Wie der Titel besagt, warum wird in der Bahnindustrie der Großteil der dritten Linie oder Freileitung der Eisenbahn in Gleichspannung und nicht in Wechselspannung betrieben? Meine anfängliche Vermutung wäre, dass es sich um Wechselstrom handelt, da es einfacher ist, Wechselstrom über große Entfernungen zu verteilen. Ich weiß, dass es einige Freileitungen mit 25 kV Wechselstrom gibt, aber die meisten sind 600-750 V Gleichstrom.

EDIT: Ich habe diesen Artikel gefunden, der den Unterschied ein wenig erklärt, aber er erklärt immer noch nicht, warum die Mehrheit DC ist.

Eisenbahninfrastruktur ist teuer. Es ist relativ selten, völlig neue Gleise zu erstellen. Wenn Sie dies tun, entsprechen diese meistens den technischen Normen der vorhandenen Gleise (Spurweite usw.), um Flexibilität bei der Nutzung von Fahrzeugen usw. zu ermöglichen.

Daher wurden im 19. Jahrhundert Entscheidungen über die Elektrifizierung getroffen (z. B. 1890 in London). Zu diesem Zeitpunkt war die Drehzahlregelung großer Motoren für Gleichstrom wahrscheinlich einfacher als für Wechselstrom, bei dem die Drehzahl mit der Wechselstromfrequenz verknüpft ist.

Auch zu dieser Zeit hatte die Gleichstromverteilung Vorteile gegenüber Wechselstrom.

Nachfolgende technologische Revolutionen werden im Allgemeinen durch die Notwendigkeit behindert, die Rendite sehr langfristiger Investitionen in große Infrastrukturen zu maximieren.

Ein interessanter Fall ist das Londoner Thameslink, in dem Züge für den nördlichen Teil der Reise mit 25 kV Wechselstrom und für den Teil der Fahrt südlich des Bahnhofs Farringdon mit 750 V Gleichstromgleisen der dritten Schiene betrieben werden. Die Kosten für die Einführung einer inkompatiblen Infrastruktur können erheblich sein.

Dies ist eigentlich eine sehr interessante Frage der Leistungselektronik; Keine der Antworten hat alle wichtigen Punkte getroffen:

Antriebsseitige Perspektive

Unabhängig davon benötigen wir Gleichstrom, um Motoren anzutreiben

• Bevor Transistoren zur Aktivierung von Wechselrichtern (Thyristoren und IGBTs) verfügbar waren, war die einzige effektive Möglichkeit, eine hochvariable Drehzahl zu erreichen, die Gleichstromversorgung, da die Drehzahl des Wechselstrommotors auf die Frequenz festgelegt ist. Ebenso waren Quecksilber-Lichtbogengleichrichter zu schwer, um in Zügen transportiert zu werden, so dass eine AC => DC-Umwandlung dort nicht möglich war.
• Der Wirkungsgrad von Wechselstrommotoren zusammen mit den überlegenen mechanischen Eigenschaften von Induktions- / bürstenlosen Motoren macht Wechselstrom auf der Antriebsseite attraktiv. Dies erfordert jedoch einen Wechselrichter mit variabler Frequenz , der von Gleichstrom gespeist werden muss, da es keine einfache Möglichkeit gibt, die Frequenz zu ändern oder Leistungselektronik für die direkte Wechselstrom-Wechselstrom-Umwandlung zu verwenden.

Die Frage ist daher: Wo stellen Sie den Gleichrichter auf?

1. Wechselstromübertragung

Korrigieren Sie Wechselstrom zu Gleichstrom im Zug und nutzen Sie die HLK bei 25 kV, um die Züge mit Strom zu versorgen

Vorteile:

• Höherer Übertragungsleitungswirkungsgrad durch geringeren Strom.

Nachteile:

• Der Gleichrichter muss gewichtsoptimiert sein. hat wahrscheinlich einen niedrigeren Leistungsfaktor und Wirkungsgrad.
• Einphasengleichrichter bedeutet, dass Spannungsnullstellen Leistungsspeicherelemente und eine Verringerung des Wirkungsgrads erfordern.
• Der Gleichrichter muss mit dem Zug transportiert werden. Gleichrichter für den Hochleistungsverbrauch sind schwer.

