Elektrificatiesysteem

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Elektrificatie is het voorzien van een (rail)voertuig van continue elektrische voeding door middel van een bovenleiding of een derde rail. De term wordt ook gebruikt voor het aanbrengen van een dergelijke voorziening.

Er kan gelijkspanning of wisselspanning toegepast worden. Daarnaast is er de keuze van het voltage. Over het algemeen heeft de gebruikte voedingsspanning te maken met het vermogen van de motor van een voertuig. Zo worden trams en trolleybussen gevoed met 600 of 750 volt gelijkspanning, bij metrostellen kan deze waarde tot 1500 volt oplopen en bij de spoorwegen tot 25 000 volt wisselspanning. De oorzaak daarvoor ligt in een natuurkundige wet, die door de formule P = U * I uitgedrukt wordt. Hierbij staat P voor vermogen, U voor spanning en I voor stroomsterkte. Hoe hoger de spanning, hoe kleiner de stroom voor een gegeven vermogen. Bij lagere stroom kan men dunnere draden gebruiken, wat goedkoper is. Bovendien is het spanningsverlies in de leidingen dan kleiner.

Onderstation te Wijhe

Trein[bewerken]

De verschillende elektrificatiesystemen in Europa

██ 750 V gelijkspanning op derde rail

██ 3 kV gelijkspanning

██ 1,5 kV gelijkspanning

██ 15 kV wisselspanning

██ 25 kV wisselspanning

Treinen worden meestal gevoed met een bovenleiding, waarbij de retourstroom via de rails terugstroomt naar het onderstation. In feite zijn er vier belangrijke systemen:

  • gelijkstroom
  • draaistroom (drie fasen)
  • eenfasige wisselstroom met een lage frequentie (16⅔ of 25 Hz)
  • eenfasige wisselstroom met een normale frequentie (50 of 60 Hz)

De eerste drie systemen zijn ontwikkeld voor de Eerste Wereldoorlog. Het systeem met wisselstroom op normale lichtnetfrequentie is in het Interbellum ontwikkeld en pas na de Tweede Wereldoorlog grootschalig toegepast. Het wordt nu gezien als het ideale stroomsysteem.

Driefasige wisselspanning[bewerken]

Draaistroomvoeding, driefasige wisselspanning, werd in 1894 ontwikkeld door de Hongaarse ingenieur Kálmán Kandó op basis van de uitvindingen van Nikola Tesla. De eerste toepassing in de praktijk was de stadstram in Evian-les-Bains. De grootschalige toepassing volgde in 1902 op de Valtellina spoorlijn, de eerste geëlektrificeerde spoorlijn ter wereld, tussen Lecco en Sondrio/Chiavenna in Noord-Italië. Bij dit systeem wordt er gebruikgemaakt van een dubbele bovenleiding (fasen 1 en 2) en de rails (fase 3). De bovenleidingen en pantografen voor dit systeem zijn daardoor gecompliceerd. Deze dubbele bovenleiding werd onder andere gebruikt in Italië tot 1976, maar wordt tegenwoordig nauwelijks meer toegepast. Bij de Jungfraubahn (JB) en Gornergratbahn (GGB) in Zwitserland wordt driefasige wisselspanning nog steeds gebruikt. Ook in "La Rhune", een tandradlijn aan de grens met Spanje, wordt dit systeem toegepast. Behalve de ingewikkelde bovenleiding, was ook het beperkte aantal snelheidstrappen een nadeel. In Italië bijvoorbeeld konden de locomotieven voor goederentreinen alleen maar 25 of 50 km/h rijden en locomotieven voor reizigerstreinen alleen 37½, 50, 75 en 100 km/h. De reden dat ondanks deze nadelen het driefasensysteem toch werd toegepast is dat de als tractiemotoren toegepaste draaistroommotoren verhoudingsgewijs krachtig en compact zijn ten opzichte van gelijkstroommotoren of seriewikkelingsmotoren.

De driefasenaandrijving wordt tegenwoordig weer veel toegepast, echter zonder de compliceerde bovenleiding. Dankzij de toepassing van moderne vermogenselektronica kan de draaistroom in de trein zelf worden opgewekt uit de gelijkspanning of de eenfasige wisselspanning, waarmee alle voordelen van draaistroom gebruikt kunnen worden. De spanning en frequentie zijn hierbij traploos regelbaar zodat het probleem van het geringe aantal snelheidstrappen is vervallen. De eerste lokomotief die draaistroom opwekte uit eenfasige wisselspanning was de testlokomotief Be 4/4 12001 van de SBB in 1972. In 1979 volgde de serie 120 van de Deutsche Bundesbahn. Inmiddels is dit de gangbare aansturing van elektrische treinen.

