Bahnelektrifizierungssystem -Railway electrification system

Ein nicht renovierter Metro-Cammell-Zug auf der britischen Sektion der Kowloon-Canton Railway in Hongkong im Jahr 1993. Die britische Sektion der Kowloon-Canton Railway ist die älteste Eisenbahn in Hongkong . Es wurde 1910 in Betrieb genommen und ist mit der Guangzhou-Shenzhen-Eisenbahn verbunden .
Übergangszone von der Third-Rail- zur Oberleitungsversorgung auf Chicagos Yellow Line (der "Skokie Swift"), gezeigt kurz vor der Umstellung auf den Third-Rail-Betrieb im September 2004.
Ein frühes Umspannwerk zur Elektrifizierung der Bahn in Dartford

Ein Bahnelektrifizierungssystem versorgt Eisenbahnzüge und Straßenbahnen ohne bordeigene Antriebsmaschine oder lokale Kraftstoffversorgung mit elektrischem Strom . Elektrische Eisenbahnen verwenden entweder elektrische Lokomotiven (Personen- oder Frachttransport in separaten Waggons), elektrische Triebzüge ( Personenwagen mit eigenen Motoren) oder beides. Strom wird typischerweise in großen und relativ effizienten Kraftwerken erzeugt , an das Schienennetz übertragen und an die Züge verteilt. Einige elektrische Eisenbahnen haben ihre eigenen dedizierten Kraftwerke und Übertragungsleitungen , aber die meisten beziehen Strom von einem Energieversorger . Die Bahn stellt in der Regel eigene Verteilerleitungen, Weichen und Transformatoren zur Verfügung .

Fahrende Züge werden mit einem (fast) durchgehenden Leiter mit Strom versorgt, der entlang des Gleises verläuft und normalerweise eine von zwei Formen annimmt: eine Oberleitung , die an Masten oder Türmen entlang des Gleises oder an Bauwerks- oder Tunneldecken aufgehängt ist, oder eine dritte Schiene , die an montiert ist Gleisebene und kontaktiert durch einen gleitenden „ Schleifer “. Sowohl Oberleitungs- als auch Dritte-Schiene-Systeme verwenden normalerweise die Laufschienen als Rückleiter, aber einige Systeme verwenden zu diesem Zweck eine separate vierte Schiene.

Im Vergleich zur Hauptalternative, dem Dieselmotor , bieten elektrische Bahnen eine wesentlich bessere Energieeffizienz, geringere Emissionen und niedrigere Betriebskosten. Elektrolokomotiven sind in der Regel auch leiser, leistungsstärker und reaktionsschneller und zuverlässiger als Dieselmotoren. Sie haben keine lokalen Emissionen, ein wichtiger Vorteil in Tunneln und städtischen Gebieten. Einige elektrische Traktionssysteme bieten regeneratives Bremsen , das die kinetische Energie des Zuges wieder in Strom umwandelt und an das Versorgungssystem zurückgibt, um von anderen Zügen oder dem allgemeinen Versorgungsnetz verwendet zu werden. Während Diesellokomotiven Erdölprodukte verbrennen, kann Strom aus verschiedenen Quellen, einschließlich erneuerbarer Energie, erzeugt werden. In der Vergangenheit spielten Bedenken hinsichtlich der Ressourcenunabhängigkeit eine Rolle bei der Entscheidung, Eisenbahnstrecken zu elektrifizieren. Die Binnenschweizerische Eidgenossenschaft, die fast keine Öl- oder Kohlevorkommen hat, aber über reichlich Wasserkraft verfügt, hat ihr Netz teilweise als Reaktion auf Versorgungsprobleme während der beiden Weltkriege elektrifiziert .

Zu den Nachteilen der elektrischen Traktion gehören: hohe Kapitalkosten , die auf wenig befahrenen Strecken unwirtschaftlich sein können, ein relativer Mangel an Flexibilität (da elektrische Züge dritte Schienen oder Oberleitungen benötigen) und eine Anfälligkeit für Stromunterbrechungen. Elektro-Diesel-Lokomotiven und Elektro-Diesel-Triebzüge mildern diese Probleme etwas, da sie während eines Ausfalls oder auf nicht elektrifizierten Strecken mit Dieselkraft betrieben werden können.

Unterschiedliche Regionen können unterschiedliche Versorgungsspannungen und -frequenzen verwenden, was den Service komplizierter macht und eine größere Komplexität der Lokomotivenleistung erfordert. Früher gab es Bedenken hinsichtlich des Doppelstock-Schienenverkehrs in Bezug auf Freiräume mit Oberleitungen, aber ab 2022 gilt dies nicht mehr allgemein, da sowohl die Indian Railways als auch die China Railway regelmäßig elektrische Doppelstock-Güterzüge unter Oberleitungen betreiben.

Die Elektrifizierung der Eisenbahn hat in den letzten Jahrzehnten stetig zugenommen, und seit 2012 machen elektrifizierte Gleise fast ein Drittel aller Gleise weltweit aus.

Einstufung

Elektrifizierungssysteme in Europa:
  Nicht elektrifiziert
  750  VDC
  1,5  kV Gleichstrom
  3  kV Gleichstrom
Hochgeschwindigkeitsleitungen in Frankreich, Spanien, Italien, dem Vereinigten Königreich, den Niederlanden, Belgien und der Türkei werden unter 25  kV betrieben, ebenso wie Hochspannungsleitungen in der ehemaligen Sowjetunion.

