Stroomvoorziening van spoorwegen: verschil tussen versies

Over het algemeen heeft de gebruikte voedingsspanning te maken met het [[vermogen (natuurkunde)|vermogen]] van de [[motor]] van een voertuig. Zo worden [[tram]]s en [[trolleybus]]sen gevoed met 600 of 750 [[Volt (eenheid)|volt]] gelijkspanning, bij metrostellen kan deze waarde tot 1500 volt oplopen en bij de spoorwegen tot 25 &nbsp;000 volt wisselspanning. In [[Zuid-Afrika]] is de goederenspoorlijn [[Dingleton|Sishen]]–[[Saldanha]] uitgerust met de uitzonderlijke hoge spanning van 50 &nbsp;kV.<ref>[http://www.railwaygazette.com/news/single-view/view/orex-upgrade-targets-more-capacity.html Orex upgrade targets more capacity, Railway Gezette, 3 juni 2007]</ref> Een hogere spanning resulteert in een lagere stroomsterkte voor een gegeven vermogen en leidt daardoor tot minder energieverlies. Bovendien kan met een lagere stroomsterkte een lichtere bedrading worden gebruikt.<ref>De weerstand is afhankelijk van de dikte van alle bovenleidingsdraden (ook de ophangdraden worden gebruikt voor de stroomtransmissie).</ref> Daar staat tegenover dat voor een hogere spanning een betere isolatie nodig is en de draden op grote afstand van andere objecten moeten blijven.

Wisselspanning met de frequentie van het lichtnet (50 &nbsp;Hz of 60 &nbsp;Hz) heeft als voordeel dat de spanning eenvoudig omhoog en omlaag te transformeren is, waardoor relatief hoge spanningen op de bovenleiding gebruikt kunnen worden, om de verliezen te beperken een lichtere rijdraad te kunnen gebruiken (25 kV is een gangbare spanning). Verder kan de spanning in principe rechtstreeks van het hoogspanningsnet betrokken worden. Een nadeel is dat met een dergelijke frequentie de spanning niet direct aan de elektromotoren kan worden gevoed, zodat bijvoorbeeld gelijkrichters aan boord van de locomotief nodig zijn. Mede om die laatste reden kwam dit systeem pas echt op vanaf de jaren 1960, toen relatief compacte siliciumgelijkrichters voor grotere vermogens beschikbaar kwamen.

Wisselstroom met een lagere frequentie dan die van het net (bijvoorbeeld 16,7 &nbsp;Hz in het Duitse systeem) kan wel direct aan daarvoor geschikte gelijkstroommotoren worden gevoed en de spanning is nog steeds goed omlaag te transformeren. Op die manier kon men een hogere bovenleidingsspanning toepassen (wat de verliezen beperkt) terwijl de constructie van de tractie-installatie nog steeds relatief eenvoudig kon zijn. Het grote nadeel van dit systeem is echter dat het niet direct uit het hoogspanningsnet kan worden gevoed, zodat er eigen elektriciteitscentrales nodig waren voor de stroomvoorziening (of onderhoudsgevoelige [[roterende omvormer]]s).

De voortgaande ontwikkeling van de [[vermogenselektronica]] heeft de nadelen van bepaalde systemen wel steeds kleiner gemaakt. Benodigde gelijkricht- of omvormingssystemen aan boord van tractievoertuigen konden steeds compacter worden. Zo bestelde de [[Deutsche Bundesbahn]] eind jaren 1970 een serie elektrische locomotieven ([[Baureihe 120]]) met draaistroommotoren, die gebruik konden maken van de bestaande enkelfasige wisselspanning op de bovenleiding. Voor nieuwe spoorwegverbindingen voor de lange afstand kiest men daarom vrijwel steeds voor een systeem met 50 &nbsp;Hz wisselspanning bij hoge spanning, typisch 25 kV.

