Evropa pod měděnou pavučinou aneb souboj střídavého a stejnosměrného proudu

Obyčejnému cestujícímu je to jedno. Buď jeho vlak veze lokomotiva na naftu, nebo na elektřinu. Zasvěcení však vědí, že ve druhém případě není elektřina jako elektřina. Aby jedna lokomotiva mohla projet byť jen ze severu na jih České republiky (o Německu či Rakousku nemluvě), musí zvládnout napájení stejnosměrným i střídavým proudem. Nad touto anomálií naší železniční sítě leckdo kroutí hlavou, přičemž většinou vysloví řečnickou otázku: Jak může mít tak malý stát dvě napájecí soustavy? Pokud si podobnou otázku kladete také, zveme vás na krátký výlet do historie elektrické trakce.

Siemens a Edison lobbovali za své továrny

V době, kdy se začalo uvažovat o využití elektrické energie k pohybu kolejových vozidel, znali elektrotechnici konce 19. století dobře princip stejnosměrného proudu protékajícího mezi kladným a záporným pólem. Do tohoto uspořádaného stejnosměrného světa ale vstoupil objev střídavého proudu, jehož zmatečné změny napětí mezi maximální kladnou a zápornou hodnotou (známá sinusoida) byly zpočátku považovány za módní výstřelek. K tomuto názoru se přikláněli i dva známí vynálezci té doby Siemens a Edison, kteří kromě technických argumentů měli také důvody obchodní. Byznys jejich firem byl postaven na dokonale zvládnuté stejnosměrné technologii, kterou dodávaly také první elektrárny.

V roce 1879 proto Werner Siemens představil na Průmyslové výstavě v Berlíně jednu z prvních použitelných elektrických lokomotiv. Na třísetmetrovém okruhu svezla miniaturní lokomotiva rychlostí 7 km/h během několika dní přes 80 tisíc lidí. A poháněna byla pochopitelně stejnosměrným proudem. Základ elektrizace železnic byl položen, a přestože bylo zřejmé, že stejnosměrný proud bude vzhledem ke svým ztrátám při přenosu a nutností budovat množství napájecích stanic velice drahou variantou, euforie z objevu mnohem efektivnějšího pohonu oproti kralující páře tyto nedostatky vynahradila.

Střídavá revoluce přišla z Uherského království

Přestože byly výhody střídavého proudu čím dál patrnější (proti svému rivalovi se prosazoval zejména takřka bezeztrátovým přenosem i na velké vzdálenosti), k opravdovému průlomu mu chyběl spolehlivý, jednoduchý a levný elektromotor. Rozhodující obrat přinesl vícefázový systém a asynchronní motor. Nezávisle na sobě ho vynalezli Galileo Ferraris a Nikola Tesla. Třífázový přenos energie a průmyslově použitelný asynchronní motor byly vystaveny na frankfurtské Mezinárodní elektrotechnické výstavě v roce 1891. Význam tohoto objevu pro využití na železnici si uvědomil maďarský elektrotechnik Kálmán Kandó pracující pro firmu Ganz. V roce 1896 vybudoval 800 metrů dlouhou zkušební dráhu, na které prováděl trakční zkoušky.

Byl to odvážný počin v době, kdy stejno­směrné tramvaje a elektrické dráhy dobývaly evpropské metropole. Jeho snaha se zúročila již rok poté, kdy firma Ganz jako jediná z oslovených předních společností představila funkční projekt na využití střídavého proudu dodávaného vodní elektrárnou pro elektrizaci Valtellinské dráhy na severu Itálie. Bylo k tomu sice zapotřebí tří vodičů (jedním byly samotné koleje a dva byly zavěšeny na sloupech nad dráhou), ale tento systém se výborně osvědčil. Bylo jím elektrifikováno více než tisíc kilometrů alpských tratí.

Expanze střídavého systému v šedesátých letech

Systémem Kandó byla vybavena také dráha vedoucí známým Simplonským tunelem. Tehdy šlo o napájení střídavým proudem z vysokonapěťových přenosových soustav o napětí 22 tisíc voltů, které bylo transformováno na 3 tisíce voltů. Kandó ale nebyl zcela spokojen a rozhodl se zkonstruovat lokomotivu, která bude využívat průmyslové vysoké napětí 16 kV o frekveci 50 Hz. To by totiž znamenalo odstranění dvou přenosových soustav a trolej by mohla být napájena přímo z běžné sítě bez drahých transformátorových stanic. To se mu podařilo a v roce 1928 bylo rozhodnuto, že trať Budapešť – Hegyeshalom bude elektrifikována střídavým systémem 16 kV/50 Hz.

Přes všechny úspěchy se zdálo, že tento střídavý systém ale zůstane jen ve své domovině. V šedesátých letech 20. století ovšem došlo v silnoproudé elektrotechnice k zásadnímu obratu. Rozvoj polovodičové techniky umožnil výrobu měničů proudu na třífázový proud s proměnnou frekvencí a střídavý proud po desítkách letech vyhrál technologický souboj nad svým starším protivníkem. Maďarská střídavá napájecí soustava 25 kV o frekvenci 50 Hz se tak prosadila nejen v Maďarsku, ale také v jižní části Československa, v Bulharsku, Rumunsku, Portugalsku, častečně i v SSSR a ve Francii. Nebylo to však vítězství jednoznačné, protože historie na tento objev nečekala a prosadil se i proud stejnosměrný.