Gelijkspanning[bewerken]

1,5 kV gelijkspanning[bewerken]

Nederland[bewerken]
Elektrificatie Nederlandse spoorlijnen

██ 1500 V gelijkspanning

██ 25 kV, 50 Hz wisselspanning

██ 3000 V gelijkspanning

██ 15 kV, 16,7 Hz wisselspanning

██ niet geëlektrificeerd

De eerste Nederlandse elektrische spoorlijn was de lijn Rotterdam HofpleinScheveningen / Den Haag HS van de ZHESM (Zuid-Hollandsche Electrische Spoorweg-Maatschappij), geopend in 1908. Deze lijn werd met 10 000 volt wisselspanning geëlektrificeerd.

In 1924-'27 werd de Hollandse/Oude Lijn (AmsterdamHaarlemLeidenDen Haag HSDelftSchiedamRotterdam) geëlektrificeerd met 1500 volt gelijkspanning, met een marge van +20% en -10%. Vanaf de jaren dertig werd een groot deel van de spoorwegen in Nederland geëlektrificeerd met dit systeem. In 2003 was 73,43% van het Nederlandse spoorwegnet geëlektrificeerd (2064 van de 2811 kilometer).

Nuvola single chevron right.svg Zie ook: Elektrificatie van spoorlijnen in Nederland

Destijds heeft men gekozen voor 1500 volt gelijkspanning omdat de techniek van het gelijkrichten niet zover was gevorderd. Door het ontbreken van geschikte isolatiematerialen was het vroeger ook moeilijker om motoren met een hogere spanning dan 675 / 750 volt in te bouwen (twee motoren werden in serie geschakeld) vanwege de toename van gewicht en formaat in een draaistel. Nadeel van deze lage spanning is dat er grote stromen afgenomen worden, wat weer als gevolg heeft dat het spanningsverlies fors op kan lopen. Er zijn veel voedingsstations (om de 4 tot 15 kilometer) en een dubbele bovenleidingdraad nodig om dat enigszins tegen te gaan. Als de stroomsterkte toch te hoog wordt door zware optrekkende treinen binnen dezelfde spanningssectie, kan de spanning inzakken. Als de stroomsterkte boven de 4 kA (kiloampère) uitkomt (bij 1800 volt betekent dat een vermogen van meer dan 7200 kW), wordt de stroom in het onderstation uitgeschakeld om overbelasting te voorkomen.

In de jaren negentig van de 20e eeuw werd de (onbelaste) uitgangsspanning van de onderstations verhoogd naar 1800 volt (dat is dus precies op de maximaal toegestane spanning volgens de 1500V + 20% norm) door de vervanging van kwikdampgelijkrichters door siliciumgelijkrichters in de onderstations. Bijkomend voordeel was dat de steeds sterkere treinen op het steeds drukker wordende net beter gevoed konden worden.

In de stations Venlo, Emmerich en Bad Bentheim zijn sporen die omgeschakeld kunnen worden tussen 1500 V gelijkspanning en de Duitse 15 kV wisselspanning (zie Spanningssluis#Wisselen van locomotief). De toeleidende baanvakken naar Bad Bentheim en Emmerich zijn op Duits gebied dus voorzien van het 1500 volt-systeem met dubbele rijdraad.

Het Franse spoornet

██ hoge snelheid, 25 kV ~

██ 25 kV ~

██ 1,5 kV =

██ Niet geëlektrificeerd

Frankrijk[bewerken]

In Frankrijk worden 1500 V gelijkspanning en 25 kV wisselspanning gebruikt.

Groot-Brittannië[bewerken]

In delen van Engeland is dit systeem tot in de jaren 1980 gebruikt, onder meer op de Woodhead Line, waar de elektrische locomotieven serie 27000 na de sluiting overbodig werden en als NS 1500 naar Nederland werden gehaald. Alleen de Tyne and Wear Metro gebruikt nog 1500 V.