[[Elektrische trein|Treinen]] worden meestal gevoed met een bovenleiding, waarbij de [[Retourstroom#Retourstroom_in_de_spoorwegtechniekRetourstroom in de spoorwegtechniek|retourstroom]] via de rails terugstroomt naar het [[onderstation]]. In feite zijn er vier belangrijke systemen:

* eenfasige wisselstroom met een lage frequentie (16⅔ of 25 &nbsp;Hz)

* eenfasige wisselstroom met een normale frequentie (50 of 60 &nbsp;Hz)

[[Driefasenspanning]], ook wel draaistroomvoeding genoemd, 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 (stad)|Lecco]] en [[Sondrio (stad)|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 [[Stroomafnemer|pantografen]] voor dit systeem zijn daardoor gecompliceerd. Deze dubbele bovenleiding werd onder andere gebruikt in Italië tot 1976, maar wordt nauwelijks meer toegepast. Bij de [[Jungfraubahn]] en de [[Gornergratbahn]] in [[Zwitserland]] wordt driefasige wisselspanning nog steeds gebruikt. Ook in [[La Rhune]], een tandradlijn in de Franse [[Pyreneeën]], wordt dit systeem toegepast. Behalve de ingewikkelde bovenleiding, was het beperkte aantal snelheidstrappen een nadeel. In Italië bijvoorbeeld konden de [[locomotief (spoorwegmaterieel)|locomotieven]] voor goederentreinen alleen maar 25 of 50 &nbsp;km/h rijden en locomotieven voor reizigerstreinen alleen 37½, 50, 75 en 100 &nbsp;km/h. De reden dat ondanks deze nadelen het driefasensysteem toch werd toegepast is dat de als [[tractiemotor]]en toegepaste [[Asynchrone draaistroommotor|draaistroommotoren]] verhoudingsgewijs krachtig en compact zijn ten opzichte van [[gelijkstroommotor]]en of seriewikkelingsmotoren.

De driefasenaandrijving wordt weer toegepast, echter zonder de gecompliceerde 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 testlocomotief Be 4/4 &nbsp;12001 van de [[Zwitserse federale spoorwegen|SBB]] in 1972. In 1979 volgde de serie [[Baureihe 120|120]] van de [[Deutsche Bundesbahn]]. Inmiddels is dit de gangbare aansturing van elektrische treinen.

Destijds heeft men gekozen voor 1500 volt gelijkspanning omdat de techniek van het gelijkrichten niet zover was gevorderd. Door het ontbreken van geschikte [[elektrische isolatie|isolatiematerialen]] was het 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 te hoog wordt door zware optrekkende treinen binnen dezelfde spanningssectie, kan de spanning inzakken. Als de stroomsterkte boven de 4 &nbsp;kA (kilo[[Ampère (eenheid)|ampère]]) uitkomt (bij 1800 volt betekent dat een vermogen van meer dan 7200 &nbsp;kW), wordt de stroom in het onderstation uitgeschakeld om overbelasting te voorkomen.

In de stations Venlo en Bad Bentheim zijn sporen die omgeschakeld kunnen worden tussen 1500 &nbsp;V gelijkspanning en de Duitse 15 &nbsp;kV wisselspanning (zie [[Spanningssluis#Wisselen van locomotief]]). Het toeleidende baanvak naar Bad Bentheim is op Duits gebied voorzien van het 1500 volt-systeem met dubbele rijdraad.

Ook in Emmerik was een omschakelbaar spoor, maar in de nacht van 19 juli 2016 werd het eerste gedeelte van het traject tussen Zevenaar en Emmerik omgebouwd naar 25 &nbsp;kV wisselspanning. De bovenleiding voor gelijkstroom (twee rijdraden) werd verwijderd en er werden nieuwe palen, isolatoren en bovenleiding (met de rijdraad) geïnstalleerd. Een transformatorstation voor 25 &nbsp;kV is gevestigd in Zevenaar Oost. De 25 &nbsp;kV 50 &nbsp;Hz bovenleiding van de Betuweroute loopt door tot Emmerich-Elten bij km 67,732. Er volgt een stroomloos deel tot km 67,186 en vervolgens begint de 15 &nbsp;kV 16,7 &nbsp;Hz bovenleiding. In de andere richting is dit in gebruik genomen in oktober 2016.

