Кіріспе
Орталық Еуропаның көптеген елдердегі теміржол көлігі үшін стандартты ток және кернеу шамалары. Германия, Австрия, Швейцария, Швеция және Норвегиядағы көліктік теміржолдарда 15 киловольт (кВ) және 16,7 Герц жиілігіндегі айнымалы ток (АЖ) пайдаланылады. Жоғары кернеу қуатты жоғары деңгейде беруге мүмкіндік береді, ал төмен жиілік 20-ғасырдың басында қолданылған жетек моторларындағы шығындарды азайтады. 20-ғасырдың соңындағы теміржол электрлендіруі көбінесе 25 кВ, 50 Гц АЖ жүйелерін пайдаланды, бұл жаңа теміржол электрлендіруі үшін басым стандартқа айналды, бірақ қолданыстағы 15 кВ желілерін кеңейту де толығымен мүмкін емес емес. Атап айтқанда, Готтард негізгі туннелі (2016 жылдың 1 маусымында ашылды) әлі де 15 кВ, 16,7 Гц электрлендіруін пайдаланады. Қайта жарақтандырудың жоғары құнына байланысты, ескі 15 кВ, 16,7 Гц жүйелерін 25 кВ, 50 Гц жүйелеріне ауыстыруға ықтимал емес, дегенмен бұл бортодағы понижататын трансформаторлардың салмағын қазіргі құрылғылардың үштен бір бөлігіне дейін азайтуға мүмкіндік берер еді.
Railway electrification using alternating current (AC) at 15 kilovolts (kV) and 16.7 [[Hertz#Electricity are used on transport railways in Germany, Austria, Switzerland, Sweden, and Norway. The high voltage enables high power transmission with the lower frequency reducing the losses of the traction motors that were available at the beginning of the 20th century. Railway electrification in late 20th century tends to use 25 kV, 50 Hz AC systems which has become the preferred standard for new railway electrifications but extensions of the existing 15 kV networks are not completely unlikely. In particular, the Gotthard Base Tunnel (opened on 1 June 2016) still uses 15 kV, 16.7 Hz electrification. Due to high conversion costs, it is unlikely that existing 15 kV, 16.7 Hz systems will be converted to 25 kV, 50 Hz despite the fact that this would reduce the weight of the on board step down transformers to one third that of the present devices.
Тарих
Алғашқы электрлендірілген темір жолдар сериялық 600 В, содан кейін 1500 В-тағы тізбекті тұрақты ток моторларын қолданды. 3 кВ тұрақты ток желілері бар аймақтарда (негізінен Шығыс Еуропада) сериялы екі 1500 В тұрақты ток моторлары пайдаланылды. Алайда тіпті 3 кВ-та ауыр пойызды (әсіресе ауылдық және таулы жерлерде) қоректендіру үшін қажетті ток шамадан тыс болуы мүмкін. Ағыту кернеуінің артуы берілген қуат үшін ток пен байланысты кедергілі шығындарды азайтады, бірақ оқшаулау шектері жоғары кернеулі тракциялық қозғалтқыштарды практикалық емес етеді. Осылайша, әр локомотивтегі трансформаторлар жоғары беріліс кернеулерін практикалық қозғалтқыш жұмыс кернеулеріне дейін төмендетуі керек. Қуат электроникасы арқылы тұрақты токтарды тиімді түрлендірудің қолайлы тәсілдерін әзірлеуге дейін тиімді трансформаторлар айнымалы токты (АҚ) қатаң талап етті; сондықтан жоғары кернеулі электрлендірілген темір жолдар электр қуатын тарату жүйесімен бірге АҚ-ты қабылдады (Ақ ток соғысын қараңыз). 