Energievoorziening van de spoorwegen



De eerste elektrische trein reed in 1879 op een tentoonstelling in Berlijn. Werner Siemens baarde opzien met zijn via accu’s aangedreven treintje, dat zelfs een aantal passagiers mee kon voeren. Het zou echter nog enkele decennia duren voordat de stoomtrein enige concurrentie begon te krijgen van de elektrische trein.


Verkehrsmuseum NŁrnberg, 16 augustus 2005.
De eerste elektrische trein, gebouwd door Werner Siemens in 1879.


In 1908 reed tussen Rotterdam Hofplein en Scheveningen Kurhaus de eerste elektrische trein in Nederland. Deze lijn was geŽlektrificeerd met 10.000 volt wisselstroom, die werd opgewekt in een speciaal voor deze spoorlijn gebouwde centrale bij Leidschendam. De lijn was economisch een succes, maar het wisselstroomsysteem bleek nog veel kinderziekten te hebben.

De volgende spoorlijnen in Nederland werden daarom geŽlektrificeerd met 1500 volt gelijkstroom. Op de Oude Lijn, tussen Amsterdam en Rotterdam, kwamen in 1927 de eerste Blokkendozen in dienst. In een groot tempo werden daarna andere spoorlijnen geŽlektrificeerd.

De NS heeft zelf geen elektriciteitscentrales. De elektriciteit wordt gekocht bij verschillende elektriciteitsbedrijven in het land. Deze bedrijven leveren wisselstroom, die in onderstations langs de spoorlijn omlaag wordt getransformeerd en gelijkgericht. Hierbij werden aanvankelijk kwikdampgelijkrichters gebruikt, later kwamen halfgeleidertechnieken in opkomst.


Kwikdampgelijkrichter

Vroeger was de kwikdampgelijkrichter de gangbare manier om zeer hoge spanningen of zeer grote stroomsterkten gelijk te richten.

Op deze tekening het principe van de door Cooper Hewitt in 1902 uitgevonden gelijkrichter. Deze bestaat uit een grote glazen bol met onderin een hoeveelheid kwik. Het kwik vormt de kathode (negatieve pool). In de glazen zijarmen bevinden zich de koolstof anoden (positieve pool). Op de anoden wordt wisselspanning gezet. Tussen de kathode en de anoden gaan vonken overspringen waardoor een deel van het kwik verdampt. Kwikdamp heeft de eigenschap dat het elektrische stroom maar in ťťn richting doorlaat. Er onstaat dus een gelijkrichteffect. In de praktijk hebben kwikdampgelijkrichters vaak meer anoden, tot zes aan toe. Een groot voordeel van deze gelijkrichters is, is dat ze geen bewegende delen hebben en dat de bediening daardoor eenvoudig is.

Bron: "How it works and how it's done", omstreeks 1945 geschreven door Ellison Hawks, uitgegeven door Odhams Press Limited, London.


De bovenleiding van het Nederlandse spoorwegnet is verdeeld in secties. Via op afstand bedienbare bovenleidingschakelaars is het mogelijk om een sectie te verbinden met een aangrenzende sectie. Hiervan kan gebruik worden gemaakt als door een storing de stroom uitvalt. Via een ander onderstation kan de stroomvoorziening dan worden voortgezet.

De treinen krijgen hun stroom toegevoerd via de bovenleiding. De stroom gaat daarna via de tractiemotoren, de wielen en de rails weer terug naar het onderstation. Dat levert een conflict op met de spoorstroom die gebruikt wordt voor de beveiliging. De spoorstroom vraagt namelijk om van elkaar geÔsoleerde spoorstaven. Hier biedt de railtransformator uitkomst. Deze vlak bij de rails geplaatste platte kasten bevatten spoelen die de gelijkstroom van de tractiemotoren doorlaat, terwijl de wisselstroom van de spoorstroom wordt tegengehouden.

Op nieuwe spoorlijnen in Nederland (HSL, Betuweroute) wordt 25.000 volt wisselstroom toegepast. In de toekomst zullen wellicht ook bestaande lijnen worden aangepast. Een deel van het NS-materieel, de IRM-dubbeldekkers, is voorbereid op ombouw naar dit systeem.