In Frankrijk worden 1500 V gelijkspanning en 25 kV wisselspanning gebruikt. De met 1500 V geëlektrificeerde spoorlijnen bevinden zich voornamelijk in het zuidelijk deel van het land. Recente elektrificaties overal in het land worden bijna allemaal met wisselspanning uitgevoerd. Alle hogesnelheidslijnen zijn met 25 &nbsp;kV geëlektrificeerd. Op sommige spoorlijnen kunnen hogesnelheidstreinen tot 220 &nbsp;km/h rijden onder 1500 &nbsp;V gelijkspanning. Dit is dan wel het uiterste van wat technisch mogelijk is. Deze treinen mogen pas na een lang interval na elkaar rijden zodat de rijdraad voldoende gelegenheid heeft af te koelen en de elektrische voeding is flink verstevigd.

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 (elektrische locomotief)|NS 1500]] naar Nederland werden gehaald. Alleen de [[Tyne and Wear Metro]] en de [[Dublin Area Rapid Transit|DART]] in het stad van [[Dublin]] gebruiken nog 1500 &nbsp;V gelijkspanning.

Op 1 december 1931 werd de eerste elektrificatie doorgevoerd op de (inmiddels opgebroken) lijn [[Spoorlijn 160|Brussel-Tervuren]] met een bovenleiding van 1500 &nbsp;V gelijkspanning.

In [[1935]] werd de elektrificatie doorgevoerd tussen [[Brussel (stad)|Brussel]] en [[Antwerpen (stad)|Antwerpen]]. Van toen af werd er voor een bovenleidingspanning van 3000 &nbsp;V gelijkspanning gekozen. Ook in [[Italië]], [[Spanje]] en delen van [[Oost-Europa]] wordt deze toegepast.

* Spanje: behalve de hogesnelheidslijnen die met 25 kV wisselspanning uitgerust zijn. De elektrische [[meterspoor|metersporige]] lijnen van de [[FEVE]] en EuskoTren zijn uitgerust met 1500 &nbsp;V gelijkspanning.

[[Bestand:Bahnstromleitungsmast.jpeg|miniatuur|De Deutsche Bahn bezit een eigen hoogspanningsnet (110 &nbsp;kV met een frequentie van 16,7 hertz)]]

Eenfasige wisselspanning met een lage frequentie komt in Europa voor in de vorm van 15 &nbsp;000 &nbsp;V (15 &nbsp;kV) met een frequentie van 16⅔ [[Hertz (eenheid)|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 (elektromotor)|rotor]] veranderd kan worden, zal de draairichting niet veranderen. Bij een gewone frequentie van 50 &nbsp;Hz zou er echter wel een behoorlijke vonkvorming ontstaan. Daarom gebruikt men een lagere frequentie. In Europa is dat 16⅔ &nbsp;Hz en in de [[Verenigde Staten]] komt 25 &nbsp;Hz voor. In 1912 is in Duitsland 16⅔ &nbsp;Hz als standaard aangenomen. Op 16 oktober 1995 is de frequentie op een deel van het net verhoogd naar 16,7 &nbsp;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 [[elektriciteitscentrale]]s (''Bahnkraftwerke'') om wisselspanning met deze afwijkende frequentie op te wekken. In Zweden, Noorwegen en delen van Duitsland wordt met behulp van [[draaiende omvormer]]s 16⅔ &nbsp;Hz uit het landelijke 50 &nbsp;Hz-net gehaald. Een [[elektromotor]] die gevoed wordt uit het openbare elektriciteitsnet (50 &nbsp;Hz), drijft dan een [[alternator|generator]] aan die een wisselspanning met een frequentie van 16,7 &nbsp;Hz produceert.

Wisselspanning met een lage frequentie wordt als achterhaald beschouwd. 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 &nbsp;kV met een frequentie 50 &nbsp;Hz.

In Nederland is eenfasige wisselspanning met een lage frequentie toegepast tussen [[1908]] en [[1923]] door spoorwegmaatschappij [[Zuid-Hollandsche Electrische Spoorweg-Maatschappij|ZHESM]] op de [[Hofpleinlijn]]. In Leidschendam had de ZHESM een eigen elektriciteitscentrale die de bovenleiding van 10 &nbsp;000 &nbsp;V wisselspanning met een frequentie van 25 &nbsp;Hz voorzag.

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

In 1923 experimenteerde [[Kálmán Kandó]], inmiddels directeur van [[Ganz (onderneming)|Ganz]], met een [[elektrische locomotief|Eloc]], de V50, voor de normale frequentie. Hij gebruikte op het emplacement in [[Station Budapest-Nyugati|Boedapest]] een spanning van 16 &nbsp;kV.