Elektrifizierungssysteme werden nach drei Hauptparametern klassifiziert:

Die Auswahl eines Elektrifizierungssystems basiert auf der Wirtschaftlichkeit von Energieversorgung, Wartung und Kapitalkosten im Vergleich zu den Einnahmen aus dem Güter- und Personenverkehr. Für städtische und interstädtische Gebiete werden unterschiedliche Systeme verwendet; Einige Elektrolokomotiven können auf unterschiedliche Versorgungsspannungen umschalten, um einen flexiblen Betrieb zu ermöglichen.

Genormte Spannungen

Sechs der am häufigsten verwendeten Spannungen wurden für die europäische und internationale Normung ausgewählt. Diese sind teilweise unabhängig vom verwendeten Kontaktsystem, so dass beispielsweise 750  V  DC sowohl bei der dritten Schiene als auch bei Oberleitungen verwendet werden können.

Es gibt viele andere Spannungssysteme, die für Bahnelektrifizierungssysteme auf der ganzen Welt verwendet werden, und die Liste der Bahnelektrifizierungssysteme umfasst sowohl Standardspannungs- als auch Nicht-Standardspannungssysteme.

Der zulässige Spannungsbereich für die genormten Spannungen ist in den Normen BS  EN  50163 und IEC  60850 angegeben. Diese berücksichtigen die Anzahl der Züge, die Strom ziehen, und ihre Entfernung von der Umspannstation.

Elektrifizierungssystem Stromspannung
Mindest. nicht permanent Mindest. dauerhaft Nominal max. dauerhaft max. nicht permanent
600  VDC _ 400  V 400  V 600  V 720  V 800  V
750  VDC 500  V 500  V 750  V 900  V 1.000  V
1.500  VDC 1.000  V 1.000  V 1.500  V 1.800  V 1.950  V
3  kV Gleichstrom 2  kV 2  kV 3kV  _ 3,6  kV 3,9  kV
15  kV Wechselstrom, 16,7  Hz 11kV  _ 12  kV 15kV  _ 17,25  kV 18  kV
25  kV AC, 50  Hz (EN 50163)
und 60  Hz (IEC 60850)
17,5  kV 19kV  _ 25  kV 27,5  kV 29kV  _

Gleichstrom

Overhead-Systeme

Elektrolokomotiven unter einer 15 -  kV-Wechselstrom -Oberleitung in Schweden
Nottingham Express Transit in Großbritannien verwendet einen 750 -  V  -Gleichstrom-Overhead, wie die meisten modernen Straßenbahnsysteme.

1.500  V Gleichstrom wird in Japan, Indonesien, Hongkong (Teile), Irland, Australien (Teile), Frankreich (auch mit 25 kV 50 Hz Wechselstrom ) , Neuseeland ( Wellington ), Singapur (auf der Nordost-MRT-Linie ) verwendet. den Vereinigten Staaten ( Chicago - Gebiet im Metra Electric - Viertel und die Überlandlinie South Shore Line und die Stadtbahn Link in Seattle , Washington). In der Slowakei gibt es zwei Schmalspurstrecken in der Hohen Tatra (eine davon eine Zahnradbahn ). In den Niederlanden wird es auf dem Hauptsystem neben 25 kV auf der HSL-Zuid und Betuwelijn und 3.000 V südlich von Maastricht verwendet . In Portugal wird es in der Cascais-Linie und in Dänemark im S-Bahn- System (1650 V DC) verwendet.    

Im Vereinigten Königreich wurden 1954 1.500  V  Gleichstrom für die Trans-Pennine-Route von Woodhead (jetzt geschlossen) verwendet. Das System verwendete regeneratives Bremsen und ermöglichte die Übertragung von Energie zwischen auf- und absteigenden Zügen bei den steilen Zugängen zum Tunnel. Das System wurde auch für die Elektrifizierung von Vororten in East London und Manchester verwendet , jetzt auf 25  kV  AC umgestellt. Es wird jetzt nur noch für die Tyne and Wear Metro verwendet . In Indien war 1.500  V DC das erste Elektrifizierungssystem, das 1925 im Raum Mumbai eingeführt wurde. Zwischen 2012 und 2016 wurde die Elektrifizierung auf 25  kV 50  Hz umgestellt, das ist das landesweite System.

3  kV DC wird in Belgien, Italien, Spanien, Polen, der Slowakei, Slowenien, Südafrika, Chile, dem nördlichen Teil der Tschechischen Republik, den ehemaligen Republiken der Sowjetunion und in den Niederlanden auf einigen Kilometern zwischen Maastricht und verwendet Belgien. Es wurde früher von der Milwaukee Road von Harlowton, Montana , nach Seattle, über die Continental Divide und einschließlich umfangreicher Stich- und Ringleitungen in Montana, und von der Delaware, Lackawanna and Western Railroad (jetzt New Jersey Transit , umgebaut auf 25  kV  AC ) genutzt ) in den Vereinigten Staaten und die Kolkata-Vorortbahn (Bardhaman Main Line) in Indien, bevor sie auf 25  kV 50  Hz umgestellt wurde.

Gleichspannungen zwischen 600  V und 800  V werden von den meisten Straßenbahnen , Trolleybusnetzen und U -Bahn-Systemen verwendet, da die Fahrmotoren diese Spannung ohne das Gewicht eines Bordtransformators akzeptieren.

Mittelspannung DC

Die zunehmende Verfügbarkeit von Hochspannungshalbleitern kann die Verwendung von höheren und effizienteren Gleichspannungen ermöglichen, die bisher nur mit Wechselspannung praktikabel waren.