Hilversum, 5 april 1969. Treinstellen 343 en 227 passeren het onderstation nabij Hilversum Sportpark. Wegens onderhoud aan het onderstation doet op dat moment een mobiele gelijkrichterwagen dienst. Daarvan heeft NS er acht gehad, gebouwd tussen 1938 en 1957. Een van deze wagens (nummer 2) is tijdens de Tweede Wereldoorlog verdwenen. De laatste stond bij het onderstation Sittard en is in 2002 gesloopt.



Elektrische treinen en hun stroomvoorziening

De voortbeweging der elektrische treinen geschiedt door middel van elektromotoren, welke in de draaistellen zijn ondergebracht op dezelfde wijze als bij de dieselelektrische treinen. Ook in de bediening zijn veel punten van overeenkomst. De stroomtoevoer van alle motoren van ťťn treinstel wordt weer geregeld van de stuurstand uit, welke vooroploopt. En het is eveneens, zoals bekend, mogelijk, een aantal treinstellen te combineren tot ťťn trein, waarbij weer alle motoren der gekoppelde treinstellen tegelijk geregeld worden.

De regeling van de snelheid, welke de wagenbestuurder in de hand heeft door het draaien aan een kruk met verschillende standen, is gedeeltelijk automatisch. Wordt de kruk bij vertrek in de eindstand, dus in de stand van maximum vermogen, geplaatst, dan zorgt een automatisch werkende schakelwals er voor, dat alle snelheidstrappen tot aan de maximum snelheid doorlopen worden in het snelste tempo, dat mogelijk is, zonder overbelasting van motoren en leidingnet. Door de kruk naar zijn nulstand terug te draaien en daarna in een lagere stand te plaatsen, loopt de schakelwals eveneens door tot een overeenkomstige lagere stand. Op deze wijze kan met de gewenste snelheid gereden worden.

De stroomvoorziening vormt een bedrijf op zichzelf. In Nederland wordt voor de treinen gebruikt gelijkstroom met een spanning van 1500 Volt. De centrales leveren de stroom echter af in de vorm van draaistroom van hoge spanning, welke in het algemeen 10.000 en in enkele gevallen 25.000 Volt bedraagt. In sommige gevallen wordt met draaistroom van 5.000 en 50.000 Volt gewerkt. De stroom wordt betrokken van verschillende Provinciale en Gemeentelijke Elektriciteitsbedrijven. Eigen centrales bezitten de Nederlandsche Spoorwegen niet. De geleverde draaistroom wordt voor het gebruik gereed gemaakt in onderstations. Voor een schematisch overzicht van het proces, zie fig. 66.

De draaistroom van hoge spanning wordt eerst in een transformator veranderd in draaistroom met een spanning van 1500 Volt en daarna gelijkgericht. De gelijkstroom van 1500 Volt wordt door de bovenleiding en de stroomafnemers op den trein naar de motoren toegevoerd en door de spoorstaven teruggevoerd. Deze zijn daartoe ter plaatse van de raillassen verbonden door kabeltjes.

Een overzicht van de stroomleverende centrales en van de verdeling der onderstations langs het geŽlektrificeerde net toont fig. 67.

De elektrificatie der Spoorwegen. waarmede, zoals reeds is opgemerkt, in 1908 op de lijn Rotterdam-den Haag-Scheveningen begonnen werd, heeft de laatste jaren een enorme vlucht genomen. Thans [1943] is van het net der Nederlandsche Spoorwegen reeds ongeveer 550 km van de Ī 1700 km dubbelsporige baanvakken geŽlektrificeerd. Een ander cijfer zegt nog meer. Het aantal reizigerstreinkm's bedroeg in 1939, naar normale omstandigheden gerekend, totaal ruim 18 miljoen, waarvan bijna 6 miljoen. d.i. bijna 1/3 gereden door elektrische treinen.

