Белешки за електрификација на транспортот во Град Скопје – еднонасочен и/или наизменичен шински систем | Кирил Минанов

Шински електрифициран систем

Доставува електрична енергија во електрични локомотиви и гарнитури со цел електричните возови да функционираат без да имаат примарен двигател, како на пример дизел генератор или батериски систем. Постојат неколку типови електрифицирани системи коишто се користат денес во светот.

Одлики на електрифициран транспорт

Главна одлика на електрифицираниот транспорт е поволниот однос на моќ/тежина, споредено со системите во коишто влеча при тракција овозможуваат дизел или парни локомотиви. Струјата дава побрзо забрзување и поснажен тракцијски напор на угорнини. Кај локомотивите коишто се опремени со регенеративни кочници, спуштањето од угорнина не бара значајна употреба на воздушно кочнење, затоа што тракцијските мотори коишто работат во режим на генератор при спуштање на шинско електровлечно возило „праќаат“ струја назад во системот или користат реостатско кочење со којашто се конвертира вишокот енергија во топлина.

Други предности

Нема оџак, има намалена бучава, има ниски трошоци за одржување. Во земји каде што електричната енергија доаѓа примарно од нефосилни извори, електричниот транспорт произведува помалку јаглеродни емисии од дизел возовите.

Наизменични системи на различни напони и фреквенции
Еднонасочни системи на различни напони

Комплетно електрифицирана железница со еден систем, нема потреба од преобразување помеѓу различни тракцијски системи од наизменични системи на различни напони и фреквенции до еднонасочни системи на различни напони, со што оперативно се овозможува висока ефикасност. Во земји каде што постојат повеќе тракцијски системи на различни напони и фреквенции, кај делниците на спојување меѓу два системи се потребни преобразувачки методи и системи. Некаде, таквите системи се наоѓаат во локомотивите со што се овозможува полесно „пребродување“ на спојничката делница.

Цена

Цената е битен фактор за инсталација на инфраструктура, иако можеме да го третираме шинското електрифицирано развојно решение како иновација којашто ја поврзува земјата брзо и ефикасно, долгорочно и трајно. Шинската електрификација има бројни предности и иако бара значителни почетни капитални инвестиции за инсталација, железничката инфраструктура се гради еднаш во педесет години, со што и „исплатливоста“ се проектира на голем распон и размер.

Социјалистичка РМ 
Капиталистичка РМ

Во бившата држава, железничкиот транспорт користеше околу 50 проценти од капацитетот на железницата, а денес, тој процент е паднат под 10 посто. Електрифициран шински транспорт во принцип се гради за масивен транспорт, затоа што патничкиот транспорт не може да ја исплати инвестицијата, според тоа долгите линии коишто немаат голема размена на товари се генерално неисплатливи, за разлика од урбаните и субурбаните чворови коишто имаат густ сообраќај и размена на луѓе и добра и поради тоа во принцип полесно се електрифицираат. Но, доколку линиите коишто се долги, а се главни артерии до одредени региони се од стратешка важност за поврзување помеѓу центарот и периферијата, со тоа и инвестирањето има смисла затоа што вградува во себе подалекусежна визија за развојни компоненти.

Класификација на системи во Европа 

Електрифицираните системи се класифицираат според три главни параметри:

• Напон
• Струја
  • Еднонасочна струја,
  • Наизменична струја,
    • Фреквенција
      • 50 [Hz] или
      • 60 [Hz]
• Контактен систем
  • трета или четврта шина
  • надземна линија

Брзите линии во Франција, Шпанија, Италија, Обединетото Кралство, Холандија, Белгија, Турција, функционираат под 25 [kV].

Стандардизирани напони

За стандардизација во европска и интернационална рамка се третираат најчесто користените напони, имено, шест (6) величини на напони. Напоните се независни од изборот на контактниот систем, при што трамвајските системи најчесто користат еднофазна надземна напонска мрежа.

Системите на еднонасочен напон од 750 [VDC] од друга страна, користат трета шина за напојување.

Постојат многу други напонски системи коишто се користат во светот, а струјните нивоа се покриени и од стандардните, но и од нестандардните напонски нивоа.

Шински апликации и напојување со напони за тракцијски системи

Дозволен опсег на напони коишто се употребуваат за стандардизација се дефинирани во документите за шински апликации:

• BS EN 50163
• IEC 60850

Овие стандарди го третираат прашањето на бројот на локомотиви коишто влечат струја во однос на далечината на подстаниците.

