Zbigniew Szafrański: Stały czy przemienny?

Trochę historii

Eksploatowany do dziś system prądu stałego 3 kV został wybrany dla PKP niedługo po odzyskaniu przez Polskę niepodległości. Szczególne zasługi położył w tym zakresie prof. Roman Podoski. System 3 kV był wtedy technicznie najnowocześniejszy i zapewniający największą efektywność elektryfikacji kolei. Nie wymagał budowy przez kolej własnych elektrowni, jak w systemie o obniżonej częstotliwości 15 kV 16 2/3 Hz (przetworników elektronicznych wtedy nie było), natomiast sprawność przesyłu energii w układzie rozdzielczym i sieci trakcyjnej była wyższa niż przy napięciu 1,5 kV, jakie zastosowano wtedy na głównych liniach kolei francuskich.

System prądu przemiennego 25 kV o częstotliwości przemysłowej 50 Hz został zastosowany około dwóch dekad później. Technicznie oba systemy: 3 kV DC i 25 kV AC były wtedy bardzo podobne. Ciąg przepływu energii trakcyjnej był następujący: linia zasilająca AC – transformator obniżający – prostownik – regulator napięcia – silniki trakcyjne prądu stałego (nawet w systemie AC stosowano silniki szeregowe prądu stałego, ponieważ ich charakterystyki trakcyjne najbardziej odpowiadają wymaganym warunkom pracy na lokomotywie). Różnica polega na innym umieszczeniu w tym ciągu punktu styku sieć trakcyjna–pantograf.

W systemie DC transformator obniżający i prostownik znajdują się w budynku podstacji trakcyjnej. Do prostowania prądu wykorzystywano wtedy prostowniki rtęciowe, które nie nadawały się do umieszczenia w lokomotywie. W efekcie energię elektryczną dosyłano do elektrowozu przewodami sieci trakcyjnej po stosunkowo niskim napięciu, co wymagało większych przekrojów przewodów. Prostsza natomiast była budowa samej lokomotywy, a zatem niższy koszt zakupu taboru do obsługi konkretnych relacji.

Rozwinięcie technologii półprzewodnikowej umożliwiło wyprodukowanie prostowników krzemowych. Prostota i trwałość ich budowy umożliwiła umieszczenie w pudle elektrowozu. Energię dosyłano przewodami sieci trakcyjnej na wysokim napięciu, natomiast jego obniżanie i prostowanie odbywało się już w samej lokomotywie. Problemem był jednak transformator obniżający, którego gabaryty nie umożliwiały umieszczenia go pod pudłem pojazdu lub na jego dachu. Dlatego też na kolejach „przemiennoprądowych” nie rozwinęły się konstrukcje dobrze nam znanych elektrycznych zespołów trakcyjnych, ale składy lokomotywowe zmienno-kierunkowe, znane również dziś w Polsce jako „push-pull”.

Szybki rozwój elektryfikacji napięciem 25 kV sieci kolejowych innych krajów nie pozostał niezauważony w Polsce. Dyskusję na temat celowości wprowadzenia napięcia 25 kV na sieć kolejową Polski podjęto już w 1956 r. Ówczesne Biuro Projektów Elektryfikacji Kolei na zlecenie Ministerstwa Komunikacji wykonało kilka opracowań studialnych m. in. (cytaty pochodzą z książki Historia elektryki polskiej, Tom V – Trakcja elektryczna, WN-T, Warszawa 1971):

• "analiza możliwości i celowości zastosowania na PKP trakcji elektrycznej jednofazowym prądem zmiennym o częstotliwości przemysłowej 50 Hz – lipiec 1957 r.,
• wybór odcinka próbnego na PKP do elektryfikacji prądem zmiennym o częstotliwości 50 Hz – październik 1960 r.,
• porównanie kosztów elektryfikacji linii kolejowej Kraków – Przemyśl – Medyka prądem stałym 3 kV i prądem zmiennym 25 kV 50 Hz – marzec 1961 r.,
• studium porównawcze elektryfikacji linii Poznań – Szczecin prądem stałym 3 kV i prądem zmiennym 25 kV 50 Hz – maj 1961 r.”