De vraag rijst nu onwillekeurig, waarom men niet in een nog sneller tempo plannen maakt voor verdere elektrificatie van het spoorwegnet. Elektrificatie is echter alleen lonend, wanneer de verkeersdichtheid voldoende groot is. Want de aanleg van bovenleiding en onderstations met toebehoren betekent een zeer belangrijke verhoging van de vaste kosten der exploitatie. De variabele kosten, de kosten dus, welke in meerdere of mindere mate evenredig zijn met het aantal treinen per dag, met de frequentie van de treinenloop, zijn daarentegen betrekkelijk gering. Deze zijn weer belangrijk hoger voor stoom- en dieseltractie.

Een beeld van vergelijking tussen de kosten van elektrische- en dieseltractie geeft fig. 68. De lijn AB geeft aan de kosten van elektrische tractie, CD die van dieseltractie. De afstanden CA resp. CC zijn een maat voor de vaste kosten der beide tractievormen. Nadert het aantal treinen per dag tot nul, dan drukt de hoge kapitaallast van bovenleiding en onderstations zeer sterk op de financiŽle resultaten van het bedrijf (afstand OA).

De helling der beide lijnen geeft aan, hoe sterk de kosten met toename van het aantal treinen per dag stijgen. De lijn CD van de dieseltractie stijgt sneller dan AB door de hogere kosten van aanschaffing en onderhoud van rollend naterieel. Links van het punt S is de dieseltractie in het voordeel, rechts de elektrische tractie. Voor de grote afstanden, in minder dicht bewoonde gebieden met een lage verkeersfrequentie, is de dieseltrein dan ook het meest economische verkeersmiddel. De elektrische tractie heeft zich ontwikkeld tot een onmisbaar element in het verkeer rondom de grote steden en in de dicht bewoonde gebieden.

Bron: Spoorwegtechniek: het rollend materieel (1943)


Onderstation Bunnik

Bunnik, 19 januari 2007. Het onderstation van waaruit de bovenleiding bij Bunnik wordt gevoed. Vroeger stond hier een schakelstation. Toen deze lijn werd geŽlektrificeerd, stonden alleen bij Utrecht Lunetten, Maarsbergen, Ede-Wageningen en Arnhem onderstations. Het toenemende treinverkeer maakte het nodig om de bovenleiding vanaf meer plaatsen te voeden. Ook de schakelstations bij De Klomp en Wolfheze zijn vervangen door onderstations.


Bunnik, 19 januari 2007. De twee transformatoren van het onderstation staan in de open lucht, vanwege de koeling. Oudere onderstations zijn veel groter. Hier staan behalve de overige apparatuur ook de transformatoren binnen.


Bunnik, 19 januari 2007. De hoge wisselspanning uit het landelijke elektriciteitsnet wordt eerst omlaag getransformeerd en daarna omgezet in gelijkstroom. De spanning ter hoogte van het onderstation is ongeveer 1800 Volt. Naarmate de afstand tot het onderstation groter is, is de spanning lager. De treinen hebben minimaal ongeveer 1500 Volt nodig. Ook als er veel treinen tegelijk onderweg zijn zakt de spanning. In Nederland zijn vanwege de lage bovenleidingspanning relatief veel onderstations nodig.


Bunnik, 19 januari 2007. De vorige dag had het zwaar gestormd. Monteurs komen even kijken of het dak er nog op ligt.


 

Bunnik, 19 januari 2007. De rode kabels lopen vanaf het onderstation naar de schakelaars waarmee de spanning op de bovenleiding kan worden gezet. Aan de stand van de schakelaars is te zien dat onderstation Bunnik in bedrijf is. De stroom loopt via de motoren en de wielen van de trein weer terug naar de rails. Om de stroomkring gesloten te houden moet er ook een verbinding zijn tussen de rails en het onderstation. In de zogeheten minuskast (foto rechts, 3 maart 2007) zijn de kabels die van de rails afkomen aangesloten op een dikke kabel die naar het onderstation loopt.


Bunnik, 19 januari 2007. DDM-motorwagen met aanhang op weg naar Utrecht. De foto gaat natuurlijk over het klassieke vakwerkportaal met bovenleidingschakelaars.


Bunnik, 19 januari 2007. Twee bovenleidingschakelaars. De schakelaar links is open, de schakelaar rechts is gesloten. De bovenleiding is verdeeld in secties, die elk door een onderstation worden gevoed. Wanneer een onderstation uitvalt, kan een ander onderstation zijn werk overnemen door de bovenleidingschakelaars in een andere stand te zetten.