Na de [[Tweede Wereldoorlog]] is men o.a. in Frankrijk 25 &nbsp;kV gaan gebruiken. [[Transformator]]en 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 [[Kwikdampgelijkrichter|kwikbooggelijkrichters]] niet mogelijk was. In feite is het 25 &nbsp;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 (elektriciteit)|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 &nbsp;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 &nbsp;kV wisselspanning met een frequentie van 16⅔ &nbsp;Hz is dat het veel makkelijker te verkrijgen is. Wisselspanning met een frequentie van 50 &nbsp;Hz wordt in Europa namelijk opgewekt in gewone [[elektriciteitscentrale]]s.

Ook op twee vernieuwde spoorlijnen naar het [[Groothertogdom Luxemburg]] is 25 &nbsp;kV geïnstalleerd. Het betreft de lijn Luik–Luxemburg die tussen Rivage en Gouvy geëlektrificeerd is met 25 &nbsp;kV en de [[Athus-Maaslijn|Athus-Meuselijn]] (Namen-Athus), de belangrijke goederencorridor naar Luxemburg, die tussen Dinant en Athus eveneens geëlektrificeerd is met 25 &nbsp;kV. De reizigerstreinen op dit laatste traject werden overigens nog enige tijd met dieseltractie gereden, omdat de NMBS nog niet beschikte over 25 &nbsp;kV-treinstellen met een lage capaciteit die overeenstemde met het beperkte reizigersvervoer op die lijn. Dergelijke stellen zijn inmiddels wel beschikbaar, namelijk de Desiro's ML van Siemens (type [[MS08]]), die hier sinds 2012 ingezet worden.

Alleen het rangeerterrein [[Kijfhoek (rangeerterrein)|Kijfhoek]] is nog voor zien van 1500 &nbsp;V gelijkspanning, [[Kijfhoek (rangeerterrein)|Kijfhoek]] ligt tussen de [[Havenspoorlijn]] en de [[Betuweroute]].

Af en toe duikt in Nederland de discussie op of er moet worden overgeschakeld op 25 &nbsp;kV 50 &nbsp;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 ([[Dubbeldeks interregiomaterieel|V-IRM]]) zijn al wel voorbereid op toekomstig gebruik met 25 &nbsp;kV.

[[Metro (vervoermiddel)|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 [[Brussel (stad)|Brusselse]] [[metro (vervoermiddel)|metro]] wordt 900 &nbsp;V gebruikt. In [[Napels (stad)|Napels]] en metrosystemen van sommige andere steden bedraagt de voedingsspanning zelfs 1500 &nbsp;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 aanvankelijk worden voorzien van bovenleiding in plaats van derde rail, maar daar is 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 &nbsp;V op de rail in het midden en +420 V op de buitenste rail. Hierdoor rijdt de Londense metro op 630 &nbsp;V gelijkspanning. De spanningsrails hebben geen bescherming tegen aanraking, ze zijn uiterlijk nauwelijks te onderscheiden van de rails waarop de wielen rijden, behalve dat ze een hogere positie hebben en anders gemonteerd zijn. De spanning wordt aan de bovenzijde van de rails afgenomen. Op sommige trajecten rijden zowel metrotreinen als hoofdspoorwegtreinen. Deze laatsten gebruiken de stroomrail in het midden niet. Sporen die zowel met bovenleiding als met derde rail uitgerust zijn, zijn er nauwelijks of alleen bij overgangssituaties. Combinaties waar er een bovenleiding met wisselspanning is en een derde rail met gelijkstroom zijn lastig te beheren, daar de treindetectielussen zijn geïsoleerd op basis van wisselstroom '''of''' gelijkstroom. Beide tegelijk kan niet. Boven zijn er vaak ongewenste zwerfstromen van de verkeerde type als een anders elektrificatiesysteem op een naastgelegen spoor wordt gebruikt.

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

[[Trolleybus]]sen worden gevoed door een dubbele rijdraad met 50 à 60 &nbsp;cm ruimte tussen de draden. De spanning is 600 of, bij de nieuwe systemen, 750 V gelijkspanning. De rijdraad aan de [[trottoir]]zijde is negatief en de rijdraad aan de straatzijde is positief.