Dyskusja na temat celowości podjęcia na PKP elektryfikacji prądem przemiennym trwała około ośmiu lat i została zakończona decyzją Ministerstwa Komunikacji o kontynuacji elektryfikacji prądem stałym 3 kV, podjętą w 1965 r. W konkluzji stwierdzono, że: „Wprowadzenie nowego systemu mogłoby poważnie zaciążyć na tempie elektryfikacji, wymagałoby wielu punktów styku o wymianie dużej liczby pociągów. Budowa stacji stycznych z indywidualnym przełączaniem systemu zasilania i zmianą lokomotyw każdego pociągu byłaby bardzo kosztowna, a ze względu na konieczność rozbudowy stacji – w niektórych warunkach niemożliwa. […] Przeprowadzone badania wykazały, że w tych warunkach, mimo pewnych oszczędności na urządzeniach zasilających, łączne nakłady na elektryfikację i roboty towarzyszące byłyby dla nowego systemu większe niż odpowiednie nakłady związane z elektryfikacją systemem prądu stałego.”

Cytuję tę argumentację tak obszernie, ponieważ straciła ona niewiele ze swojej aktualności. Istotną zmianą jest powszechne wdrożenie do produkcji pojazdów trakcyjnych technologii przekształtnikowej, dzięki czemu łatwiej jest obecnie zbudować pojazdy mogące pracować przy różnych napięciach w sieci trakcyjnej. W ofercie producentów są to często moduły, z których montowany jest obwód główny pojazdu, a koszt lokomotywy wielosystemowej nie jest tak drastycznie wyższy od pojazdu o jednym systemie zasilania, jak to było w ubiegłym wieku.

To z kolei umożliwia lokalizację punktu zmiany systemu zasilania trakcyjnego na szlaku, dzięki czemu unika się budowy stacji z mieszanym układem zasilania. W takich stacjach urządzenia sterowania ruchem kolejowym muszą być uzupełnione dodatkowo uzależnieniami z urządzeniami załączającymi napięcie w sieci, aby nie dopuścić do wjazdu pojazdu trakcyjnego pod sieć o niewłaściwym dla niego napięciu.

Dyskusję o wprowadzeniu napięcia 25 kV AC na sieć kolejową Polski próbowano jeszcze podejmować w latach 80. ubiegłego wieku, ale wtedy główne linie kolejowe były już zelektryfikowane prądem stałym, zatem argumenty przeciwne były jeszcze bardziej przekonujące.

Czy rzeczywiście system prądu przemiennego 25 kV wykazuje obecnie aż tak duże przewagi nad systemem 3 kV DC, że warto wracać do tematu?

AC lepszy niż DC?

Niewątpliwą zaletą systemu 25 kV jest przesyłanie energii elektrycznej do pantografu pojazdu na wysokim napięciu. Oznacza to przede wszystkim znacznie rzadziej rozmieszczone podstacje – co ok. 60 km, a zatem dla konkretnej linii kolejowej jest ich o wiele mniej niż przy zasilaniu prądem stałym. Przewody sieci trakcyjnej mają mniejsze przekroje łączne, przekrój przewodu jezdnego czy liny nośnej w systemie 25 kV wynika wyłącznie z przenoszonych naprężeń mechanicznych i jest znacznie większy niż niezbędny do przepływu prądu trakcyjnego. Mały prąd trakcyjny – kilkadziesiąt do stu kilkudziesięciu amperów – to niskie spadki napięcia wzdłuż sieci trakcyjnej, a zatem mniejsze straty przesyłu energii, jak też łatwy odbiór prądu w punkcie styku odbieraka z przewodem jezdnym.

Ale system 25 kV wykazuje też wady, bądź – inaczej – wysokie wymagania dla publicznej sieci zasilającej. Jako system jednofazowy obciąża tę sieć niesymetrycznie, powodując dystorsję napięć fazowych. Z tego powodu kolejowe podstacje trakcyjne powinny być przyłączane do linii najwyższych napięć: 400 kV lub przynajmniej 220 kV. Wykorzystanie napięcia 110 kV nie jest niemożliwe, ale wymaga zastosowania specjalnych rozwiązań kompensujących asymetrię napięć.