Bunnik, 19 januari 2007. De bovenleidingschakelaars kunnen elk afzonderlijk worden omgezet met behulp van een elektromotor. Deze motoren kunnen op afstand worden bediend. Handbediening ter plaatse is ook mogelijk.



Stroomvoorziening via derde (en vierde) rail

London, Sloane Square, juni 1986. Metrotreinstel op de Circle Line. De treinen rijden hier op 630 Volt gelijkstroom. Opvallend is dat hierbij gebruik wordt gemaakt van twee stroomrails. Zie toelichting hieronder. Lees ook over de beveiliging bij de metro.


Beeld uit een bedrijfsfilm van de Londense metro. De stroomrails zijn niet afgeschermd, zodat wie tussen de rails loopt een grote kans maakt geŽlektrocuteerd te worden. In de film krijgen de treinbestuurders en andere medewerkers instructies over hoe hier veilig mee om te gaan. www.youtube.com/watch?v=xumonIs52Lk

Er zijn twee stroomrails: een in het midden van het spoor, en een vlak naast het spoor. Op de buitenste rail staat een spanning van +420 Volt, op de middelste -210 Volt. Netto is dat dus 630 Volt gelijkstroom. Er zijn twee redenen voor deze kostbare constructie. Ten eerste beperkt men hiermee het energieverlies, omdat de stroomrails van een speciale staalsoort zijn gemaakt die beter geleidt dan gewone spoorrails. Ten tweede voorkomt men hiermee zwerfstromen. Omdat gewone rails niet volledig geÔsoleerd zijn van de aarde, kan het gebeuren dat de elektrische stroom via de grond zijn weg terugzoekt naar het onderstation. Deze zwerfstromen kunnen corrosie veroorzaken in ondergrondse kabels. Door een geÔsoleerde vierde rail te gebruiken voorkomt men deze zwerfstroomcorrosie.

Er zijn rond Londen ook trajecten die de metro deelt met gewone elektrische treinen. Op deze trajecten krijgen de metrotreinen de volle spanning via de derde rail. De vierde rail is hier doorverbonden met de gewone spoorstaven, die voor de retourstroom worden gebruikt. Op deze trajecten ligt de spanning tussen 660 en 750 Volt, maar die kan oplopen tot 900 Volt.


Sheerness-on-Sea, 6 juni 1986. Trein naar London. In het zuiden van Engeland krijgen elektrische treinen hun voeding uit een stroomrail. Deze stroomrail is niet afgeschermd, terwijl er toch een dodelijke spanning op staat. Hoe gevaarlijk is het eigenlijk om vanaf het perron op de rails te plassen?


Rotterdam CS, 6 april 1996. Tijdens een open dag was onder andere dit Eurostar-treinstel te zien. Deze stellen rijden via de Kanaaltunnel van Parijs en Brussel naar London. De stellen zijn geschikt voor diverse stroomsystemen, waaronder het derderailsysteem met 750 Volt dat in het zuiden van Engeland wordt gebruikt. Tegenwoordig rijden de treinen echter over een aparte HSL-lijn en zijn deze stroomafnemers verwijderd.


"Een electrische trein op de Vierendeel-brug te Mechelen." Foto uit Het Spoor, maandblad van de NMBS, 1939. In BelgiŽ rijden de treinen op 3000 Volt gelijkstroom, het dubbele van de Nederlandse spanning.



De Limburger, 13 juni 2008. Waar haalt een trein zijn stroom vandaan? (klik op plaatje). Bron: www.limburger.nl.



Gelijkstroomtractie op hoofdspoorwegen. Door ir. J.P. Koster, ingenieur b.d. Afd. Electrificatie van de Dienst van Materieel, Werkplaatsen en Electrificatie der N.V. Nederlansche Spoorwegen. Uitgeverij Gottmer, Haarlem 1948.

In dit standaardwerk van bijna 600 pagina's worden de achtergronden en de inrichting van het elektrische tractiesysteem van de NS beschreven. Ook buitenlandse systemen komen aan de orde.



Zie ook:

Internet:




vorige       start       omhoog