50 Гц (60 Гц Солтүстік Америкада) АЖ желісі 20-ғасырдың басында құрылған. Сериялы ораулы қозғалтқыштар қағидаты бойынша AC және DC бойынша жұмыс істей алады (олар әмбебап қозғалтқыштар деп аталатын себеп), үлкен сериялы ораулы тягалық қозғалтқыштарда осындай жоғары жиіліктерде проблемалар болды. Мотор орауларының жоғары индукциялық реакциясы коммутатордың жарық беру проблемаларын тудырды және бастапқыда DC үшін жасалған ламинатталмаған магниттік полюс бөлшектері шамадан тыс айналымдық ток шығынын көрсетті. Ауыспалы ток жиілігін қолдану екі проблеманы да жеңілдетті. Неміс тілді елдерде жоғары кернеуді электрлендіру 50 Гц жиілігінің үштен бірінде басталды, яғни 16⅔ Гц. Бұл желідегі жиілікпен ротациялық конвертерлердің жұмысын жеңілдетті және арнаулы теміржол электр генераторларына полюс жұптарының санын үш есе азайту арқылы стандартты 50 Гц генератормен бірдей вал жылдамдығында жұмыс істеуге мүмкіндік берді. Мысалы, минутына 1000 айналыммен айналатын генератор алты емес, екі полюс жұппен оралады. Австрия, Швейцария және Германияда темір жол электр қуатын жеке қондырғылар қамтамасыз етеді, Мекленбург, Батыс Померания және Саксония-Анхальттан басқа; осы екі Германия штатында, сондай-ақ Швеция мен Норвегияда желіден электр қуатын беретін конвертерлер қолданылады. Норвегияда темір жол электр қуатын өндіруге арналған екі гидроэлектр станциясы бар. Алғашқы генераторлар синхронды АЖ генераторлары немесе синхронды трансформаторлар болды; алайда, заманауи қос қоректендірілген индукциялық генераторларды енгізумен басқару тогы қажетсіз DC компонентін пайда етті, бұл полюстің қызуынан өту проблемаларына әкелді. Бұл мәселе тоқтамды желілік жиіліктің дәл үштен бірінен сәл алыстату арқылы шешілді; 16,7 герц қолданыстағы тарту моторларының толеранттылығында қалу үшін кездейсоқ таңдалды. Австрия, Швейцария және Оңтүстік Германия өздерінің электр станцияларын 1995 жылы 16 қазанда сағат 12:00-де 16,7 Гц-қа ауыстырды. Айта кетейік, синхронды генераторлармен жұмыс істейтін аймақтық электрлендірілген учаскелер жиілігін сақтайды, Швеция мен Норвегия темір жол желілерін әлі күнге дейін бүкіл уақытта 50 Гц жиілігімен жұмыс істейді. 50 Гц немесе 60 Гц локомотивтерге қарағанда 16,7 Гц локомотивтердің кемшіліктерінің бірі - бұл жоғары желі кернеуін моторлар мен олардың жылдамдықты басқару құрылғыларына жұмсалатын кернеуді төмендету үшін қажетті ауыр трансформатор. Төмен жиіліктегі трансформаторлардың ауыр магниттік өзектері мен үлкен орамдары болуы керек, олар қуатты бірдей деңгейге айналдырады. (Төңдеушілердің конструкциясына жиіліктің әсерін қараңыз.) Ауыр трансформаторлар жиілігі жоғары трансформаторларға қарағанда жоғары осьтік жүктемелерге әкеледі. Теориялық тұрғыдан алғанда, бұл жолдың тозуына әкеледі және жолды жиі күтіп-ұстау қажеттілігін арттырады, ал тәжірибеде электрлік локомотивтер төмен жылдамдықтарда сүйреу күшін сақтау үшін тым жеңіл болмауы керек. Чехия темір жолдары төменгі жиіліктегі трансформаторлардың қуаттылығын азайту мәселесіне тап болды, олар 25 кВ АЖ, 50 Гц локомотивтерін (340 сериясы) 15 кВ АЖ, 16,7 Гц желілерінде жұмыс істеу үшін қайта жарақтап алғанда. Бастапқыда 50 Гц үшін жасалған бірдей трансформаторлық өзектерді төменгі жиілікте қолданғандықтан, трансформаторлардың қуаттылығы олардың бастапқы қуаттылығының үштен біріне дейін төмендетілді, соның салдарынан қол жетімді сүйреу күші де сол деңгейде азайды (шамамен 1000 кВт-қа дейін). Бұл кемшіліктер, сондай-ақ жеке электрмен жабдықтау инфрақұрылымының қажеттілігі және заманауи моторлар мен басқару құрылғыларымен ешқандай техникалық артықшылықтардың болмауы 16⅔ Гц және 16,7 Гц қолданысын бастапқы бес елмен шектеді. Көптеген басқа елдер өздерінің темір жолдарын 50/60 Гц пайдалы жиілігінде электрлендірді. Дания, тек 15 кВ аймақтарымен шектесетініне қарамастан, осы және басқа себептерге байланысты өзінің негізгі темір жол желілерін 25 кВ 50 Гц электрлендіруге шешім қабылдады. 