Materiał przygotowany przez PGE Energetyka Kolejowa S.A.

Mówiąc o kolei dużych prędkości, najwięcej uwagi poświęca się zwykle nowym liniom kolejowym, parametrom pociągów czy skracaniu czasu przejazdu. Ale fundamentem całego systemu pozostaje infrastruktura energetyczna. Jest ona dla kolei dużych prędkości tym, czym układ krwionośny dla organizmu. Nawet najnowocześniejszy skład nie będzie w stanie wykorzystać swoich możliwości bez stabilnego i niezawodnego dostarczania energii.

Współczesne uwarunkowania technologiczne, ekonomiczne i środowiskowe sprawiają, że regularna eksploatacja pociągów osiągających prędkości 300–350 km/h opiera się na napędzie elektrycznym. Im większa prędkość, tym większe zapotrzebowanie na moc. Oznacza to, że system zasilania staje się jednym z najważniejszych elementów całej infrastruktury.

Kolej dużych prędkości zaczyna się więc nie od pociągu jadącego 350 km/h, ale od systemu zdolnego do dostarczenia ogromnej ilości energii w sposób bezpieczny, niezawodny i skuteczny.

Pociąg dużych prędkości może osiągać moc nawet 12–16 MW. Taka moc jest w stanie zasilić małe miasteczko lub sporą dzielnicę liczącą od kilku do nawet kilkunastu tysięcy mieszkań i domów jednorodzinnych.

Najważniejsze jest to, co niewidoczne dla pasażera

Droga energii do pociągu rozpoczyna się w krajowym systemie elektroenergetycznym. Następnie energia trafia do podstacji trakcyjnych, gdzie jest odpowiednio przekształcana i przekazywana do sieci trakcyjnej. Za pośrednictwem pantografu odbiera ją pojazd, który wykorzystuje ją do zasilania układów napędowych.

W przypadku kolei dużych prędkości proces ten jest jednak znacznie bardziej złożony niż samo dostarczenie energii do przewodu jezdnego. Za sprawnym funkcjonowaniem systemu stoją stacje elektroenergetyczne, podstacje trakcyjne, autotransformatory, sieć trakcyjna, układy powrotu prądu, systemy sterowania oraz zabezpieczenia monitorujące pracę infrastruktury w czasie rzeczywistym.

Dla pasażera widoczne są jedynie pociąg i przewody nad torami. Za możliwością bezpiecznej jazdy z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę stoi jednak rozbudowany system elektroenergetyczny, którego zadaniem jest dostarczenie odpowiedniej ilości energii dokładnie wtedy, gdy jest potrzebna. Nawet krótkotrwałe zakłócenie parametrów zasilania mogłoby wpływać na osiągi i punktualność pociągów.

Dlaczego potrzebny jest system 2×25 kV AC?

Polska kolej od dziesięcioleci korzysta z systemu zasilania 3 kV DC. Jest to rozwiązanie sprawdzone, dobrze znane służbom utrzymaniowym i odpowiednie dla zdecydowanej większości obecnych przewozów pasażerskich oraz towarowych. Pozostanie ono podstawą funkcjonowania krajowej sieci kolejowej jeszcze przez wiele lat.

Kolej dużych prędkości stawia jednak przed infrastrukturą energetyczną nowe wymagania. Pociągi poruszające się z prędkością 300–350 km/h pobierają moc sięgającą kilkunastu megawatów, a system musi jednocześnie obsługiwać wiele składów znajdujących się na tej samej linii.

Z tych powodów dla nowych linii dużych prędkości przyjęto system 2×25 kV AC.

Najprościej mówiąc, pozwala on przesyłać energię przy wyższym napięciu, a więc przy mniejszych prądach. Dzięki temu ograniczane są straty energii i spadki napięcia, a parametry zasilania pozostają stabilne także wtedy, gdy po linii jedzie jednocześnie kilka pociągów dużych prędkości.