Die Verwendung von Mittelspannungs-Gleichstromelektrifizierung (MVDC) würde einige der Probleme lösen, die mit Standardfrequenz-Wechselstrom-Elektrifizierungssystemen verbunden sind, insbesondere ein mögliches Lastungleichgewicht des Versorgungsnetzes und die Phasentrennung zwischen den elektrifizierten Abschnitten, die aus verschiedenen Phasen gespeist werden, während Hochspannung dies tun würde die Übertragung effizienter. UIC führte eine Fallstudie für die Umstellung der derzeit mit 1,5 kV DC elektrifizierten Eisenbahnstrecke Bordeaux-Hendaye  (Frankreich) auf 9  kV DC durch und stellte fest, dass die Umstellung die Verwendung von weniger sperrigen Oberleitungen ermöglichen würde (Einsparung von 20 Millionen € pro 100  Streckenkilometer) und die Verluste senken (Einsparung von 2  GWh pro Jahr pro 100  Streckenkilometer; entspricht etwa 150.000 € pa).  Die gewählte Strecke ist eine der erneuerungsbedürftigen Strecken mit einer Gesamtlänge von 6000 km.

In den 1960er Jahren experimentierten die Sowjets damit, die Freileitungsspannung von 3 auf 6  kV zu erhöhen. Gleichstromfahrzeuge wurden mit Ignitron - basierten Umrichtern ausgestattet, um die Versorgungsspannung auf 3  kV zu senken. Die Konverter erwiesen sich als unzuverlässig und das Experiment wurde abgebrochen. 1970 bewiesen experimentelle Arbeiten an einem 12-kV-Gleichstromsystem ua, dass die äquivalenten Verlustpegel für ein 25-kV-Wechselstromsystem mit einer Gleichspannung zwischen 11 und 16  kV erreicht werden konnten. In den 1980er und 1990er Jahren wurde ein experimentelles 12-kV-Gleichstromsystem auf der Oktoberbahn in der Nähe von Leningrad (heute Petersburg ) getestet . Die Versuche endeten 1995 aufgrund des Förderendes.

Dritte Schiene

Eine dritte Schiene mit Bodenkontakt in der Amsterdamer U -Bahn , Niederlande
Bei der dritten (und vierten) Schiene mit oberem Kontakt sammelt ein schwerer Schuh , der an der Unterseite eines Holzbalkens befestigt ist, der wiederum am Drehgestell befestigt ist, Strom, indem er über die Oberseite der Stromschiene gleitet.

Die meisten Elektrifizierungssysteme verwenden Oberleitungen, aber die dritte Schiene ist eine Option bis zu 1.500  V. Dritte Schienensysteme verwenden fast ausschließlich Gleichstromverteilung. Die Verwendung von AC ist normalerweise nicht durchführbar, da die Abmessungen einer dritten Schiene physikalisch sehr groß sind im Vergleich zu der Eindringtiefe , die AC bis zu 0,3 Millimeter oder 0,012 Zoll in eine Stahlschiene eindringt. Dieser Effekt macht den Widerstand pro Längeneinheit im Vergleich zur Verwendung von Gleichstrom unannehmbar hoch. Die dritte Schiene ist kompakter als Oberleitungen und kann in Tunneln mit kleinerem Durchmesser verwendet werden, ein wichtiger Faktor für U-Bahn-Systeme.

Vierte Schiene

Londoner U -Bahn -Strecke in Ealing Common auf der District Line , die die dritte und vierte Schiene neben und zwischen den Laufschienen zeigt
Ein Zug der Linie 1 der Mailänder U-Bahn mit dem Kontaktschuh der vierten Schiene.

Die Londoner U -Bahn in England ist eines der wenigen Netze, das ein Vier-Schienen-System verwendet. Die zusätzliche Schiene trägt den elektrischen Rückleiter, der bei dritten Schienen und Oberleitungen von den Fahrschienen bereitgestellt wird. In der Londoner U-Bahn befindet sich neben dem Gleis eine dritte Schiene mit oberem Kontakt, die unter Spannung steht+420 V DC , und eine topkontaktierte vierte Schiene liegt mittig zwischen den Laufschienen an−210 V DC , die zusammen eine Traktionsspannung von liefern630 VDC . Das gleiche System wurde für Mailands früheste U-Bahnlinie, die Linie 1 der Mailänder Metro ,, deren neuere Linien eine Oberleitung oder eine dritte Schiene verwenden.

Der entscheidende Vorteil des Vier-Schienen-Systems ist, dass keine der Laufschienen Strom führt. Dieses Schema wurde wegen der Probleme von Rückströmen eingeführt, die von der geerdeten (geerdeten) Laufschiene getragen werden sollen und stattdessen durch die eisernen Tunnelauskleidungen fließen. Dies kann elektrolytische Schäden und sogar Lichtbögen verursachen, wenn die Tunnelsegmente nicht elektrisch miteinander verbunden sind. Das Problem wurde verschärft, weil der Rückstrom auch dazu neigte, durch nahe gelegene Eisenrohre zu fließen, die die Wasser- und Gashauptleitungen bildeten. Einige davon, insbesondere viktorianische Hauptleitungen aus der Zeit vor den Londoner U-Bahnen, waren nicht für die Stromführung ausgelegt und hatten keine ausreichende elektrische Verbindung zwischen den Rohrsegmenten. Das Vierschienensystem löst das Problem. Obwohl die Versorgung einen künstlich geschaffenen Erdungspunkt hat, wird diese Verbindung durch die Verwendung von Widerständen abgeleitet, die sicherstellen, dass Streuerdströme auf einem handhabbaren Niveau gehalten werden. Reine Stromschienen können auf stark isolierenden Keramikstühlen montiert werden, um Stromlecks zu minimieren, aber dies ist nicht möglich für Laufschienen, die auf stärkeren Metallstühlen sitzen müssen, um das Gewicht von Zügen zu tragen. Elastomere Gummipolster, die zwischen den Schienen und Stühlen platziert werden, können jetzt jedoch einen Teil des Problems lösen, indem sie die Laufschienen von der Stromrückführung isolieren, falls es zu einem Leck durch die Laufschienen kommen sollte.

