje elektrifikacije (posljednja je to učinila Grčka, a Albanija još nije), usvajala bi najbolji tada raspoloživi sustav, i kupila bi potreban broj odgovarajućih vučnih vozila.

Prva postignuća električne vuče bila su prikladna za kraće relacije s manjim opterećenjima, drugim riječima, za tramvaje. Sustav napajanja bio je 150 V istosmjerne struje, a ukupna je snaga vučnog vozila iznosila do 7,5 ks. Nakon 1888. napon se povećao na 600 V, a najveća je snaga bila oko 40 ks, što je omogućilo elektrifikaciju prigradskih vlakova i podzemnih željeznica. Elektromotori su bili na ranome stupnju razvitka, primjerice, bez pomoćnih polova i kompenzacijskih namotaja.

Prva električna lokomotiva na međugradskoj željeznici pojavila se na relaciji Baltimore — Ohio. Uvedena je u promet 1895., s napajanjem od 650 V istosmjerne struje. No taj sustav napajanja još uvijek nije bio prikladan za veće udaljenosti i snažnije lokomotive.

Oko 1900. godine još uvijek nije bilo istosmjernoga motora veće snage, pa se trebalo pribjeći trofaznom izmjeničnom asinkronom motoru. Ovaj sustav od 750 V, sa sniženom frekvencijom (40 Hz), predstavlja prvi pravi sustav elektrificirane željeznice. Najprije je primijenjen u Švicarskoj. Na sjeveru Italije trofazni se sustav napona 3,300 V i 15 Hz proširivao do 1928. Lokomotive su imale indukcijske asinkrone motore. Ipak, ovaj se sustav u praksi pokazao prilično složenim, budući da je zahtijevao dva međusobno izolirana kontaktna voda (treću su fazu predstavljale tračnice), što je bilo osobito nespretno kod skretnica. Osim toga, dodatni trošak je predstavljala nemogućnost izravnoga povezivanja željezničke mreže na javnu elektroprivrednu mrežu (bez transformacija). Zbog toga je trebalo iznaći jednostavnije rješenje. Istraživanja koja su uslijedila granala su se u dva smjera: izmjenična i istosmjerna struja.

Kod izmjenične struje još se uvijek nije mogla koristiti standardna frekvencija od 50 Hz, već ju je trebalo sniziti kako bi se izbjegle štetne posljedice na kolektorima motora. Frekvencija je snižena na trećinu, tj. na 16 2/3 Hz (16.7 Hz). Prva lokomotiva koja se napajala s 15,000 V ~ 16 2/3 Hz izgrađena je 1905. u Švicarskoj. Njena ukupna satna snaga iznosila je 205 ks. U to je vrijeme već bilo moguće proširiti elektrifikaciju diljem Europe. Ovaj su sustav napajanja prihvatile Švicarska i Njemačka 1909. godine, iduće godine Švedska, 1914. godine Austrija, a 1922. Norveška. Do 1928. godine bilo je oko 10,000 km pruge u cijelome svijetu elektrificirano strujom od 15,000 V ~ 16 2/3 Hz.

Glavni je pak problem kod istosmjerne struje predstavljala izgradnja serijskoga motora većega napona i snage. Pomoćni su se polovi počeli primjenjivati od 1903., a živini ispravljači su se neprestano razvijali. Među prve važne relacije koje su elektrificirane s 3,000 V istosmjerne struje ubraja se linija Chicago — Milwaukee — St. Paul (1915. godine). Ovaj je sustav prihvatila Španjolska 1922. godine, Italija 1928., Rusija, Belgija i Poljska 1926. godine, a nakon II. svjetskog rata bivša Čehoslovačka i Jugoslavija. S druge strane, Francuska se 1920. opredijelila za istosmjerni sustav od 1,500 V, te je do 1948. dala elektrificirati oko 5,000 km pruge. Tu su voltažu zatim prihvatile Nizozemska i Engleska.