Стандардена фреквенција на монофазен наизменичен напон – историја на 16 [kV] на 50 [Hz]

Првите обиди за употреба на монофазна наизменична струја биле успешно направени во Унгарија во 1923 година, на линијата Будимпешта-Њигати и Алаг од Унгарецот Калман Кандо, со употреба на 16 [kV] на 50 [Hz]. Од 1932 до 1960, возовите на линијата од Будимпешта до Хегиешалом кон Виена, регуларно го користеле истиот систем.

И денес, во одредени земји се користи истиот систем, види слика.

Системот на 25 [kV] на 50 [Hz]
Наизменичен систем

По развојот на 20 [kV] и 25 [kV] системи во Франција во 1950, како и на 25 [kV] во бившите Советски земји, системот на 25 [kV] на 50 [Hz], стана широко распространет стандард.

Наизменичните системи на 25 [kV] на 50 [Hz] или 60 [Hz] се проширени во многу земји, големи делови на Европа, САД, Британија, Азија, Африка и Латинска Америка. Дополнително системите на 15 [kV] на 16 2/3 [Hz] се користат се* уште во Европа, а во САД се користат и неколку системи на 12 [kV] на 25 [Hz]. Во САД, Јужна Африка и Канада исто така постојат и системи на 50 [kV] коишто се користат во рудници. 

Систем за електрификација на транспортот „над глава“

Наизменичната струја може да се трансформира во пониски напони во внатрешноста на локомотивата. Ова овозможува многу поголеми напони, а со тоа и помали струи по должината на линијата, што значи помали енергетски загуби долж, долгите железници.

Системите на наизменична струја, без исклучок се снабдуваат од надземнa жица. Скоро сите имплементации се монофазни, поради проблемите со „пакирањето“ на трите фази од мрежата во системот.  

Тиристоризација, IGBT, VFD

Денес, некои локомотиви во системот на 16 [kV] на 50 [Hz] користат трансформатор и исправувачи за да обезбедат нисконапонска пулсирачка струја до моторите. Брзината се контролира со префрлување на намотки на трансформаторот.

Пософистицирани локомотиви работат со тиристоризација на системот или со IGBT модули коишто генерираат сецкан или варијабилен-фреквентен наизменичен напон којшто потоа, снабдува соодветна струја за наизменичен индукцијски тракцијски мотори.

Недостатоци на монофазен наизменичен напон

Системот е економичен, но има и недостатоци, имено, се користи само една фаза за напојување, со што останатите фази од системот се нееднакво оптоварени со што се создава електромагнетна интерференција, виши хармоници и акустични удари.

Еднонасочна струја

Раните системи користеа еднонасочна струја на низок напон. Електричните мотори беа контролирани со комбинација на отпорници и релеи коишто ги врзуваат моторите во паралелни или сериски врски.

Најчесто користени еднонасочни напони за трамвај и метро се 600 [V] и 750 [V]

За користење на ниските напони се употребува трета или четврта шина, а напоните над 1 [kV] се лимитирани на надземна мрежа поради безбедност.

Примери
S-Bahn, SNCF, London metro

Субурбаните линии во Хамбург, Германија (S-Bahn), оперираат со помош на трета шина со напон од 1200 [V]. Францускиот SNCF Кулон-Моден во Алпите користи 1500 [V] и трета шина, до 1976, кога била инсталирана надземна мрежа, а третата шина била отстранета. Во Обединетото Кралство, јужно од Лондон, се користи трета шина со напон од 750 [V], а за централен Лондон се користи напон од 650 [V], поради интер-операбилност и крос-секции со Лондонското метро, коешто користи напон од 650 [V], но со четврта шина којшто е инсталирана по средина, меѓу шините каде што постојат секции помеѓу двата системи.

Дополнителни шини

Трета шина, вообичаено е инсталирана надвор од шините и на одредена височина по којашто се движи „папуча“ со којашто се влече напон од мрежата, а четвра шина се инсталира во средина помеѓу двете шини подложни на адхезија.

Во средината на дваесетиот век, биле користени ротирачки конвертори или исправувачи базирани на жива, коишто конвертирале наизменичен напон во соодветниот еднонасочен напон.

Денес, тоа се прави со полупроводнички исправувачки елементи по „спуштањето“ на напонот од електроенергетската мрежа во трансформаторските подстаници.

Еднонасочен систем и „фидер“ станици

Еднонасочниот систем е едноставен систем, но мора да се користат дебели кабли на кратки растојанија помеѓу подстаниците поради потребата од големи струи коишто се користат во локомотивите. Постојат и значителни губитоци поради отпор, топлински загуби и тн.

Најчесто се користaт 600 [V], 650 [V] и 750 [V]. Се користат за комутација, масовен транзит и трамвајски линии. Напон се добива од трета шина или надземна жица.