Gummibereifte Systeme

Das Drehgestell einer MP 05 mit dem Spurkranz - Stahlrad im Inneren des gummibereiften sowie dem vertikalen Kontaktschuh auf der Stahlschiene
Drehgestell aus einem MP 89 Paris Métro Fahrzeug. Der seitliche Kontaktschuh befindet sich zwischen den Gummireifen

Einige Linien der Pariser Métro in Frankreich arbeiten mit einem Vierschienen-Stromsystem. Die Züge fahren auf Gummireifen, die auf zwei schmalen Rollbahnen aus Stahl und an manchen Stellen aus Beton rollen . Da die Reifen den Rückstrom nicht leiten, werden die beiden außerhalb der Laufrollenbahnen vorgesehenen Führungsschienen gewissermaßen zu einer dritten und vierten Schiene, die jeweils 750 V Gleichspannung liefern , also zumindest elektrisch eine Vierschiene System. Jeder Radsatz eines angetriebenen Drehgestells trägt einen Fahrmotor . Ein seitlich gleitender (seitlich laufender) Kontaktschuh nimmt den Strom von der vertikalen Fläche jeder Führungsschiene auf. Die Rückführung jedes Fahrmotors sowie jedes Waggons erfolgt durch je einen Kontaktschuh, der oben auf jeder der Laufschienen gleitet . Diese und alle anderen gummibereiften Metros mit 1.435 mm ( 4 ft  8+12  in) Normalspurgleise zwischen denRollwegenfunktionieren auf die gleiche Weise .

Wechselstrom

Bild eines Zeichens für Hochspannung über einem Eisenbahnelektrifizierungssystem

Eisenbahnen und Stromversorgungsunternehmen verwenden Wechselstrom aus demselben Grund: Um Transformatoren zu verwenden , die Wechselstrom benötigen, um höhere Spannungen zu erzeugen. Je höher die Spannung, desto niedriger der Strom bei gleicher Leistung, wodurch der Leitungsverlust reduziert und somit die Abgabe einer höheren Leistung ermöglicht wird.

Da Wechselstrom mit hohen Spannungen verwendet wird, wird diese Art der Elektrifizierung nur auf Oberleitungen verwendet , niemals auf dritten Gleisen. In der Lokomotive wandelt ein Transformator die Spannung herunter, damit sie von den Fahrmotoren und Hilfslasten verwendet werden kann.

Ein früher Vorteil von Wechselstrom besteht darin, dass die in Gleichstromlokomotiven zur Geschwindigkeitsregelung verwendeten stromverschwendenden Widerstände in einer Wechselstromlokomotive nicht benötigt wurden: Mehrere Abgriffe am Transformator können eine Reihe von Spannungen liefern. Separate Niederspannungstransformatorwicklungen versorgen die Beleuchtung und die Motoren, die Hilfsmaschinen antreiben. In jüngerer Zeit hat die Entwicklung von Hochleistungshalbleitern dazu geführt, dass der klassische Gleichstrommotor weitgehend durch den Drehstrom- Induktionsmotor ersetzt wurde, der von einem Frequenzumrichter gespeist wird , einem speziellen Wechselrichter , der sowohl Frequenz als auch Spannung variiert, um die Motordrehzahl zu steuern. Diese Antriebe können gleichermaßen gut mit Gleichstrom oder Wechselstrom jeder Frequenz betrieben werden, und viele moderne Elektrolokomotiven sind so ausgelegt, dass sie mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und -frequenzen umgehen können, um den grenzüberschreitenden Betrieb zu vereinfachen.

Niederfrequenter Wechselstrom

15 -  kV-16,7  -Hz-Wechselstromsystem, das in der Schweiz verwendet wird

Fünf europäische Länder – Deutschland, Österreich, Schweiz, Norwegen und Schweden – haben 15  kV standardisiert 16+23  Hz (die 50 -Hz-Netzfrequenz geteilt durch drei) einphasiger Wechselstrom. Am 16. Oktober 1995 wechselten Deutschland, Österreich und die Schweiz vom 16+23  Hz bis 16,7 Hz, was nicht mehr genau einem Drittel der Netzfrequenz entspricht. Dies löste Überhitzungsprobleme bei den Rotationswandlern, die verwendet wurden, um einen Teil dieser Energie aus dem Versorgungsnetz zu erzeugen.

In den USA übernahmen die New York, New Haven und Hartford Railroad , die Pennsylvania Railroad und die Philadelphia and Reading Railway 11  kV 25  Hz Einphasen-Wechselstrom. Teile des ursprünglichen elektrifizierten Netzes arbeiten noch mit 25  Hz, wobei die Spannung auf 12  kV erhöht wurde, während andere auf 12,5 oder 25  kV 60  Hz umgestellt wurden.

In Großbritannien leistete die London, Brighton and South Coast Railway Pionierarbeit bei der Elektrifizierung ihrer Vorortstrecken in London, wobei die London Bridge nach Victoria am 1.  Dezember 1909 für den Verkehr freigegeben wurde. Victoria nach Crystal Palace über Balham und West Norwood wurde im Mai 1911 eröffnet. Peckham Rye to West Norwood wurde im Juni 1912 eröffnet. Weitere Erweiterungen wurden aufgrund des Ersten Weltkriegs nicht vorgenommen. Zwei Linien wurden 1925 unter der Southern Railway eröffnet und bedienten die Bahnhöfe Coulsdon North und Sutton . Die Leitungen wurden mit 6,7 kV 25 Hz elektrifiziert. 1926 wurde bekannt gegeben, dass alle Linien auf die dritte Schiene mit Gleichstrom umgestellt werden sollten, und der letzte oberirdische elektrische Dienst verkehrte im September 1929.   

Wechselstrom mit normaler Frequenz

 Auf einigen US-Leitungen in Westjapan, Südkorea und Taiwan wird 25-kV-Wechselstrom mit 60 Hz verwendet . und bei 50  Hz in einer Reihe von europäischen Ländern, Indien, Ostjapan, Ländern, die früher Teil der Sowjetunion waren, auf Hochgeschwindigkeitsstrecken in weiten Teilen Westeuropas (einschließlich Ländern, die noch konventionelle Eisenbahnen unter Gleichstrom betreiben, aber nicht in Ländern mit 16,7  Hz, siehe oben). Bei HSLs des "französischen Systems" führen die Oberleitung und eine "Schwellen" -Zuleitung jeweils 25  kV in Bezug auf die Schienen, jedoch in entgegengesetzter Phase, sodass sie 50  kV voneinander entfernt sind. Spartransformatoren gleichen die Spannung in regelmäßigen Abständen aus.

Vergleiche

AC versus DC für Hauptleitungen

Die meisten modernen Elektrifizierungssysteme beziehen Wechselstrom aus einem Stromnetz, das an eine Lokomotive geliefert und innerhalb der Lokomotive transformiert und in eine niedrigere Gleichspannung gleichgerichtet wird , um sie für die Verwendung durch Fahrmotoren vorzubereiten. Diese Motoren können entweder Gleichstrommotoren sein, die den Gleichstrom direkt verwenden, oder sie können Drehstrommotoren sein, die eine weitere Umwandlung des Gleichstroms in Drehstrom mit variabler Frequenz (unter Verwendung von Leistungselektronik) erfordern. Somit stehen beide Systeme vor der gleichen Aufgabe: Hochspannungs-Wechselstrom aus dem Stromnetz in Niederspannungs-Gleichstrom in der Lokomotive umzuwandeln und zu transportieren. Der Unterschied zwischen AC- und DC-Elektrifizierungssystemen liegt darin, wo der AC in DC umgewandelt wird: am Umspannwerk oder im Zug. Energieeffizienz und Infrastrukturkosten bestimmen, welche davon in einem Netzwerk verwendet werden, obwohl dies aufgrund bereits vorhandener Elektrifizierungssysteme oft festgelegt ist.

Sowohl die Übertragung als auch die Umwandlung elektrischer Energie sind mit Verlusten verbunden: ohmsche Verluste in Leitungen und Leistungselektronik, magnetische Feldverluste in Transformatoren und Glättungsdrosseln (Induktivitäten). Die Leistungsumwandlung für ein Gleichstromsystem findet hauptsächlich in einem Umspannwerk statt, wo große, schwere und effizientere Hardware verwendet werden kann, im Vergleich zu einem Wechselstromsystem, bei dem die Umwandlung an Bord der Lokomotive stattfindet, wo der Platz begrenzt ist und die Verluste erheblich höher sind. Die höheren Spannungen, die in vielen Wechselstrom-Elektrifizierungssystemen verwendet werden, reduzieren jedoch die Übertragungsverluste über längere Entfernungen, sodass weniger Umspannwerke oder leistungsstärkere Lokomotiven verwendet werden können. Auch die Energie, die zum Einblasen von Luft zum Kühlen von Transformatoren, Leistungselektronik (einschließlich Gleichrichtern) und anderer Umwandlungshardware verwendet wird, muss berücksichtigt werden.

Standard-AC-Elektrifizierungssysteme verwenden viel höhere Spannungen als Standard-DC-Systeme. Einer der Vorteile der Spannungserhöhung besteht darin, dass zur Übertragung eines bestimmten Leistungsniveaus ein geringerer Strom erforderlich ist ( P = V × I ). Das Absenken des Stroms reduziert die ohmschen Verluste und ermöglicht weniger sperrige, leichtere Oberleitungsausrüstung und mehr Abstand zwischen Traktionsunterstationen, während die Leistungskapazität des Systems beibehalten wird. Andererseits erfordert die höhere Spannung größere Isolationsabstände, wodurch einige Elemente der Infrastruktur größer werden müssen. Das Standardfrequenz-Wechselstromsystem kann ein Ungleichgewicht in das Versorgungsnetz einbringen, was eine sorgfältige Planung und Auslegung erfordert (da an jeder Umspannstation Strom aus zwei von drei Phasen bezogen wird). Das Niederfrequenz-Wechselstromsystem kann durch ein separates Erzeugungs- und Verteilungsnetz oder ein Netz von Konverter-Umspannwerken gespeist werden, was die Kosten erhöht, außerdem sind Niederfrequenztransformatoren, die sowohl in den Umspannwerken als auch auf dem rollenden Material verwendet werden, besonders sperrig und schwer. Das DC-System ist nicht nur in Bezug auf die maximal übertragbare Leistung begrenzt, sondern kann auch für elektrochemische Korrosion aufgrund von Streu-DC-Strömen verantwortlich sein.

Elektro gegen Diesel

Lots Road Power Station auf einem Plakat aus dem Jahr 1910. Dieses private Kraftwerk, das von der Londoner U -Bahn genutzt wurde, versorgte die Londoner Züge und Straßenbahnen mit einer vom Hauptstromnetz unabhängigen Stromversorgung.

Energieeffizienz

Elektrische Züge müssen nicht das Gewicht von Antriebsmaschinen , Getriebe und Kraftstoff tragen. Dies wird teilweise durch das Gewicht der elektrischen Ausrüstung ausgeglichen. Regeneratives Bremsen gibt Strom an das Elektrifizierungssystem zurück, damit er an anderer Stelle von anderen Zügen im selben System verwendet oder in das allgemeine Stromnetz zurückgeführt werden kann. Dies ist besonders in Berggebieten nützlich, wo schwer beladene Züge lange Steigungen hinunterfahren müssen.

Zentralstationsstrom kann oft mit einem höheren Wirkungsgrad erzeugt werden als ein mobiler Motor/Generator. Während die Effizienz der Kraftwerkserzeugung und der Diesellokomotivenerzeugung im Nennbereich ungefähr gleich ist, sinkt der Wirkungsgrad von Dieselmotoren in Nicht-Nennbereichen bei niedriger Leistung, während ein Kraftwerk am wenigsten abschaltet, wenn es weniger Strom erzeugen muss effiziente Generatoren und steigern so die Effizienz. Der elektrische Zug kann (im Vergleich zu Diesel) Energie sparen, indem er regeneratives Bremsen nutzt und keine Energie im Leerlauf verbrauchen muss, wie dies bei Diesellokomotiven beim Anhalten oder Ausrollen der Fall ist. Elektrofahrzeuge können jedoch Kühlgebläse betreiben, wenn sie angehalten oder ausgerollt werden, wodurch Energie verbraucht wird.

Große Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen arbeiten mit hohem Wirkungsgrad und können für Fernwärme oder zur Erzeugung von Fernkälte verwendet werden, was zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad führt.

Leistung

Elektrische Lokomotiven können leicht mit einer größeren Ausgangsleistung als die meisten Diesellokomotiven konstruiert werden. Für den Passagierbetrieb ist es möglich, mit Dieselmotoren genügend Leistung bereitzustellen (siehe zB ' ICE TD '), aber bei höheren Geschwindigkeiten erweist sich dies als kostspielig und unpraktisch. Daher sind fast alle Hochgeschwindigkeitszüge elektrisch. Die hohe Leistung von Elektrolokomotiven gibt ihnen auch die Möglichkeit, Fracht mit höherer Geschwindigkeit über Steigungen zu ziehen; Bei gemischten Verkehrsbedingungen erhöht dies die Kapazität, wenn die Zeit zwischen den Zügen verkürzt werden kann. Die höhere Leistung von Elektrolokomotiven und eine Elektrifizierung können auch eine günstigere Alternative zu einer neuen und weniger steilen Bahn sein, wenn Zuggewichte auf einer Anlage erhöht werden sollen.

Andererseits ist die Elektrifizierung möglicherweise nicht für Strecken mit geringer Verkehrsfrequenz geeignet, da die niedrigeren Betriebskosten der Züge durch die hohen Kosten der Elektrifizierungsinfrastruktur aufgewogen werden können. Daher sind die meisten Fernstrecken in Entwicklungs- oder dünn besiedelten Ländern aufgrund der relativ geringen Zugfrequenz nicht elektrifiziert.

Netzwerkeffekt

Netzwerkeffekte spielen bei der Elektrifizierung eine große Rolle. Bei der Umrüstung von Leitungen auf Elektro sind die Verbindungen zu anderen Leitungen zu berücksichtigen. Einige Elektrifizierungen wurden später wegen des Durchgangsverkehrs auf nicht elektrifizierte Strecken entfernt. Wenn der Durchgangsverkehr einen Vorteil haben soll, müssen zeitaufwändige Triebwerkswechsel erfolgen, um solche Verbindungen herzustellen, oder es müssen teure Dual-Mode-Triebwerke verwendet werden. Dies ist hauptsächlich ein Problem für Fernreisen, aber viele Strecken werden vom Durchgangsverkehr von Langstrecken-Güterzügen dominiert (die normalerweise Kohle, Erz oder Container von oder zu Häfen transportieren). Theoretisch könnten diese Züge durch Elektrifizierung drastische Einsparungen erzielen, aber es kann zu kostspielig sein, die Elektrifizierung auf abgelegene Gebiete auszudehnen, und wenn nicht ein ganzes Netz elektrifiziert wird, stellen Unternehmen oft fest, dass sie weiterhin Dieselzüge einsetzen müssen, selbst wenn Abschnitte elektrifiziert sind . Die zunehmende Nachfrage nach Containerverkehr, der bei Verwendung des Doppelstockwagens effizienter ist, hat auch Probleme mit Netzwerkeffekten bei bestehenden Elektrifizierungen aufgrund unzureichender Freiräume von elektrischen Oberleitungen für diese Züge, aber die Elektrifizierung kann gebaut oder modifiziert werden, um ausreichend Freiraum zu haben zusätzliche Kosten.