W praktyce pociąg pobiera energię pod napięciem 25 kV pomiędzy siecią jezdną a szynami. Jednocześnie pomiędzy siecią jezdną a dodatkowym przewodem zasilającym występuje napięcie ok. 50 kV. Zastosowanie podstacji autotransformatorowych umożliwia efektywne przesyłanie dużych mocy na znaczne odległości, utrzymując jednocześnie na odpowiednim poziomie wartość napięcia.

W systemie 2×25 kV AC podstacje trakcyjne mogą być rozmieszczane nawet co 80–120 km. Pomiędzy nimi pracują autotransformatory instalowane zwykle co 7–25 km.

System sprzyja także lepszemu prowadzeniu prądów powrotnych, ogranicza oddziaływanie elektromagnetyczne na urządzenia sterowania ruchem kolejowym i systemy telekomunikacyjne, a także zwiększa niezawodność zasilania. Podstacje projektowane są z rezerwą transformatorową, umożliwiającą utrzymanie pracy odcinka nawet w przypadku wyłączenia jednego z transformatorów.

W przypadku prędkości sięgających 350 km/h znaczenie mają również właściwości mechaniczne sieci trakcyjnej. Musi ona zachowywać bardzo wysoką stabilność geometryczną, zapewniając nieprzerwany kontakt pantografu z przewodem jezdnym. Dlatego projektowanie infrastruktury nie sprowadza się wyłącznie do kwestii parametrów elektrycznych, ale obejmuje cały układ współpracy pociągu z siecią.

Dwa systemy zasilania

Wraz z budową kolei dużych prędkości Polska stanie się krajem funkcjonującym równolegle w dwóch standardach zasilania kolejowego: 3 kV DC oraz 2×25 kV AC.

Nie jest to rozwiązanie wyjątkowe w skali Europy, jednak wymaga bardzo starannego przygotowania miejsc styku obu systemów. Ze względu na różny rodzaj i poziom napięcia nie można dopuścić do ich bezpośredniego połączenia.

W takich lokalizacjach projektowane są sekcje separacji systemów wyposażone w odcinki neutralne oraz odpowiednio sekcjonowaną sieć trakcyjną. Sekcja separacji systemów oddziela od siebie dwa różne systemy zasilania i jednocześnie umożliwia płynny przejazd elektrycznych pojazdów trakcyjnych wielosystemowych. Elektryczny pojazd wielosystemowy, zbliżając się do takiego miejsca, wyłącza pobór mocy i przejeżdża przez odcinek neutralny siłą rozpędu. W tym czasie jego systemy pokładowe przełączają konfigurację z jednego systemu zasilania na drugi. We współczesnych pociągach wielosystemowych proces ten jest w znacznym stopniu zautomatyzowany, odbywa się podczas jazdy i dla pasażerów pozostaje praktycznie niezauważalny.

Jednym z najważniejszych obszarów projektowych jest również kompatybilność elektromagnetyczna. Polega to na tym, że system prądu przemiennego 50 Hz nie może zakłócać działania urządzeń sterowania ruchem kolejowym, obwodów torowych, systemów telekomunikacyjnych ani infrastruktury sąsiednich linii zasilanych napięciem 3 kV DC.

Zmiana systemu zasilania podczas jazdy jest zautomatyzowana, a dla pasażerów zazwyczaj niezauważalna.

Rozwój kompetencji niezbędny do wdrożenia systemu 2×25 kV AC

Transformacja energetyczna kolei nie dotyczy wyłącznie infrastruktury. Równie istotne są kompetencje ludzi odpowiedzialnych za jej projektowanie, budowę i utrzymanie.

Doświadczenia PGE Energetyki Kolejowej zdobyte podczas budowy, modernizacji i utrzymania infrastruktury 3 kV DC stanowią ważną podstawę przygotowań do wdrażania technologii 2×25 kV AC. Choć oba systemy różnią się rozwiązaniami technicznymi, wspólne pozostają kompetencje związane z organizacją bezpiecznej pracy, montażem i regulacją sieci trakcyjnej, diagnostyką, usuwaniem awarii czy utrzymaniem infrastruktury w warunkach ciągłego ruchu.