3 kV gelijkspanning[bewerken]

België[bewerken]

Op 1 december 1931 werd de eerste elektrificatie doorgevoerd op de (inmiddels opgebroken) lijn Brussel-Tervuren met een bovenleiding van 1500 V gelijkspanning.

In 1935 werd de elektrificatie doorgevoerd tussen Brussel en Antwerpen. Van toen af werd er voor een bovenleidingspanning van 3000 V gelijkspanning gekozen. Ook in Italië, Spanje en delen van Oost-Europa wordt deze toegepast.

Tegenwoordig is in België de bovenleidingspanning verhoogd van 3000 naar 3300 V.

In 2003 worden alle Belgische spoorlijnen met 3000 V gevoed behalve op:

  • lijnen waarop met dieseltractie gereden wordt:
    • Mol – Hasselt
    • Herentals – Neerpelt
    • Gent Dampoort – Eeklo
    • De Pinte – Oudenaarde – Ronse
    • Melle – Zottegem – Geraardsbergen
    • Aalst - Burst
    • Charleroi Sud – Couvin
    • Bertrix – Libramont
    • Libramont – Bastogne Nord (nu buiten dienst)
  • lijnen met een hogere spanning van 25 kV wisselspanning:
    • Halle – Franse Grens (HSL 1)
    • Leuven – Luik (HSL 2)
    • Luik - Duitse grens (HSL 3)
    • Antwerpen - Nederlandse grens (HSL 4)
    • Dinant – Athus
    • Arlon - Athus
    • Rivage – Gouvy


Wisselspanning met een lage frequentie[bewerken]

De Deutsche Bahn bezit een eigen hoogspanningsnet (110 kV met een frequentie van 16,7 hertz)

Eenfasige wisselspanning met een lage frequentie komt in Europa voor in de vorm van 15 000 V (15 kV) met een frequentie van 16⅔ hertz. Dit spanningstype combineert het voordeel van wisselspanning (makkelijker transformeren) met de mogelijkheid om de stroom te kunnen gebruiken op gelijkstroommotoren. Bij gelijkstroommotoren, waarvan zowel de spanning van de stator als rotor veranderd kan worden, zal de draairichting niet veranderen. Bij een gewone frequentie van 50 Hz zou er echter wel een behoorlijke vonkvorming ontstaan. Daarom gebruikt men een lagere frequentie. In Europa is dat 16⅔ Hz en in de Verenigde Staten komt 25 Hz voor. In 1912 is in Duitsland 16⅔ Hz als standaard aangenomen. Op 16 oktober 1995 is de frequentie op een deel van het net verhoogd naar 16,7 Hz.

Het 15 kV 16⅔ Hz-systeem komt voor in Duitsland, Noorwegen, Oostenrijk, Zweden en Zwitserland. Een groot nadeel ten opzichte van andere stroomsystemen is, dat wisselspanning met een lage frequentie niet direct betrokken kan worden uit het openbare elektriciteitsnet. In Duitsland heeft de Deutsche Bahn (DBAG) daarom eigen elektriciteitscentrales (Bahnkraftwerke) om wisselspanning met deze afwijkende frequentie op te wekken. In Zweden, Noorwegen en delen van Duitsland wordt met behulp van draaiende omvormers 16⅔ Hz uit het landelijke 50 Hz-net gehaald. Een elektromotor die gevoed wordt uit het openbare elektriciteitsnet (50 Hz), drijft dan een generator aan die een wisselspanning met een frequentie van 16,7 Hz produceert.

Wisselspanning met een lage frequentie wordt tegenwoordig gezien als ouderwets. Echter, omdat het systeem, in tegenstelling tot gelijkspanning, nauwelijks beperkingen met zich meebrengt, is er op de korte termijn geen noodzaak tot ombouw naar 25 kV met een frequentie 50 Hz.

Nederland[bewerken]

In Nederland is eenfasige wisselspanning met een lage frequentie toegepast tussen 1908 en 1923 door spoorwegmaatschappij ZHESM op de Hofpleinlijn. In Leidschendam had de ZHESM een eigen elektriciteitscentrale die de bovenleiding van 10 000 V wisselspanning met een frequentie van 25 Hz voorzag.