Jednofazni sustav normalne frekvencije 50 Hz prvi je puta izveden u Mađarskoj 1931. godine (Budimpešta — Hegyeshalom) pri naponu od 15,000 V. No primijenjena je lokomotiva bila odviše složena budući da je imala naponski i fazni pretvarač za asinkroni vučni motor. U Francuskoj su izvođeni pokusi s izmjeničnom strujom od 50 Hz od 1950. do 1952. godine. Konačni je izbor pao na 25,000 V ~ 50 Hz. Ta je elektrifikacija prvi puta primijenjena u Francuskoj 1955., a nakon toga u Mađarskoj, Rusiji, Engleskoj, Portugalu, bivšoj Jugoslaviji, Bugarskoj, Rumunjskoj i Turskoj. Lokomotive ovoga sustava imaju različite vučne motore. Najboljim se rješenjem pokazala lokomotiva s transformatorom, ispravljačem i istosmjernim vučnim motorima.

Tijekom razvoja električne vuče pojavilo se mnoštvo sustava elektrifikacije, no održala su se samo četiri standardna: 1,500 V i 3,000 V istosmjerno, te 15,000 V ~ 16 2/3 Hz i 25,000 V ~ 50 Hz jednofazno. Najuspješniji i najprikladniji je posljednji od njih (s normalnom frekvencijom), koji se uvodi na sve novo-elektrificirane linije, osim ako je potrebno zadržati kontinuitet s prethodno elektrificiranim prugama. Njegove su prednosti: najveći napon mreže (tj. najmanji pad napona), najlakša kontaktna mreža, najmanji broj potrebnih električnih stanica, mogućnost izravnoga priključivanja na bilo koju javnu elektroprivrednu mrežu, jednostavno podešavanje voltaže na vučnim motorima pomoću transformatora i ispravljača, što omogućava uporabu serijskih istosmjernih motora. Ostali sustavi napajanja zahtijevaju 10 do 15 % veća ulaganja.

Danas se uspješno doskočilo problemu međunarodnih vlakova koji prolaze kroz više različitih elektrifikacijskih sustava, izgradnjom višesistemskih lokomotiva i elektromotornih vlakova. To je moguće izvesti relativno jeftino; potrebno je samo ugraditi potrebne transformatore, dok ostale sastavnice, uključujući vučne motore, ostaju iste. Ponekad višesistemske vučne jedinice moraju imati i različite pantografe zbog tehničkih različitosti pojedinih kontaktnih mreža.

Tehničke osobine četiriju glavnih elektrifikacijskih sustava

Električne stanice istosmjernih sustava moraju biti relativno blizu zbog niskoga napona; prosječna udaljenost iznosi 15 do 30 km. Također je potreban veći presjek vodiča, 300 do 500 mm², zbog čega se upotrebljava dvostruki kontaktni vod. Ovu mrežu uvijek napajaju istodobno dvije električne stanice, tako da lokomotiva dobiva više snage od bliže stanice. Ako linija ima dva kolosijeka, moguće je spajanje obaju kontaktnih mreža da se izbjegne veći pad napona.

Električne stanice jednofaznog sustava 25,000 V ~ 50 Hz mogu biti smještene 40 do 60 km jedna od druge. Prosječni je presjek vodiča 150 mm². Napajanje kontaktne mreže nije dvosmjerno, nego jednostrano: svaka električna stanica napaja lokomotivu samo pola puta do sljedeće stanice; u sredini se nalazi izolirani neutralni vod koji odvaja dva područja napajanja. Taj se neutralni vod koristi da se izbjegne premošćivanje područja dvaju električnih stanica, koje mogu biti priključene i na različite faze javnog elektroprivrednog sustava. Početak takve izolirane zone obilježava se crvenim znakom »L«, a na kraju se stavlja obrnuti crni znak »L«. Nekada se naređuje isključenje glavnoga prekidača lokomotive, i dopušta se vožnja sa samo jednim pantografom, kako bi se izbjeglo spajanje odijeljenih zona preko pantografa. Osim toga, postoje i rastavljači koji omogućuju spajanje kontaktne mreže na drugu električnu stanicu, ukoliko jedna ispadne iz pogona. Također je moguće spajanje kontaktne mreže dvaju kolosijeka, no samo unutar istih područja napajanja.

Postoje tri glavna tipa kontaktne mreže: lagana mreža se sastoji od jedne noseće žice i jedne kontaktne žice (jednofazni sustav 16 2/3 Hz i 50 Hz); normalna mreža obuhvaća jednu noseću žicu i dvije kontaktne žice (3,000 V istosmjerne struje), a složena mreža se sastoji od jedne noseće žice i pomoćne žice koja nosi dvije kontaktne žice (1,500 V istosmjerne struje).