Szczególnie cenne są doświadczenia wynikające z codziennej eksploatacji rozległego systemu zasilania kolei. Obejmują one nie tylko wiedzę techniczną, lecz także umiejętność planowania prac przy ograniczonej dostępności torów, współpracy z zarządcą infrastruktury i przewoźnikami oraz sprawnego przywracania zasilania po zdarzeniach eksploatacyjnych.

W przypadku kolei dużych prędkości kompetencje te nabierają jeszcze większego znaczenia. Nawet krótkotrwałe zakłócenia mogą bowiem wpływać na punktualność wielu połączeń i funkcjonowanie całego systemu.

Słotwiny: tu powstają kompetencje dla kolei dużych prędkości

Istotną rolę w przygotowaniach do wdrożenia nowego systemu odgrywa poligon sieci trakcyjnej w miejscowości Słotwiny w gminie Koluszki (województwo łódzkie).

W jego nowej części zbudowano trzy typy sieci trakcyjnej w systemie 2×25 kV 50 Hz przeznaczone dla różnych kategorii prędkości, w tym dla rozwiązań stosowanych na liniach do 200 i 300 km/h.

Infrastruktura została zaprojektowana w sposób umożliwiający szczegółowe poznanie budowy sieci, technologii montażu oraz różnic pomiędzy systemami 3 kV DC i 2×25 kV AC.

Jest to jedyny tego typu obiekt szkoleniowy w Polsce, a dodatkowo został zrealizowany siłami własnymi pracowników spółki.

W Słotwinach funkcjonuje jedyny w Polsce obiekt szkoleniowy umożliwiający praktyczne poznawanie rozwiązań sieci trakcyjnej 2×25 kV AC.

Przede wszystkim bezpieczeństwo i niezawodność

Eksploatacja systemu 2×25 kV AC wiąże się również z nowymi wyzwaniami dotyczącymi bezpieczeństwa pracy. Prąd przemienny może powodować indukowanie napięć w elementach infrastruktury znajdujących się w pobliżu czynnej sieci, także po wyłączeniu napięcia na odcinku przeznaczonym do prowadzenia prac.

Oznacza to konieczność stosowania odpowiednich procedur sprawdzania braku napięcia, uziemiania, wyznaczania stref pracy i wykorzystywania właściwych środków ochronnych.

Rosną również wymagania związane z utrzymaniem infrastruktury. Przy prędkościach dochodzących do 350 km/h dopuszczalne odchylenia parametrów geometrycznych sieci trakcyjnej są znacznie mniejsze niż na liniach konwencjonalnych. Dlatego coraz większą rolę będą odgrywały precyzyjne pomiary, automatyczna diagnostyka oraz działania predykcyjne pozwalające przewidywać potencjalne nieprawidłowości jeszcze przed ich wystąpieniem.

Energia dla kolei przyszłości

Kolej dużych prędkości to znacznie więcej niż nowe linie i szybsze pociągi. To również budowa nowego systemu energetycznego, który pozwala na zasilanie infrastruktury o innych niż dotąd parametrach. W tym procesie kluczowe znaczenie mają nie tylko technologie, lecz także doświadczenie oraz kompetencje ludzi odpowiedzialnych za ich wdrażanie i utrzymanie.

Dla PGE Energetyki Kolejowej rozwój kolei dużych prędkości oznacza naturalne rozszerzenie dotychczasowych kompetencji. Łącząc doświadczenie zdobyte przy codziennej eksploatacji infrastruktury kolejowej z rozwojem zaplecza szkoleniowego, nowych metod diagnostyki i przygotowaniem kadr do pracy w systemie 2×25 kV AC, spółka może współtworzyć bezpieczny, nowoczesny i niezawodny system zasilania polskiej kolei dużych prędkości.

Materiał przygotowany przez PGE Energetyka Kolejowa S.A.