2. Gleichstromübertragung

Korrigieren Sie die Gleisseite und verwenden Sie 600V-3kV DC, um auf Züge zu übertragen

Vorteile:

• Züge sind leichter
• Gleichrichter ist effizienter, besserer Leistungsfaktor
• Dreiphasengleichrichter

Nachteile:

• Höhere Übertragungsleitungsströme bedeuten höhere Verluste

Ich erinnere mich an ein russisches Experiment in den 80er Jahren, in dem die obigen Lösungen 1 und 2 verglichen wurden und festgestellt wurde, dass das Gesamtsystem trotz der Verluste in der Übertragungsleitung aufgrund der erforderlichen Leistungselektronik effizienter mit Gleichstromübertragung war. Trotzdem nutzen viele Regionalzüge und Hochgeschwindigkeitszüge die Klimaanlage.

Es gibt noch einige andere Überlegungen:

• Hochspannungswechselstrom wird in Drittschienensystemen nicht verwendet. erfordert Freileitung. Sicherheitsüberlegungen begrenzen die Spannungen der dritten Schienen auf ~ 750 V, was auch die effektive Leistung, die Klimaanlage usw. begrenzt. (Nicht, dass Sie sich bei dieser Spannung nicht gut braten könnten.)
• Es ist nur praktisch, eine Phase zu übertragen (obwohl es einige Beispiele für dreiphasige Züge gibt). Gleichstromsysteme können spurseitig dreiphasige Gleichrichter verwenden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
• Die Hauttiefe begrenzt die Wirksamkeit von Wechselstromdrähten mit großem Durchmesser. Dies ist kein Problem für Gleichstromsysteme, die dickere Drähte verwenden können, um höhere Ströme zu übertragen.

Beachten Sie, dass Strom normalerweise nicht über große Entfernungen entlang der Strecke übertragen wird (insbesondere bei Gleichspannung mit mittlerer Spannung): Die Leitungen werden auf dem Weg nicht nur von einem Ende gespeist.

Das gesamte südöstliche Ende Großbritanniens nutzt das dritte Schienensystem - es wurde nirgendwo anders in Großbritannien genutzt, und ich glaube, ein Hauptgrund war, dass ein Großteil dieses Gebiets städtisch mit niedrigen Brücken ist, daher ein drittes Schienensystem. DC-Freileitungen (5 kV) wurden entlang einer alten Strecke von Manchester nach Sheffield verwendet.

Gleichstromsteuerung ist ein Aspekt, aber es gibt einen anderen, und das ist die Einführung in Spursteuerungs- und Telefoniesysteme. Eine dritte Wechselstromschiene würde eine große Quelle magnetischer Interferenzen für Schienensignalisierungs- und Schienentelefonsysteme darstellen. Ursprünglich wurde die Signalisierung und Spursteuerung mechanisch durchgeführt, damit Wechselstrom keine Bedrohung darstellt. Dieser "Grund" ist eher eine Erklärung des 20. Jahrhunderts als eine Erklärung des 19. Jahrhunderts.

Streckenseitige Telefonsysteme wären jedoch von Anfang an von Wechselstrom betroffen gewesen, und da die Spannung niedriger als die Überkopf-Wechselstromversorgung ist, wäre der Strom höher und die Induktion größer. Eine dritte Schiene befindet sich viel näher an den streckenseitigen Telefonkabeln, was die Sache noch schlimmer macht.

Als beispielsweise die Hauptstrecke der britischen Ostküste elektrifiziert wurde (Overhead), berichteten Ingenieure, dass Telefonprobleme auf Kabellängen von etwa 1500 m bis 1700 m (1 Meile) oder mehr auftraten. Bei einer dritten Schiene, bei der der Strom wahrscheinlich mindestens zehnmal höher sein wird als bei 25-kV-Freileitungssystemen und bei etwa einem Drittel der Entfernung von Kabeln, kann man davon ausgehen, dass Wechselstrom auch auf kurzen Strecken nicht funktioniert.

HVAC (High Voltage AC) hat einige Nachteile, wie zum Beispiel die Entfernung. Obwohl die Übertragung von Wechselstrom einfacher und weit verbreitet ist, um Strom von zu Hause nach Hause zu übertragen, wird sie nicht verwendet, wenn es eine lange Übertragungsleitung gibt.

HGÜ ist hier besser, weil die Übertragung entlang eines HGÜ-Kabels nahezu konstant ist. Die Gewinnschwelle zwischen HLK und HLK beträgt ca. 50 km. Wenn Sie mehr als 50 km erreichen, ist die Verwendung von HGÜ aufgrund des Preises und der Effizienz vorteilhafter.

Hier ist eine Grafik zwischen HGÜ und HLK, in der Preis und Entfernung verglichen werden.

Da diese Züge lange Strecken fahren, ist es besser, HGÜ zu verwenden.

Ein weiteres Beispiel aus dem wirklichen Leben wären Offshore-Windparks. Weil sie so weit vor der Küste liegen, nutzen sie HGÜ und übertragen an Land mehr Strom als mit HLK.

Hier ist ein Artikel über Offshore-Windparks.

Etwas spät zur Party, aber ein Grund, bei DC zu bleiben (oder neu zu bauen), ist das regenerative Bremsen. Die meisten elektrischen Züge mit mehreren Einheiten werden heute die Motoren umkehren, um langsamer zu werden, und den erzeugten Strom zurück in die Versorgungsleitung leiten. Sehr einfach mit Gleichstrom, da Sie nur die Spannung regulieren müssen. Synkronisierungsalptraum mit AC. Wenn der Dienst ausreichend ausgelastet ist, läuft immer etwas anderes in derselben elektrischen Abteilung.

Wenn wir unsere Horizontale auf den nicht englischsprachigen Bereich ausweiten, könnten wir daraus schließen - es scheint eine Vielzahl von Gründen zu geben:

In Europa haben fast alle Züge Freileitungen und sie reichen von 3 kV, 15 kV und 25 kV Wechselstrom - hängt ein wenig davon ab, wann und wer sie baut. (ohne einige alpine Nahverkehrszüge, die sogar dreiphasig existieren!). Auf der anderen Seite verwenden die meisten, wenn nicht alle Straßenbahnen in Städten Gleichstrom (ca. 600 V).

Ein Grund für höhere Spannungen ist mehr Energietransport. Dies gilt für Eisenbahnzüge, da sie beim Starten oder Sprinten bis zu Mega Wats verbrauchen. Somit benötigen 25 kV weniger Ampere und damit weniger Metall - anstelle einer dritten Schiene könnte eine Freileitung verwendet werden. Aber warum dann AC. Denn zu diesem Zeitpunkt konnte nur Wechselstrom aufgrund der Existenz von Transformatoren höhere Spannungen verarbeiten. DC gab große Probleme.

Wenn Sie sich eine dritte Schiene ansehen, welchen Abstand zum Boden benötigen Sie, um 25 kV darin zu tragen. Schnell scheint es nicht sehr praktisch. Verwenden Sie daher lieber nur 500-750V.

Dennoch nutzen viele Straßenbahnen und U-Bahnen in den Städten (Zürich, Berlin, München, Wien, ..) 600V. Warum ist das so? Dies geht auf die frühen Tage zurück, als nur Gleichstrommotoren verfügbar / denkbar waren. (Tatsächlich wurde die Geschwindigkeitsregelung durch große schaltbare Widerstandsanordnungen auf den Dächern durchgeführt). Trotzdem brauchten Sie mehr als 110 V auf der Strecke, da es im Netz war, um diesen größeren Bus anzutreiben. Deshalb entschieden sie sich für eine größere Spannung, die zu diesem Zweck zusätzlich erzeugt wurde. Später wurden Quecksilberdampfgleichrichter eingesetzt. Aber 600V sind immer noch handhabbar. Sie benötigen jedoch große Schalter mit größerer Entfernung, um den Ausschaltlichtbogen auszuschalten. Dies ist auch der Grund, warum Gleichstrom mit mehr als 1 kV nicht einfach verwendet werden sollte.

Betrachtet man die Ursprünge des Zugsystems in DE, CH, AT, SE und Norwegen mit 15 kV und 16,7 Hz (lustiges Zeug): Dies hat seinen Ursprung in einer Zugstrecke zwischen Innsbruck (AT) und Garmisch Patenkirchen (DE). Sie entschieden sich für Elektrizität, nur um die steilen Berge hinaufzusteigen. Zu dieser Zeit hatte die Technologie nur wenige Möglichkeiten. Der beste Motor der Wahl mit dem besten Wirkungsgrad war 16,7 Hz und etwa 15 kV waren gut für die Übertragung der erforderlichen Leistung. Das hat damals bis heute so gehalten. Tatsächlich gibt es in den genannten Ländern ein ganzes zusätzliches Netz für die Übertragung von Zugkraft. Es verwendet 110 kV oder 65 kV (CH) für den Transport über große Entfernungen.

Das kann Ihnen einen Eindruck von den Gründen geben, warum damals Sachen ausgewählt wurden.