W warunkach polskich, mając w sieci trakcyjnej prąd stały, rozwinęliśmy na szeroką skalę urządzenia zabezpieczające ruch kolejowy pracujące na napięciu przemiennym 50 Hz. W takim przypadku zastosowanie napięcia trakcyjnego o takiej samej częstotliwości nie jest możliwe, bo prądy trakcyjne będą zakłócać pracę SRK. Na modernizowanych liniach kolejowych stosuje się już na ogół liczniki osi, niewrażliwe na trakcyjne prądy powrotne i błądzące, ale cały szereg czujników i sterowników – również dla odbiorników nietrakcyjnych – pracuje na częstotliwości przemysłowej 50 Hz.

Tych wad nie ma system 3 kV DC, choć i w tym przypadku składowe harmoniczne generowane przez prostowniki i przedostające się do prądu trakcyjnego w wielu przypadkach powodują problemy i wymagają stosowania specjalnych filtrów. Transformatory prostownikowe przyłączane są do wszystkich trzech faz napięcia zasilającego, nie wywołując asymetrii napięć.

Największym ograniczeniem tego systemu jest niskie napięcie przesyłu energii elektrycznej do pantografu, przez co moc pobierana przez lokomotywę wymaga prądu o dużej wartości – powyżej 2000 A, nawet do 4000 A. Skutkami tego są: duże spadki napięć wzdłuż sieci trakcyjnej, a przez to straty energii w przewodach, jak też konieczność gęstego rozmieszczenia podstacji trakcyjnych – co 20–25 km, a przy gęstym ruchu pociągów nawet co 15 km. Dążenie do ograniczenia spadków napięć jest powodem stosowania ciężkiej sieci trakcyjnej, o dużych przekrojach przewodów. W warunkach polskich standardem jest ostatnio 440 mm2 (na 1 mb takiej sieci potrzeba nieco ponad 4 kg miedzi!), a np. na włoskiej Direttissimie Rzym – Florencja nawet 620 mm2. Ciężka sieć trakcyjna wymaga mocniejszych podwieszeń i konstrukcji wsporczych, zatem jest niewątpliwie droższa od sieci prądu przemiennego.

Kluczową barierą dla systemu 3 kV jest jednak punkt styku odbieraka z siecią. Przepływ kiloamperów prądu przez niewielkie obszary na nakładkach pantografu (to dlatego stosuje się dwa przewody jezdne, aby zwiększyć łączną powierzchnię styku, a nie łączny przekrój sieci) silnie nagrzewa te miejsca i może być powodem wypalania nakładek i powierzchni przewodów. Ograniczenie poboru mocy tym spowodowane przekłada się na maksymalną prędkość, z jaką można prowadzić pociągi w systemie 3 kV. Włosi na Direttissimie jeżdżą do 250 km/h, w naszych trudniejszych warunkach klimatycznych graniczną eksploatacyjną prędkością powinna być, moim zdaniem, 220 km/h.

Co zatem dalej w Polsce?

Gdybyśmy faktycznie zamierzali na polskiej sieci kolejowej powszechnie przejść na zasilanie trakcji elektrycznej prądem 25 kV 50 Hz, to taką dyskusję należało podjąć co najmniej 20 lat temu, zanim zaczęliśmy przygotowywać założenia do modernizacji głównych ciągów kolejowych. Biorąc pod uwagę wyeksploatowanie urządzeń infrastruktury zasilającej, pochodzących z lat 60.–80. ubiegłego wieku, byłoby to jak najbardziej zasadne. Obecnie, po wydaniu dziesiątek miliardów złotych na modernizację układów zasilania na liniach przystosowywanych do prędkości 160 km/h, jak i na zakupy nowego taboru – w większości jednosystemowego, przypomina to dyskusję o przystawkach, kiedy właśnie serwowane są desery.