Větší náklady na vozidla nebo na infrastrukturu?

Z výše uvedeného je patrné, že handicapem stejnosměrné napájecí soustavy je nákladnost její infratruktury, která je složitější a průřez vodičů trakčního vedení mnohem větší. S tím souvisí větší potřeba mědi a dimenzování nosných lan a stožárů pro vyšší hmotnost. Kvůli velkým ztrátám při přenosu musí být budovány měnírny v poměrně krátkých rozestupech (asi 25 km). Má však nezpochybnitelnou výhodu. Velmi zjednodušeně lze říci, že stejnosměrný proud jde do lokomotivy připravený ke spotřebě v jejích trakčních motorech. To usnadňu­je práci konstruktérům a stejnosměrné lokomotivy byly (a jsou) mnohem jednodušší, lehčí i lacinější. V pionýrských do­bách elektrizace to byl důvod, proč se řada zemí rozhodla právě pro stejnosměrný proud. Mezi ně patřily například Itálie (paradoxně i přes dobré zkušenosti se systémem Kandó z počátku 20. století), Polsko, Španělsko nebo Belgie.

Francouzsko-německé kočkování

Také Francouzi zpočátku vsadili na stejnosměrný proud. V zemi galského kohouta však do této volby zasáhli kromě techniků i politici. Po první světové válce, ve které Francie a Německo stanuly proti sobě, chtěli Francouzi Němcům v dalším potenciálním střetnutí znesnadnit válečnou logistiku v případě vstupu na jejich území. A protože němečtí konstruktéři se již dříve zhlédli ve střídavé napájecí soustavě 15 kV o frekvenci 16 a 2/3 Hz, začaly být francouzské železnice elektrifikovány stejnosměrným proudem o napětí 1 500 V. Z historie víme, že toto opatření nakonec nebylo ve válce vůbec rozhodující a naopak Francie si jakožto budoucí železniční velmoc přidělala práci. Postupem času se totiž ukázalo, že volba systému i napětí neskýtá dostatečnou výkonovou rezervu pro budoucnost a dnes je část Francie elektrifikována střídavým systémem 25 kV/50 Hz. Mimochodem, k tomuto rozhodnutí přispěli paradoxně opět Němci, kteří ve 30. letech zkušebně elektrifikovali schwarzwaldskou horskou dráhu Freiburg (Breisgau) – Neustadt (Schwarzwald) trakční soustavou 20 kV/50Hz. Tato trať spadala po válce do francouzského okupačního pásma a vynikající zkušenosti s tímto systémem přiměly Francouze k zamyšlení, zda by nebylo výhodnější přeorientovat se na střídavý proud. A nakonec se tak skutečně stalo.

Československo na cestě k rozsáhlé elektrifikaci

Francie byla pro meziválečné Československo do značné míry nejen spojencem, ale i technickým vzorem. Proto by­la v roce 1926 zahájena postupná elektrizace pražského uzlu stejnosměrným napájením s napětím 1 500 voltů s plánem dostat se s elektrickou trakcí až do Plzně. První elektrické vlaky, ovšem jen po pražských spojkách, se rozjely o dva roky později. Elektřina v běžném provozu však nijak zvlášť nenadchla, snad také proto, že tehdejší zásoby v uhelných pánvích se zdály být nevyčerpatelné a podle mnoha vysokých úředníků tehdejších železnic prostě pořádná mašina musela kouřit.

Krátce po druhé světové válce byl ale v Československu přijat rozsáhlý elektrifikační program. Přestože byla ještě v průběhu války zpracována studie o elektrifikaci hlavních tahů počítající s německým střídavým systémem 15 kV, 16 a 2/3 Hz, rozhodnutí z května 1946 stanovilo napájecí systém jako stejnosměrný o napětí 3 kV. Výstavba šla však pomaleji, než se očekávalo, a tak se ještě v roce 1953 vášnivě diskutovalo o realizovatelnosti elektrifikace s ohledem na „kvalitu“ národní elektrické sítě. Přesto se elektrické vlaky rozjely na sklonově náročné Štrbské rampě, kde byl zkušební provoz zahájen 15. dubna 1955 v úseku Liptovský Mikuláš – Král’ova Lehota. V listopadu 1957 (u příležitosti 40. výročí VŘSR) projel slavností vlak i po trati z Prahy do České Třebové. Pravidelný elektrický provoz byl ale fakticky zahájen až s odstupem několika měsíců. Po počátečním přešlapování se elektrizace rozjela naplno a v následujících letech se měděná pavučina stejnosměrné soustavy rozprostřela nad hlavními tratěmi v severní polovině republiky. V letech 1961 až 1970 vyrostlo trakční vedení v průměru na 150 kilometrech tratí ročně.