1,5 немесе 3 кВ тұрақты ток желілерінде жоғары жылдамдықты жолаушылар тасымалдауын ұйымдастыру техникалық жағынан өте қиын және тиімді болмағандықтан, жаңа Еуропалық электрлендіру, әсіресе Шығыс Еуропада, көбінесе 50 Гц жиілігінде 25 кВ АЖ құрайды. Бұл кернеуге/жиілікке көшу үшін жоғары кернеулі оқшаулаулар және желілер мен көпірлер және басқа да құрылыстар арасындағы үлкен аралықтар қажет. Бұл қазір жаңа жоғары кернеулі желілер үшін, сондай-ақ ескі орналымдарды жаңғырту үшін стандарт болып табылады. Еуропалық бірігудің қарапайымдылығы, Еуропа бойынша кернеудің/жиіліктің үйлесімділігі әрқашан тиімді болмайды, өйткені мемлекеттер аралық тарту шектеулі, басқа салалардағы ұлттық стандарттармен шектеледі. Локомотивті екі немесе одан көп кіріс кернеулеріне арналған трансформатормен жабдықтау, басқа елдердегі темір жол желісіне қол жеткізу үшін келуге рұқсат беру процедурасынан өтуге және бірнеше пойызды қорғау жүйелерін орнатуға қарағанда арзан. Алайда, кейбір жаңа жоғары жылдамдықтық желілер көрші елдерге 25 кВ құрылысына ие болуы жоспарланған (мысалы, Австрияда Шығыс Еуропаға). Жаңа локомотивтер әрқашан DC қоса алғанда, кіріс жиіліктерінің кең ауқымымен жұмыс істей алатын асинхронды мотор басқару жүйелерімен жабдықталған, бірақ Siemens Smartron сияқты төмен бағалы модельдерді ұсыну үшін қосымша пантографтар мен сымдар әрдайым орнатылмайды. Сонымен қатар, Bombardier Talent 2 сериясы сияқты жаңа аймақтық жолаушылар пойыздары қосымша электрлендіру жүйелері үшін сертификатталмаған. Deutsche Bahn пойыз операторы стандартты электр локомотивтерінің ескі модельдерін қолданбайды, бірақ көптеген шағын жеке темір жол компаниялары оларды қолданады, олардың кейбіреулері қазірдің өзінде 60 жылға жуық. Бұл ескі модельдер қолдан алынса да, біріктіру оңайырақ болмайды. Сонымен қатар, Deutsche Bahn көбінесе жүк локомотивтері мен жоғары жылдамдықты жолаушылар пойыздары сияқты бірнеше электрлендіру жүйелерін қолдай алатын құрама вагондарды тапсырыс береді, өйткені олар Еуропа бойынша жұмыс істейді.
Тарату желілері
Германияда (Мекленбург-Батыс Померания және Саксония-Анхальттан басқа), Австрия мен Швейцарияда теміржол қуаты үшін 16,7 Гц жиілікті жеке бір фазалы электр тарату желісі бар; Германия мен Австрияда кернеу 110 кВ, ал Швейцарияда 132 кВ құрайды. Бұл жүйе орталықтандырылған теміржолмен энергиямен жабдықтау деп аталады. Жеке бір фазалы электр тарату желісі үш фазалы тарату желісіне қосылған 25 кВ 50 Гц жүйесімен салыстырғанда, тежеу кезінде энергияны қайтаруды едәуір жеңілдетеді. Швецияда, Норвегияда, Мекленбургте, Батыс Померанияда және Саксония-Анхальтта қуат тікелей үш фазалы желіден (50 Гц жиілікті 110 кВ) алынып, төмен жиілікті бір фазалы желіге түрлендіріліп, контактілік желіге беріледі. Бұл жүйе орталықтандырылмаған (яғни, жергілікті) теміржолмен энергиямен жабдықтау деп аталады.