Postoje također tri načina kompenzacije toplinskoga rastezanja kontaktne mreže. Ona može biti nekompenzirana, polukompenzirana i (potpuno) kompenzirana. Nekompenzirana mreža se nalazi iznad kratkih kolodvorskih kolosijeka, gdje se promet odvija malim brzinama. Kod polukompenzirane mreže noseća žica je fiksna, a kontaktna je žica napeta pomoću utega. Kod kompenzirane mreže se zajedno napinju i noseća i kontaktna žica. Ova je prikladna za promet pri velikim brzinama (preko 200 km/h). Kontaktna žica se vodi cik-cak, 20 do 25 cm ulijevo ili udesno od središnjice kolosijeka, kako bi se smanjilo trošenje pantografa.

Elektrifikacija u Hrvatskoj

Prva elektrificirana linija u Hrvatskoj bila je Rijeka — Pivka. Ukupna duljina relacije iznosi 64 km, od toga 28 km (Rijeka — Šapjane) pripada Hrvatskoj. Od 1952. do 1966. izvedena je elektrifikacija Zagreb — Rijeka (229 km) s 3,000 V istosmjerne struje. Sredinom šezdesetih godina, bivše Jugoslavenske željeznice opredijelile su se za sustav 25,000 V ~ 50 Hz. Prva pruga određena za novu elektrifikaciju bila je Zagreb — Beograd, najvažnija pruga bivše Jugoslavije. Elektrifikacija je dovršena početkom 1969. godine. Sredinom godine dovršena je pruga Sarajevo — Ploče (čijih se 22 km nalazi u Hrvatskoj), koja je bila u cijelosti elektrificirana novim sustavom napajanja. Elektrifikacija linije Zagreb — Koprivnica dovršena je s trećim listopadom 1981. godine.

Reelektrifikacija pruge Zagreb — Rijeka

Nakon što je ova relacija u potpunosti elektrificirana, četvrti i peti peron zagrebačkog Glavnog kolodvora imali su napajanje od 3,000 V istosmjerne struja, a ostatak stanice je bio elektrificiran s 25,000 V ~ 50 Hz. Savski most u Zagrebu je također imao dva odvojena kolosijeka: istočni, prema Sisku i Bosni, napajao se izmjeničnom strujom, a drugi, koji je vodio prema Rijeci, napajao se istosmjernom strujom od 3,000 V. Sredinom osamdesetih godina pokrenuta je inicijativa za reelektrifikaciju pruge Zagreb — Rijeka. Ona je obavljena od Zagreba do Moravica (139 od 229 km). Preostalih 90 km do Rijeke još je uvijek elektrificirano istosmjernom strujom, pa je stoga potrebno mijenjati lokomotive u Moravicama.

Godine 1999. izvršen je generalni remont 24 kilometarske dionice između Drivenika i Škrljeva na riječkoj pruzi. Zbog toga je trebalo uskladiti kontaktnu mrežu s popravljenim kolosijekom. Potrebna usklađivanja nije bilo moguće izvršiti pomoću postojećih 3,000 V konzola zbog većih promjena u razini tračnica i njihove centralne osi. To je predstavljalo dobru priliku za zamjenu starih istrošenih 3,000 V konzola s novim 25,000 V jednofaznim konzolama i odgovarajućim priborom. Stara je kontaktna mreža bila samo polukompenzirana, a nova je potpuno kompenzirana. Izmjena kontaktne mreže vršila se od 3. ožujka do 19. svibnja 2000. Treba naglasiti da je sav zamjenski materijal proizveden u Hrvatskoj. Jedno je eksperimentalno zatezno polje zamijenjeno ranije, između stanice Moravice i Brod Moravice. Trenutačno je cijela dionica Moravice — Rijeka pod istosmjernim napajanjem od 3,000 V dok se potpuno ne dovrši izmjena kontaktne mreže. Rezultat izgleda vrlo neobično: jednofazne konzole nose dvostruki kontaktni vod za 3,000 V istosmjerne struje, budući da ta voltaža zahtijeva veći presjek vodiča.