Eenfasige wisselspanning met een normale frequentie[bewerken]

Eenfasige wisselspanning met een normale frequentie (frequentie van het lichtnet) komt in Europa meestal voor in de vorm van 25 000 V (25 kV) met een frequentie van 50 Hz. In Zuid-Afrika wordt 50 kV/50 Hz gebruikt en in het verleden kwam in Groot-Brittannië op sommige lijnen 6250 V/50 Hz voor. In Japan en de Verenigde Staten komen spanningen voor met een frequentie van 60 Hz, de frequentie van het lichtnet aldaar.

De experimentele V50 uit 1923

In 1923 experimenteerde Kálmán Kandó, inmiddels directeur van Ganz, met een Eloc, de V50, voor de normale frequentie. Hij gebruikte op het emplacement in Boedapest een spanning van 16 kV. Na de Tweede Wereldoorlog is men o.a. in Frankrijk 25 kV gaan gebruiken. Transformatoren waren toen compact genoeg om ze in een locomotief te installeren. Bovendien kwamen toen siliciumgelijkrichters beschikbaar, die in locomotieven geïnstalleerd konden worden, terwijl dat met de tot dan toe gebruikelijke kwikbooggelijkrichters niet mogelijk was. In feite is het 25 kV-systeem dan ook hetzelfde als het gelijkstroomsysteem, met dat verschil dat de locomotief of het treinstel nu zijn eigen transformator en gelijkrichter meeneemt. Er blijven wel transformatoren langs het spoor (onderstations) nodig die de hoogspanning omzetten in 25 kV, maar dat zijn er beduidend minder. Om de 40 à 50 kilometer is een onderstation nodig. In 25 kV bovenleiding is tussen de bovenleidingen van de verschillende onderstations een fasescheiding nodig. Het kan namelijk zijn dat het ene onderstation in een andere fase is dan het andere onderstation. Als een trein met beide onderstations in contact staat, kan er schade ontstaan door kortsluiting.

Net als bij 15 kV-wisselspanning zijn de verliezen op de leidingen gering, kan het koperoppervlak van de bovenleidingdraden door de geringe stroomsterkte klein zijn en kunnen de treinen veel vermogen leveren en hoge snelheden halen. Een belangrijk voordeel ten opzichte van 15 kV wisselspanning met een frequentie van 16⅔ Hz is dat het veel makkelijker te verkrijgen is. Wisselspanning met een frequentie van 50 Hz wordt in Europa namelijk opgewekt in gewone elektriciteitscentrales.

België[bewerken]

Een 400kV onderstation nabij Parijs om de hogesnelheidslijn te voeden

In België wordt 25 kV sinds 1997 gebruikt op de hogesnelheidslijn naar Frankrijk (HSL 1) en sinds 2002 op de HSL tussen Leuven en Luik (HSL 2). Sinds 2009 zijn hier de HSL 3 (Chênée - Duitse grens) en HSL 4 (Antwerpen-Centraal – Nederlandse grens) bijgekomen.

Ook op twee vernieuwde spoorlijnen naar het Groothertogdom Luxemburg is 25 kV geïnstalleerd. Het betreft hier de lijn Luik – Luxemburg die tussen Rivage en Gouvy geëlektrificeerd is met 25 kV en de Athus-Meuselijn (Dinant – Athus), de belangrijke goederencorridor naar Luxemburg, is ook geëlektrificeerd met 25 kV. De reizigerstreinen op dit laatste traject worden overigens nog met dieseltractie gereden, dit omdat NMBS nog niet beschikt over 25 kV-treinstellen met lage capaciteit die overeenstemt met het beperkte reizigersvervoer op die lijn.

Nederland[bewerken]

25 kV wordt in Nederland gebruikt op de HSL-Zuid en de Betuweroute.

Af en toe duikt in Nederland de discussie op of er moet worden overgeschakeld op 25 kV 50 Hz. Gezien de enorme investeringen in infrastructuur en nieuwe treinen dan wel ombouw daarvan, en de enorme kosten die gemoeid zijn met tijdelijke situaties is het niet waarschijnlijk dat dit (op korte termijn) gaat gebeuren. De nieuwste bovenleiding (type B4) en treinstellen (V-IRM) zijn al wel voorbereid op toekomstig gebruik met 25 kV.