1.5 [kV] во принцип влече напон од надземна жица и се користи во Европа, САД, Кина, Австралија и други. Поретки се од системите на 3 [kV], но се* уште ги има во неколку земји. 

Максимални струи кај DC систем

Во Обединетото Кралство, максималната струја којашто може да се влече во електрична влеча е 6800 [A] при 750 [V]. Фидер станиците бараат константен мониторинг и во многу системи е дозволена само една локомотива или гарнитура.

Растојанието помеѓу две еднонасочни подстаници

За „фидер“ станици од 750 [V] со трета шина, растојанието меѓу станиците е околу 2,5 километри, а растојанието помеѓу две подстаници на 3 [kV] е околу 25 километри.

Дополнителна опрема

Компресори, вентилатори, системи светилка-сијлица, добиваат напон од моторите, коишто се напојуваат директно од тракцијскиот систем, а во таков случај со еднонасочен систем, тие по природа стануваат погабаритни, поради дополнително потребната изолација за релативно висок оперативен напон. Алтернатива, таквите елементи можат да бидат напојувани од дизел мотор-генератор.

Трета шина

Страничната и подната шина лесно можат да имаат сигурносни штитови коишто се интегрирани во самата железничка пруга.

Од друга страна, откриената трета шина со надземен контакт е подложна на нарушувања предизвикани од мраз, снег и паднати лисја.

Еднонасочните системи кај железнички систем со три шини се ограничени на релативно ниски напони и тоа може да ја ограничи големината и брзината на возовите а тоа исто така ја ограничува климатизација што гарнитурите можат да ја обезбедат.

Ова може да биде фактор што придонесува да се користат надземени жици и висок наизменичен напон, дури и за урбана употреба.

Во пракса, максималната брзина на гарнитури со трета шина се ограничени на 160 километри на час, бидејќи над таа брзина, сигурен контакт помеѓу „чевелот“ и шината не може да се одржува.

Четврта шина

Тежок железнички чевел се лизга по трета или четврта шина прицврстен на телото на локомотивата и со лизгање влече напон од горната површина. Лондонското метро во Англија има една од ретките мрежи што користи четири железнички пруги, односно, систем со четири шини. Дополнителната шина носи електричнa „повратна“ врска, којашто со системите исклучиво со трета шина и со надземна жица се обезбедува од страна на двете носечки шини, над кои се вози локомотивата и гарнитурите; повратна враќа преку носечките шини.

Во Лондонското метро, третата пруга (шина) е покрај патеката, напојувана на +420 [VDC], а четврта шина се наоѓа помеѓу двете носечки шини и е под напон од -210 [VDC], со што потенцијалната разлика се комбинира за да се обезбеди влечен напон од 630 [VDC].

Истиот систем бил користен во Милано за метро линијата број 1, чиишто понови линии користат надземни жици. Оваа тополгија беше воведена поради проблемите со повратните струи наменети да бидат „носени“ од заземјените (заземјувани) шини, коишто течеа низ облогите на арматурата на железните тунели.

Ова може да предизвика електролитски оштетувања, ако тунелираните сегменти, подземните сегменти во тунели не се електрично поврзани заедно, затоа што се јавуваат проблеми со враќањето на струјата којашто појавува тенденција „да тече“ низ соседните железни цевки, кои се дел од водоводот и гасоводните мрежи. Некои од овие системи коишто се авангарда пред да се проектира и инсталира Лондонското метро, популарно, Лондон андерграунд, никогаш не биле конструирани да носат струи и немале соодветно галванско раздвојување или соодветно заземување со други сегменти во подземјето, цевки и тн.

Системот со четири-железници, со четврта шина го решава проблемот. Иако електроенергетскиот систем има заземјување, четвртата шина е изведена со користење на отпорници кои обезбедуваат дека струењата на „скитачките“ струи во земјата можат да се одржуват на ниво на управување. Лондонските земно-подземни железници исто така работат со четврта железничка пруги, пруга/шина, бидејќи, голем број области (на пример, кај Пикадили, Митрополитен линијата до Уксбриџ), под-површината на земјата и подлабоко работат на истите траки.

Кај линиите коишто се споделуваат со Националната железничка пруга, „негативната“ шина е поврзана со повратната шина, со што им е овозможено и на двата вида на возови да комутираат. Во 1920 за Југоисточната железница бил предложен системот на еднонасочен напон на 1500 [V] со четири железнички пруги. Тоа бил систем со заземјување во средината меѓу шините (4 шина), каде што една шина би била на +750 [VDC], а другата на -750 [VDC]. Ова би го олеснило претворањето на системот на денешни 750 [VDC] со три железнички шини.