V roce 1959 jsme se přiklonili k sovětskému vzoru

Zdálo se, že v Československu se budou prohánět výhradně stejnosměrné vlaky, což svým doporučením stvrzovala také odborná skupina tehdejšího ministersva dopravy. Nezávisle na ní však pro tehdejší vládu zpracovávali studii i odborníci ze Sovětského svazu a jejich závěr zavést v naší zemi střídavou napájecí soustavu opět pozměnil železniční historii. Stalo se tak 8. dubna 1959, a to formou vládního usnesení. Komunistická strana rozhodla, že projekty elektrifikace jižní poloviny země budou počítat se střídavou soustavou o napětí nejprve 20 kV, později (na základě zkušebního provozu) 25 kV s frekvencí 50 Hz. Oficiálním odůvodněním byla výrazná úspora mědi.

Poprvé se u nás střídavá elektrická lokomotiva rozjela 9. října 1963 mezi Plzní a stanicí Horažďovice předměstí. Ve srovnání s počátečními problémy při zavádění stejnosměrné infrastruktury postupovala bez větších obtíží. Prvním místem styku obou soustav se stala v roce 1966 stanice Kutná Hora hlavní nádraží, kde docházelo k výměně stejnosměrných lokomotiv za střídavé a opačně. Tento proces, byť díky nasazení dvousystémových lokomotiv v omezené míře, trvá dodnes. V dalších šesti případech je styk napájecích soustav řešen místem na širé trati (vyjma stanice Nedakonice), kde už je využití vícesystémové lokomotivy nevyhnutelné.

Střídavá trakce potvrdila v běžném provozu své hlavní výhody – výkon a jednoduchost. To se ale netýkalo střídavých lokomotiv, které byly oproti svým stejnosměrným konkurentkám technicky složitější, těžší a hlavně dražší. Za jednu střídavou lokomotivu se dokonce daly pořídit dvě stejnosměrné. Tato ekonomická výhoda stejnosměrného systému a také zahájení výroby dvousystémových lokomotiv v 70. letech (kterých ale nikdy nebyl dostatek) znamenaly, že anomálie v podobě dvou napájecích systémů i v tak malé zemi, jako bylo Československo, zůstala zachována.

Moderní vozidla zvládnou vše

Současný pohled na věc ukazuje na mnohem větší perspektivu u střídavých napájecích systémů, které podávají v moderních lokomotivách lepší výkony. Většina nových vysokorychlostních tratí je proto stavěna se střídavým napájením 25 kV/50 Hz (Itálie, Francie, Španělsko, plánuje i Nizozemí). Některé země dokonce uvažují o zrušení stejnosměrných systémů a přechodu na čistě střídavý provoz. Patří k nim i sousední Slovensko, kde se ale náklady na takovou akci počítají v řádech miliard eur, což podobný záměr odsunuje do neurčita.

Mnohem menší zájem na změnách současného stavu mají dopravci z důvodu po léta budovaného parku vozidel pro konkrétní napájecí soustavu. Navíc výrobci moderních vozidel povětšinou nabízejí své lokomotivy či jednotky ve vícesoustavové verzi, která je sice dražší, ale řeší dilema, kde může být vozidlo nasazeno dnes a kde třeba v polovině své životnosti. Je paradoxní, že současní elektrotechnici museli najít odpověď na otázku, se kterou pravděpodobně Edison, Siemens, Tesla ani Kandó nepočítali – jak zajistit plynulý provoz, prosadí-li se několik napájecích systémů najednou. Nemějme jim to ale za zlé, vždyť klání mezi stejnosměrným a střídavým proudem přineslo pokrok, díky němuž patří železnice mezi nejprogresivnější dopravní prostředky světa. 

Střídavá soustava

Plusy +

1. Trolejové vedení vyžaduje přibližně jen třetinu vodivých materiálů a umožňuje větší vzdálenost mezi podpěrnými ocelovými konstrukcemi; není třeba zesilovací postranní vedení.

2. Napájecí stanice jsou od sebe vzdáleny asi 50 km.

3. K napájení je potřeba pouhá transformace z vedení 110 kV na 25 kV.

4. Pokryje energetickou náročnost moderních vozidel.

Minusy -

1. Vozidla mají vyšší hmotnost (těžký transformátor je jejich součástí).

2. Dražší a technologicky složitější.

Stejnosměrná soustava

Plusy +

1. Vozidla jsou lehčí, principiálně jednoduchá a mají nižší pořizovací náklady.

2. Bezproblémová rekuperace.

Minusy -

1. Nutnost přenášet velké proudy.

2. Vodiče o větším průměru – vyšší hmotnost trakčního vedení.

3. Vysoký přítlak sběrače pro přenos vysokých proudů.

4. Nezbytnost drahých měníren pro napájení.

5. Velké přenosové ztráty – měnírny jsou od sebe vzdáleny asi 20 km.

6. Problémy s bludnými proudy.

7. Nemožnost výrazně zvyšovat napětí a tím i výkon vozidel.