Ein Problem speziell bei elektrifizierten Strecken sind Lücken in der Elektrifizierung. Elektrofahrzeuge, insbesondere Lokomotiven, verlieren an Leistung, wenn sie Lücken in der Versorgung überqueren, wie z. B. Phasenänderungslücken in Oberleitungen und Lücken über Weichen in dritten Schienensystemen. Diese werden lästig, wenn die Lokomotive mit ihrem Kollektor auf einer Totstrecke stehen bleibt, in welchem ​​Fall kein Strom zum Wiederanfahren vorhanden ist. Leistungslücken können durch Bordbatterien oder Motor-Schwungrad-Generator-Systeme überwunden werden. Im Jahr 2014 werden Fortschritte bei der Verwendung großer Kondensatoren zur Stromversorgung von Elektrofahrzeugen zwischen Stationen erzielt, wodurch die Notwendigkeit von Oberleitungen zwischen diesen Stationen vermieden wird.

Instandhaltungskosten

Die Wartungskosten der Strecken können durch die Elektrifizierung erhöht werden, aber viele Systeme beanspruchen niedrigere Kosten aufgrund des geringeren Verschleißes auf der Strecke durch leichteres Rollmaterial. Es gibt einige zusätzliche Wartungskosten im Zusammenhang mit der elektrischen Ausrüstung rund um die Strecke, wie z. B. Umspannwerke und die Oberleitung selbst, aber bei ausreichendem Verkehr übersteigen die reduzierte Strecke und insbesondere die geringeren Motorwartungs- und Betriebskosten die Kosten dieser Wartung erheblich.

Funkeneffekt

Neu elektrifizierte Strecken zeigen oft einen „Funkeneffekt“, wobei die Elektrifizierung im Schienenpersonenverkehr zu deutlichen Sprüngen in der Kundschaft / Einnahmen führt. Gründe dafür können sein, dass elektrische Züge als moderner und attraktiver angesehen werden, schneller und reibungsloser verkehren und die Elektrifizierung oft mit einer allgemeinen Infrastruktur und der Überholung / dem Austausch von Rollmaterial einhergeht, was zu einer besseren Servicequalität führt (in ein Weg, der theoretisch auch durch ähnliche Upgrades ohne Elektrifizierung erreicht werden könnte). Was auch immer die Ursachen für den Funkeneffekt sind, er hat sich auf zahlreichen Strecken bewährt, die sich über Jahrzehnte elektrifiziert haben.

Schienentransport im Doppelstock

Aufgrund der durch die Oberleitungen auferlegten Höhenbeschränkung waren doppelt gestapelte Containerzüge traditionell schwierig und selten unter elektrifizierten Strecken zu fahren. Diese Einschränkung wird jedoch von Eisenbahnen in Indien, China und afrikanischen Ländern überwunden, indem neue Gleise mit erhöhter Oberleitungshöhe verlegt werden.

Solche Installationen befinden sich im Western Dedicated Freight Corridor in Indien, wo die Drahthöhe 7,45 Meter beträgt, um Doppelstock-Containerzüge ohne die Notwendigkeit von Brunnenwagen aufzunehmen .

Vorteile

  • Keine Exposition der Fahrgäste gegenüber Abgasen der Lokomotive
  • Niedrigere Kosten für Bau, Betrieb und Wartung von Lokomotiven und Triebzügen
  • Höheres Leistungsgewicht (keine Kraftstofftanks an Bord), was zu
    • Weniger Lokomotiven
    • Schnellere Beschleunigung
    • Höhere praktische Leistungsgrenze
    • Höhere Geschwindigkeitsgrenze
  • Weniger Lärmbelästigung (leiserer Betrieb)
  • Eine schnellere Beschleunigung räumt Linien schneller frei, um mehr Züge auf den Gleisen im Stadtbahnverkehr zu fahren
  • Reduzierte Verlustleistung in größeren Höhen (für Verlustleistung siehe Dieselmotor )
  • Unabhängigkeit der laufenden Kosten von schwankenden Kraftstoffpreisen
  • Service zu unterirdischen Bahnhöfen, in denen Dieselzüge aus Sicherheitsgründen nicht verkehren können
  • Weniger Umweltbelastung, insbesondere in dicht besiedelten Ballungsräumen, auch wenn Strom aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird
  • Einfache Rückgewinnung kinetischer Energie durch Bremsen mithilfe von Superkondensatoren
  • Bequemeres Fahren in Triebzügen, da die Züge keine Unterflur-Dieselmotoren haben
  • Teilweise etwas höhere Energieeffizienz durch regeneratives Bremsen und weniger Verlustleistung im „Leerlauf“
  • Flexiblere Primärenergiequelle: Anstelle von Dieselöl können Kohle, Kernenergie oder erneuerbare Energien (Wasserkraft, Sonne, Wind) als Primärenergiequelle verwendet werden
  • Wenn das gesamte Netz elektrifiziert wird, kann die Dieselinfrastruktur wie Tankstellen, Werkhöfe und auch die Diesellokomotivflotte stillgelegt oder anderweitig genutzt werden - dies ist oft der Business Case für die Elektrifizierung der letzten Linien in einem Netz, wo dies nicht der Fall wäre Kosten wären zu hoch. Die Tatsache, dass nur eine Antriebsart vorhanden ist, ermöglicht auch eine größere Flottenhomogenität, was auch die Kosten senken kann.