Metro[bewerken]

Metro's rijden overal ter wereld elektrisch. Hiervoor wordt meestal een derde rail gebruikt met een spanning van 750 V gelijkspanning. De rail heeft een isolerende kap in de vorm van een omgekeerde U, waardoor het aanrakingsgevaar vrij gering is, en de spanning wordt dus afgenomen met een sleepcontact aan de onderzijde van de rail. Bij de Brusselse metro wordt 900 V gebruikt. In Napels en metrosystemen van sommige andere steden bedraagt de voedingsspanning zelfs 1500 V. Bij sommige oudere metrobedrijven in Europa gaat het sleepcontact langs de zijkant of zelfs langs de bovenzijde van de stroomrail waardoor het gevaar van aanraking toeneemt. Ook zijn er enkele metrobedrijven met bovenleiding in plaats van derde rail. Ook de Amsterdamse Noord/Zuidlijn zou uit veiligheidsoverwegingen worden voorzien van bovenleiding in plaats van derde rail, maar daar is later vanaf gestapt.

De metro van Londen gebruikt naast een derde, ook een vierde rail voor de voeding. De ene rail ligt in het midden tussen de rails waarover de wielen rijden, en de andere opzij, links of rechts. Op beide stroomrails staat gelijkspanning, -210 V op de rail in het midden en +420 V op de buitenste rail. Hierdoor rijdt de Londense metro op 630 V gelijkspanning. De spanningsrails hebben geen bescherming tegen aanraking, ze zijn uiterlijk nauwelijks te onderscheiden van de rails waarop de wielen rijden. De spanning wordt aan de bovenzijde van de rails afgenomen. Er is dus een groot aanrakingsgevaar voor iemand die zich langs het spoor bevindt of van het perron valt.

De spoorwegen in Zuid-Engeland gebruiken een enkele rail, opzij van het spoor. Evenals bij de Londense metro is dit een aanraakgevaarlijke rail, waarbij de spanning aan de bovenzijde wordt afgenomen. Wel geldt dat de rail in de stations nooit aan de kant van het perron ligt.

Tram[bewerken]

Trams rijden tegenwoordig vrijwel overal elektrisch en worden gevoed door een bovenleiding met 600 V of, bij de nieuwe systemen, 750 V gelijkspanning (uitzonderingen daargelaten). Interlocale tramwegen hadden vroeger ook een hogere bovenleidingspanning (bijvoorbeeld de Blauwe Tram en de Gele Tram, die op 1200 V reden). Het gelijkrichten van de spanning gebeurde vroeger met kwikdampgelijkrichters.

In Bordeaux is sinds eind 2003 een tramnet in gebruik waar de trams in het centrum gevoed worden door een derde rail in het wegdek tussen de rails. Om elektrocutie te voorkomen staat deze derde rail door een ingenieus systeem alleen onder spanning als er een tram boven rijdt. Deze oplossing is gekozen omdat men vond dat bovenleiding te ontsierend zou zijn voor het historische stadsbeeld. Het systeem werkt als volgt: Er zijn drie stroomafnemers onder elke tram, deze staan in contact met de middenrail die steeds over een lengte van 8 meter onder spanning wordt gezet. Dit is een dubbele koperen strip. Elke 10 meter heeft een APS (Alimentation Par Sol) voedingskast. Er is 1 meter isolatie voor en na de kast om de vorming van vonken tijdens uitschakelen van de 750V te verminderen. Dit systeem van onder-spanning zetten, per sectie van 8 meter, gebeurt door een PLC die de in het wegdek ingebouwde 750V-schakelaars bedient. In het wegdek zitten elke 10 meter schakelkasten waar de schakelaars en elektronica zijn ingebouwd die weten waar de tram rijdt en dus alleen de 8 meter secties bekrachtigen onder de tram. De APS-boxen blijken de zwakste schakel in het hele tramsysteem doordat de deksels niet waterdicht zijn. Dus bij regen komen de vonken uit de APS-kasten en stoppen de trams. In de buitenwijken heeft dit tramsysteem een bovenleiding. De trams zijn uitgerust met een stroomafnemer die plat op het tramdak ligt en indien er gereden wordt met bovenleiding, dan is de afnemer geactiveerd en staat omhoog.

Trolleybus[bewerken]

Trolleybussen worden gevoed door een dubbele rijdraad met 50 à 60 cm ruimte tussen de draden. De spanning is 600 of, bij de nieuwe systemen, 750 V gelijkspanning. De rijdraad aan de trottoirzijde is negatief en de rijdraad aan de 'straatzijde' is positief.

Zie ook[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties