15kV交流鉄道電化

ドイツ、オーストリア、スイス、スウェーデン、ノルウェーの輸送鉄道では、15キロボルト（kV）、16.7ヘルツ（Hz）の交流（AC）を使用した鉄道電化が使用されています。高電圧により高電力の伝送が可能になり、周波数が低いため、20世紀初頭に利用可能だったトラクションモーターの損失が削減されます。世界的に、20世紀後半の鉄道電化では、新しい鉄道電化の推奨標準となった25kV、50HzのACシステムが使用される傾向があります。ただし、既存の15kVネットワークのローカル拡張は一般的です。特に、ゴッタルドベーストンネル（2016年6月1日に開通）では、15kV、16.7Hzの電化が使用されています。

変換コストが高いため、車載降圧変圧器の重量が現在の装置の 3 分の 1 に軽減されるにもかかわらず、既存 の15 kV、16.7 Hzシステムを25 kV、50 Hzに変換する ことは考えにくいです。

最初の電化鉄道では、最初は600 V、次いで1,500 Vの直巻 DCモーターが使用されました。3 kV DC架線のある地域(主に東ヨーロッパ) では、2 つの 1,500 V DC モーターを直列に使用していました。しかし、3 kV でも、重い列車 (特に田舎や山岳地帯) に電力を供給するために必要な電流が過剰になる場合があります。送電電圧を上げると、所定の電力に対する電流とそれに伴う抵抗損失が減少しますが、絶縁の制限により、より高い電圧の牽引モーターは実用的ではありません。したがって、各機関車の変圧器は、高い送電電圧を実用的なモーター動作電圧まで降圧する必要があります。パワーエレクトロニクスによって DC 電流を効率的に変換する適切な方法が開発される前は、効率的な変圧器には交流(AC) が厳密に必要でした。そのため、高電圧電化鉄道では、電力配電システムとともに AC が採用されました(電流戦争を参照)。

50 Hz (北米では 60 Hz) の AC グリッドは、20 世紀初頭にすでに確立されていました。直巻モーターは原理的には DC だけでなく AC でも動作できますが (ユニバーサル モーターとも呼ばれる理由)、大型の直巻トラクション モーターはこのような高周波数で問題を抱えていました。モーター巻線の高い誘導リアクタンスにより整流子の フラッシュオーバー問題が発生し、もともと DC 用に設計された非積層磁極片では過度の渦電流損失が発生しました。より低い AC 周波数を使用することで、両方の問題が軽減されました。

ドイツ語圏の国々では、高圧電化は16年に始まった。+2 ⁄ 3 ヘルツは、国内電力網周波数 50 Hz のちょうど 3 分の 1 です。これにより、回転コンバーター、専用の鉄道発電機は、極対の数を 3 分の 1 に減らすことで、標準の 50 Hz 発電機と同じ軸速度で動作できるようになりました。たとえば、1,000 rpmで回転する発電機には、6 対ではなく 2 対の極が巻かれます。

オーストリア、スイス、ドイツでは、メクレンブルク＝フォアポンメルン州とザクセン＝アンハルト州を除く各州で鉄道電力を供給している。送電網から電力を供給されるコンバーターは、これら2つのドイツ州とスウェーデン、ノルウェーに鉄道電力を供給している。ノルウェーには、鉄道電力専用の水力発電所が2つあり、16基の発電所がある。+2 ⁄ 3 ヘルツ出力。

最初の発電機は同期交流発電機または同期変圧器であったが、現代の二重給電誘導発電機の導入により、制御電流が望ましくない直流成分を誘導し、極の過熱問題を引き起こした。この問題は、周波数をグリッド周波数のちょうど3分の1からわずかにずらすことで解決された。16.7ヘルツは、既存の牽引モーターの許容範囲内にとどまるように任意に選択された。オーストリア、スイス、南ドイツは、1995年10月16日12:00 CETに発電所を16.7Hzに切り替えた。^{[1] [2]同期発電機で稼働する地域電化区間は、} 16の周波数を維持することに留意されたい。+2 ⁄ 3 Hzはスウェーデンやノルウェーが鉄道網を16Hzで運行しているのと同じである。+全体を通して 2⁄3Hz。​

16.7 Hz機関車を50 Hzや60 Hz機関車と比較した場合の欠点の 1 つは、架空線電圧をモーターとその速度制御装置が使用する電圧まで下げるために必要な変圧器が重いことです。低周波変圧器では、同じレベルの電力変換を行うために、より重い磁気コアとより大きな巻線が必要です。(変圧器の設計に対する周波数の影響を参照してください。) 重い変圧器はまた、高周波変圧器よりも車軸荷重が高くなります。理論的には、今度はこれによって線路の摩耗が増加し、より頻繁な線路保守の必要性が高まりますが、実際には、低速時の牽引力を維持するために電気機関車が軽量になりすぎてはなりません。チェコ鉄道は、 25 kV AC、50 Hz の機関車 (シリーズ 340) を15 kV AC、16.7 Hz線で動作するように改造したとき、低周波変圧器の電力処理能力が低下するという問題に直面しました。同じ変圧器コア（元々は50 Hz用に設計）を低周波数で使用した結果、変圧器の定格電力を元々の3分の1に下げる必要があり、それによって利用可能な牽引力も同じ量（約1,000 kW）減少しました。

これらの欠点に加え、別の供給インフラが必要であり、現代のモーターやコントローラーに技術的な利点がないため、16の使用は制限されています。+ 当初の5か国以外では、 2 ⁄ 3 Hzと16.7 Hzの周波数で鉄道を電化している。他のほとんどの国では、50/60 Hzの商用周波数で鉄道を電化している。デンマークは、15 kVの領域にしか隣接していないにもかかわらず、この理由と他の理由から、幹線鉄道を25 kV 50 Hzで電化することを決定した。 ^{[3] [4]} 1.5 kVまたは3 kVのDCラインで高速旅客サービスを提供することは技術的に非常に困難であり、したがって費用対効果が高くないため、主に東ヨーロッパでの最近のヨーロッパの電化は、ほとんどが25 kV AC 50 Hzである。この電圧/周波数への変換には、より高電圧の絶縁体と、線路と橋梁やその他の構造物との間のより大きなクリアランスが必要である。これは現在、新しい架空線だけでなく、古い設備の近代化でも標準となっている。

ヨーロッパ全域で電圧/周波数を揃えるだけの単純な欧州統合は、他の地域では国家規格が異なるため、国境を越えた牽引力がより制限されるため、必ずしも費用対効果が高いとは言えない。2つ以上の入力電圧に対応する変圧器を電気機関車に装備することは、複数の列車保護システム^[要出典]を設置し、それらを承認手続きにかけて他国の鉄道網にアクセスするためのコストと比較すると安価である。しかし、近隣諸国への新しい高速路線のいくつかは、すでに25kVで建設される予定である（例：オーストリアから東ヨーロッパへ）。新しい機関車は常に、DCを含むさまざまな入力周波数で問題のない非同期モーター制御システムを使用して製造されているが、シーメンススマートロンなどのコスト削減モデルを提供するために、必要な追加のパンタグラフと配線が普遍的に装備されているわけではない。同様に、ボンバルディア タレント 2シリーズなどの新しい地域旅客列車セットは、追加の電化システムの認定を受けていない。ドイツ鉄道はもはや標準電気機関車シリーズのモデルを一切使用していないが、多くの小規模な民間鉄道会社は使用しており、中には60年も前のモデルもある。これらの旧式モデルが廃止されても、統一は容易ではないかもしれない。一方、DBシェンカーは、ヨーロッパ全土で運行される複数の電化システムに対応できる貨物機関車を発注する傾向がある。