Nachteile

Die Royal Border Bridge in England , ein geschütztes Denkmal . Das Hinzufügen einer elektrischen Oberleitung zu älteren Strukturen kann bei Elektrifizierungsprojekten teuer werden
Die meisten Oberleitungen lassen keinen ausreichenden Freiraum für ein Doppelstockauto zu . Jeder Container kann 2,90 m (9 Fuß 6 Zoll) hoch sein und der Boden des Schachts befindet sich 0,36 m (1 Fuß 2 Zoll) über der Schiene , wodurch die Gesamthöhe einschließlich des Schachtwagens 6,15 m (20 Fuß 2 Zoll) beträgt.
  • Elektrifizierungskosten: Die Elektrifizierung erfordert den Bau einer völlig neuen Infrastruktur rund um die bestehenden Gleise zu erheblichen Kosten. Die Kosten sind besonders hoch, wenn Tunnel, Brücken und andere Hindernisse zur Räumung verändert werden müssen . Ein weiterer Aspekt, der die Kosten der Elektrifizierung erhöhen kann, sind Änderungen oder Aufrüstungen der Eisenbahnsignalisierung, die für neue Verkehrseigenschaften erforderlich sind, und um Signalisierungsschaltkreise und Gleisstromkreise vor Störungen durch Fahrstrom zu schützen. Die Elektrifizierung kann Leitungssperrungen erfordern, während die neue Ausrüstung installiert wird.
  • Erscheinungsbild: Die Oberleitungsstrukturen und -kabel können im Vergleich zu einer nicht elektrifizierten oder elektrifizierten Strecke der dritten Schiene, die nur gelegentlich oberirdische Signalanlagen aufweist, erhebliche Auswirkungen auf das Landschaftsbild haben.
  • Zerbrechlichkeit und Anfälligkeit: Oberleitungselektrifizierungssysteme können aufgrund geringfügiger mechanischer Fehler oder der Auswirkungen von starken Winden, die dazu führen, dass sich der Stromabnehmer eines fahrenden Zuges mit der Oberleitung verheddert und die Drähte von ihren Halterungen reißt, ernsthafte Störungen erleiden. Die Schäden beschränken sich oft nicht nur auf die Versorgung eines Gleises, sondern erstrecken sich auch auf benachbarte Gleise, wodurch die gesamte Strecke für längere Zeit gesperrt ist. Third-Rail-Systeme können bei kaltem Wetter durch Eisbildung auf der Stromschiene gestört werden.
  • Diebstahl: Der hohe Schrottwert von Kupfer und die unbewachten, abgelegenen Installationen machen Freileitungen zu einem attraktiven Ziel für Schrottdiebe. Versuche, stromführende 25  -kV-Kabel zu stehlen, können mit dem Tod des Diebes durch Stromschlag enden. In Großbritannien gilt Kabeldiebstahl als eine der größten Ursachen für Verspätungen und Störungen im Zugverkehr – obwohl dies normalerweise Signalkabel betrifft, die für Dieselleitungen gleichermaßen problematisch sind.
  • Inkompatibilität: Dieselzüge können auf jedem Gleis ohne Strom oder mit jeder Art von Strom ( dritte Schiene oder Oberleitung , Gleichstrom oder Wechselstrom und bei jeder Spannung oder Frequenz) fahren. Nicht so elektrische Züge, die niemals auf nicht elektrifizierten Strecken fahren können und die selbst auf elektrifizierten Strecken nur mit dem einzigen oder den wenigen elektrischen System(en) fahren können, für die sie ausgerüstet sind. Auch auf voll elektrifizierten Netzen ist es meist sinnvoll, einige Diesellokomotiven für die Wartung und Reparatur von Zügen vorzuhalten, um beispielsweise kaputte oder gestohlene Oberleitungen zu reparieren oder neue Gleise zu verlegen. Aufgrund von Belüftungsproblemen müssen Dieselzüge jedoch möglicherweise aus bestimmten Tunneln und unterirdischen Bahnhöfen verbannt werden, was den Vorteil von Dieselzügen etwas abschwächt.
  • Vögel können sich auf unterschiedlich geladenen Teilen niederlassen, und Tiere können auch das Elektrifizierungssystem berühren. Tote Tiere ziehen Füchse oder andere Raubtiere an, wodurch die Gefahr einer Kollision mit Zügen besteht.
  • In den meisten Eisenbahnnetzen der Welt reicht der Höhenabstand von elektrischen Oberleitungen nicht für einen Doppelstock-Containerwagen oder andere ungewöhnlich hohe Lasten. Es ist äußerst kostspielig, elektrifizierte Strecken auf die richtigen Abstände (21 Fuß 8 Zoll oder 6,60 m) aufzurüsten, um doppelt gestapelte Containerzüge zu befördern.

Elektrifizierung der Welt

Ab 2012 machen elektrifizierte Gleise fast ein Drittel aller Gleise weltweit aus.

Ab 2018 waren 72.110 km (44.810 mi) Eisenbahnen mit 25  kV, entweder 50 oder 60  Hz, elektrifiziert; 68.890 km (42.810 mi) elektrifiziert bei 3 kV DC ; 32.940 km (20.470 mi) elektrifiziert bei 15  kV 16,7 oder 16+23  Hz und 20.440 km (12.700 mi) elektrifiziert bei 1,5 kV DC .

Das Schweizer Schienennetz ist das größte vollständig elektrifizierte Netz der Welt und eines von nur zweien, die dies erreichen, das andere ist Armenien. China hat mit knapp über 70 % des Netzes die größte elektrifizierte Eisenbahnlänge. Eine Reihe von Ländern hat eine Elektrifizierungslänge von Null.

Mehrere Länder haben Pläne zur Elektrifizierung des gesamten oder des größten Teils ihres Schienennetzes angekündigt, darunter Indian Railways und Israel Railways .

Siehe auch

Verweise

Quellen

Englisch

Russisch

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Externe Links