Өнімді өндіру және қайта өңдеу
Орталықтандырылған жүйеге электр қуатын 16,7 Гц жиілігінде 110 кВ (немесе Швейцария жүйесінде 132 кВ) айнымалы ток өндіретін арнайы электр станцияларымен, сондай-ақ ұлттық электр желісінен (мысалы, 110 кВ, 50 Гц) айнымалы токты 16,7 Гц жиілігінде 55 ± 55 кВ (немесе 66 ± 66 кВ) айнымалы токқа түрлендіретін ротациялық немесе айнымалы токтан айнымалы токқа (АЖ/АЖ) түрлендіргіштермен қамтамасыз етіледі. 0 В нүктесі индуктивтілік арқылы жерге қосылады, осылайша бір фазалы айнымалы ток желісінің әрбір өткізгішінде жер потенциалына қатысты 55 кВ (немесе 66 кВ) кернеу болады. Бұл бөлінген фазалы электр қуат жүйелеріне ұқсас және желілік берілістің теңгерімді болуын қамтамасыз етеді. Жерге қосу үшін қолданылатын индуктивтілік желіде ақаулар туған кезде жер тогын шектеуге арналған. Трансформаторлық қосалқы станцияларында кернеу 110 кВ (немесе 132 кВ) айнымалы токтан 15 кВ айнымалы токқа дейін төмендетіліп, энергия ауа желісіне жіберіледі.
Асинхронды конвертерлер
16,7 Гц жиілігі негізінен үш фазалы асинхронды қозғалтқыш және бір фазалы синхронды генератордан тұратын айналмалы машинаның бөліктерінде синхронизмнің пайда болуын болдырмау қажеттілігіне байланысты. Бір фазалы жүйеде синхронизм (техникалық ерекшеліктерге сәйкес) белгілі бір жиілікте пайда болатындықтан, орталық жүйенің жиілігі 16,7 Гц-ке белгіленді. 110 кВ, 16,7 Гц қуатты қамтамасыз ететін электр станциялары осы нақты бір фазалы айнымалы ток өндіруге арналған немесе осы мақсат үшін арнайы генераторлары бар, мысалы, Некарвестхайм атом электр станциясы немесе Вальчензее су электр станциясы.
Синхронды конвертерлер
Орталықтандырылмаған жүйеге қуат тікелей ұлттық электр желісінен алынып, синхронды конвертерлер немесе статикалық конвертерлер арқылы тікелей 15 кВ-қа түрлендіріледі. Екі жүйеге де қосымша трансформаторлар қажет. Конвертерлер үш фазалы синхронды мотор мен бір фазалы синхронды генератордан тұрады. Германияның солтүстік-шығысындағы орталықтандырылмаған жүйе 1980-ші жылдары Deutsche Reichsbahn тарапынан құрылған, себебі бұл аймақтарда орталықтандырылған жүйе болмаған.
Германия, Австрия және Швейцариядағы 15 кВ АЖ темір жолдарын электрлендіруге арналған қондырғылар
Германия, Австрия және Швейцария орталықтандырылған электр энергиясын өндіру және орталық және жергілікті түрлендіргіш станциялары бар ең ірі, өзара байланысқан 15 кВ айныма тоқ жүйесін пайдаланады. Дегенмен, балама электрлендіру жүйелері бар аймақтар да бар. Мысалы, Рюбеланд темір жолы Германиядағы ең үлкен 25 кВ айныма тоқ желісі болып табылады.
Норвегия
Норвегиядағы барлық электрленген теміржолдар 15 кВ 16 2/3 Гц айнымалы ток (Thamshavnbanen мұражай теміржолы 6,6 кВ 25 Гц айнымалы токпен жұмыс істейтінінен басқа) пайдаланады. Осло метрополитені мен трамвайлары 750 В тұрақты токпен жұмыс істейді.
Швеция
Швецияда электрленген темір жолдардың көп бөлігі 15 кВ 16 2/3 Гц айнымалы тоқпен жұмыс істейді. Ерекшеліктері: Saltsjöbanan және Roslagsbanan (1,5 кВ тұрақты ток), Стокгольм метрополитені (650 В және 750 В тұрақты ток) және трамвай желілері (750 В тұрақты ток). Швеция мен Данияны байланыстыратын Оресунд көпірі 25 кВ кернеумен электрлендірілген, бұл Дания стандарты болып табылады; бөлініс көпірге жақын швед жағында орналасқан. Осы нүктеден тек екі жүйелі пойыз (немесе дизельді пойыздар; сирек) өте алады.