ドイツ（メクレンブルク＝フォアポンメルン州とザクセン＝アンハルト州を除く）、オーストリア、スイスには、16.7 Hzの鉄道電力用の独立した単相配電網があります。電圧はドイツとオーストリアでは110 kV、スイスでは132 kVです。このシステムは、集中型鉄道エネルギー供給と呼ばれています。独立した単相配電網により、 3 相配電網に接続された 25 kV 50 Hz システムと比較して、ブレーキ時のエネルギー回収が非常に簡単になります。

スウェーデン、ノルウェー、メクレンブルク＝フォアポンメルン州、ザクセン＝アンハルト州では、電力は三相電力網（50 Hzで110 kV）から直接供給され、低周波単相に変換されて架空線に供給されます。このシステムは、分散型（つまりローカル）鉄道エネルギー供給と呼ばれています。

集中型システムは、16.7 Hzで110 kV（スイスシステムでは132 kV ）の交流を生成する特別な発電所によって供給され、国の電力網（例：110 kV、50 Hz ）から供給されるロータリーコンバータまたはAC/ACコンバータによって、 16.7 Hzで55-0-55 kV（または66-0-66 kV）の交流に変換されます。0 Vポイントはインダクタンスを介してアースに接続されているため、単相AC電力線の各導体は、アース電位に対して55 kV（または66 kV ）の電圧を持ちます。これは、分相電力システムに似ており、バランスの取れたライン伝送になります。アースが行われるインダクタンスは、ラインで障害が発生した場合にアース電流を制限するように設計されています。変電所では、電圧が110 kV (または132 kV ) AC から15 kV AC に変換され、エネルギーが架空線に供給されます。

16.7 Hz の周波数は、回転機械のコンポーネントの同期の問題を防ぐ必要性に基づいて決定されました。この機械は、主に 3 相非同期モーターと単相同期発電機で構成されています。技術仕様によると、単相システムでは周波数が 16 + 2⁄3 Hz に達すると同期が発生します。したがって、同期を回避して機械が正しく動作するように、集中システムの周波数は 16.7 Hz に設定されました。

110 kV、16.7 Hz を供給する発電所は、ネッカーヴェストハイム原子力発電所やヴァルヒェン湖水力発電所のように、この特定の単相交流を生成するために専用に設計されているか、この目的のための特別な発電機を備えています。

分散型システムの電力は、国の電力網から直接供給され、15kV、16kVに直接変換されます。+2 ⁄ 3 Hzの同期-同期コンバータまたは静止コンバータ。どちらのシステムも追加の変圧器が必要です。コンバータは、3相同期モーターと単相同期発電機。ドイツ北東部の分散型システムは、これらの地域に集中型システムがなかったため、1980年代にドイツ国鉄によって確立されました。

ドイツ、オーストリア、スイスでは、中央発電所、中央および地方の変換プラントを備えた最大の相互接続された 15 kV 交流システムが運用されています。ただし、代替の電化システムを備えた島もあります。たとえば、リューベラント鉄道はドイツ最大の 25 kV 交流線です。

ノルウェーではすべての電気鉄道は15kVを使用している16+2 ⁄ 3 Hz AC ^[5]（6.6 kV 25 Hz ACを使用するタムスハウン博物館鉄道を除く）。オスロTバーンと路面電車は750 V DC電源を使用しています。

スウェーデンではほとんどの電気鉄道は15kVを使用している16+2 ⁄ 3 Hz AC。例外には、 SaltsjöbananとRoslagsbanan (1.5 kV DC)、ストックホルム地下鉄(650 V と 750 V DC)、路面電車 (750 V DC) などがあります。スウェーデンとデンマークを結ぶオーレスン橋は、デンマーク標準の25 kVで電化されており、分岐は橋の近くのスウェーデン側にあります。2 システム列車 (またはディーゼル列車、まれ) のみがこの地点を通過できます。

• DB Energie soll Durchleitung von Bahnstrom ermöglichen (ドイツ語)