Współczesne oczekiwania wobec jakości usług świadczonych przez transport kolejowy, w szczególności w przewozach pasażerskich, spowodują, że implementacja systemu 25 kV będzie w Polsce nieunikniona. Niemniej jednak system ten w mojej opinii powinien być instalowany na wybranych ciągach przewozowych, pracujących funkcjonalnie w sposób w dużej mierze autonomiczny tzn. z niewielkim przejściem pociągów w węzłach pośrednich na inne linie, z granicą systemu zasilania na podejściu do węzłów, tak aby nie wprowadzać dwóch systemów zasilania na stacje węzłowe. Dokładnie w taki sposób czynią to kraje Unii Europejskiej, których podstawowa i rozległa sieć kolejowa pracuje na napięciu 3 kV: Włochy, Belgia i Hiszpania. Na zmianę systemu w całości mogą sobie pozwolić kraje, w których zelektryfikowana prądem stałym sieć kolejowa jest stosunkowo niewielka.

Swoją opinię uzupełnię czterema konkretnymi przykładami, jako że powracający temat 25 kV miał umocowanie w pewnych projektach, a nawet decyzjach podejmowanych w ostatniej dekadzie. Nowo projektowana linia łącząca Warszawę z Wrocławiem i Poznaniem przez Łódź miała mieć zasilanie trakcyjne 25 kV, co wynikało m. in. z założonej prędkości jazdy. Instytut Kolejnictwa opracował niezbędne standardy, zgodne z Europejskimi Technicznymi Specyfikacjami Interoperacyjności dla podsystemu „Energia”. Analizy wykazały również stosunkowo dobrą dostępność dla projektowanej linii punktów przyłączenia do sieci przesyłowej 400 kV.

Do szkieletu szybkich połączeń została również zaliczona Centralna Magistrala Kolejowa. Modernizacja sieci trakcyjnej na tej linii, oprócz niezbędnych parametrów prędkościowych, obejmowała również montaż izolacji na 25 kV, co w przyszłości – w przypadku zmiany napięcia – miało umożliwiać zdjęcie po jednej linie nośnej i jednym przewodzie jezdnym bez konieczności wymiany izolatorów na wyższe napięcie (jako dłuższe wymagałyby pracochłonnego przeregulowywania podwieszeń sieci trakcyjnej). Poważnym problemem CMK jednak jest brak sieci 400 kV na obszarze, przez który przebiega. Dlatego też w 2010 r. ówczesny Zarząd PLK S.A. podjął rozmowy z Zarządem „PSE Operator”, aby w przygotowywanym wtedy postępowaniu na strategię rozwoju sieci przesyłowej najwyższych napięć ująć przyszłe potrzeby zasilania sieci kolejowej. W przeciwnym przypadku koszty budowy połączeń podstacji CMK do linii 400 kV musiałyby PLK ująć w swoich projektach, co istotnie podwyższyłoby ich koszty.

Niestety, nieprzemyślana decyzja podjęta w 2011 r. przez min. Sławomira Nowaka, aby zawiesić wszystkie działania rozwojowe i skupić się na poprawie stanu technicznego istniejącej infrastruktury kolejowej, uniemożliwiła skorzystanie z tej szansy.

Zarząd PLK S.A. podjął również w 2010 r. decyzję o przygotowaniu projektowanego odcinka linii „Rail Baltica” od st. Ełk przez Suwałki do granicy w Trakiszkach do elektryfikacji w systemie 25 kV 50 Hz, traktując ten odcinek jako poligon doświadczalny, w szczególności pod kątem oddziaływania na siebie dwóch systemów w st. Ełk. Autorowi nie są znane dalsze losy tej inicjatywy.

Linią nadającą się do elektryfikacji napięciem 25 kV jest niewątpliwie LHS, z uwagi na jej techniczne wyodrębnienie z sieci normalnotorowej, zarządzanej przez PLK S.A. Przesłankami wskazującymi na zasadność przyjęcia takiego systemu trakcyjnego jest dążenie do prowadzenia ciężkich pociągów towarowych (system DC jest bardziej efektywny przy gęstym ruchu lżejszych pociągów), jak też ograniczenie liczby podstacji na obszarze, na którym dostępność publicznej sieci zasilającej nie jest wysoka. Prace studialne, wykonywane na zlecenie Zarządu PKP LHS, powinny w niedługim czasie wyjaśnić niezbędne kwestie techniczne i ekonomiczne, umożliwiając podjęcie racjonalnej decyzji.