Неколку линии во Париското Метро во Франција, работат на систем на моќ со четири железнички шини, но од поинакви причини. Тоа не е класичен систем со четири железнички пруги, затоа што тркалата не се од челик, туку од гума, а гумените тркала се движат низ тесен пат направен од челични пруги, а на доста места и од бетон. Гумите не ја спроведуваат „повратната“, туку обезбедуваат две дополнителни шини како проводници, па електрично, тоа се вклопува како четирижелезничка шема.

Возовите се дизајнирани да работат на билокој поларитет којшто се влече од мрежа, бидејќи некои линии користат реверзибилна „јамка“ на еден од краевите, со што возот може да се промени на крајот на целосното патување и со обратен нос да се движи назад. Тоа спасува „ревертирање” на целата гарнитура, со тоа што нема потреба да се оди до другиот крај на возот за да се заврти возилото во новата насока.

Надземни системи/мрежи
Надземна линија или надземна жица

Единствениот систем во Обединетото Кралство којшто користи 1.500 [VDC] е метрото Веар и Тјун.

1.500 [VDC] еднонасочен систем се користи во Холандија, Јапонија, Хонг Конг (во делови), Ирска, Австралија (во делови), Индија (само околу областа Мумбаи, со идеја да се конвертира во 25 [kV] наизменичен систем како и останатите делови од земјата), Франција, Нов Зеланд (Велингтон) и САД (Чикаго во округот Метра Електрик и меѓуградската линија на Јужната крајбрежна линија).

Во Словачка се користат две теснолинејќи во планините Високи Татри (една железна пруга).

Во Португалија се користи надземен систем по линијата Каскаи, а во Данска во приградскиот систем ,,S-train”.

Нотингем Експрес Транзит во Обединетото Кралство користи еднонасочен систем на 750 [VDC] во комонс-заедно споделено со најмодерни трамвајски системи. Во Обединетото Кралство, еднонасочната мрежа на 1.500 [VDC] беше користена до 1954 година во Вудхед транс-Пенин роуд; системот користи регенеративно сопирање, овозможувајќи пренос на енергија помеѓу качување и спуштање на возови со стрмен пристап кон тунел.

Системот на еднонасочен 1500 [VDC] исто така се користел за електрификација на околината во Источен Лондон и Манчестер којшто денес е конвертиран во 25 [kV] наизменичен.

3 [kV] еднонасочен напон се користи во Белгија, Италија, Шпанија, Полска, северна Чешка, Словачка, Словенија, западна Хрватска, Јужна Африка и земјите од поранешниот Советски Сојуз (коишто исто така користат наизменичен систен на 25 [kV] и 50 [Hz]).

600 [VDC] се користи од мрежата на трамваи и тролејбуси во Миланo.

Избегнување на надземна жица
Системот APS во Бордо, Франција

Во Бордо се користи нов пристап за избегнување на надземни жици, којшто почна да се употребува во декември 2003 година со системот APS (aliemеntation par sol – влечење на струја од земја).

Ова вклучува трета шина којашто е израмента со површината со другите две шини. Колото е поделено на сегменти. Секој сегмент е споен со сензори, при што системот APS се активира како што поминуваат гарнитурите над наго, а остатокот од третата железничка шина којашто е пред и зад гарнитурите е „мртва”. Со ова се овозможува пешаците пред и зад трамвајот да бидат безбедни.

Системот се користи во строгиот центар на градот и не е толку ефикасен како надземните линии. На страна естетските ефекти, тешко дека системот може да ги змени надземните линии поради севкупната ефикасност на системот.

Light Tram System или Light Rail Tram
Билбао, Шпанија

Во буквален превод, Лесен Трамвајски Систем, или пак, лесен шински транзит (LRT) или пак, брз трамвај како урбан железнички транзит со помош на возен парк којшто е сличен, но редуциран од трамвај, но работи со поголем капацитет, а често има и таканаречено „ексклузивно право на поминување“.

Билбао е можеби блиску до идеалното решение за трамвајско решение за Скопје.

Безконтактна мрежа – индуктивно полнење
Ница, Франција

Трамвај, кој работи без контактна мрежа и добива енергија за време на запирањата, беше лансиран лани во Ница, Франција. Според информациите, традиционалното снабдување со електрична енергија преку мрежа е заменето со систем за полнење кој му овозможува на трамвајот да ја чува енергија и да го изврши полнењето за време на запирањата.

„Целиот процес трае помалку од 20 секунди“, велат од Француската компанија Алстом. Иновативниот систем првпат беше воведен во урбаната транспортна мрежа и наскоро се очекуваат првите анализи на неговата работа.

кон зеро – историја на макжелезници