Příprava elektrizace tratí na Slovensku v období II. světové války

Studie proveditelnosti elektrizace trati Spišská Nová Ves – Žilina z roku 1943.
(MDC Bratislava)
Ještě před vznikem samostatného Slovenského státu (14. března 1939) přišlo v listopadu roku 1938 Slovensko o část svého území (podobně jako Čechy o Sudety). Maďarsku připadlo více než 10 tisíc km2 území s téměř jedním milionem obyvatel. Samozřejmě svůj díl musely předat i slovenské železnice, které mimo významných tratí a stanic musely předat i jednu třetinu parku lokomotiv a vagonů.
Správa Slovenských železnic (SŽ) tak byla postavena před úkol stabilizovat činnost zbývajících železničních tratí a zařízení a navrhnout opatření pro zajištění železničního provozu na takové úrovni, kterou země potřebovala. Bylo nutno připravit novou výhledovou koncepci železnic, zahrnující doplnění lokomotivního a vozového parku, zvýšení dopravní výkonnosti tratí a jejich celkovou modernizaci. Jedním z hlavních sledovaných úkolů byla i elektrizace nejvíce dopravně zatížených tratí.
Počátkem roku 1941 jmenovalo Ministerstvo dopravy a veřejných prací, do jehož kompetence železniční doprava patřila, „Komisi pro studium elektrizace Slovenských železnic“, do které bylo jmenováno 7 úředníků z oblasti železniční správy, budování železnic a stavby strojů, dopravy, signální techniky a silnoproudé techniky a 3 zástupci společnosti Slovenských elektráren. Jejich úkolem bylo sestavit pracovní program a navázat spojení se státy, které měly zkušenosti z elektrizace železničních tratí (Německo, Itálie, Maďarsko a Švýcarsko). Nejvíce práce se potom odvíjelo ve spolupráci s německými firmami a drahami.
Členové komise studovali elektrickou trakci včetně napájení, opravárenskou základnu, depa, navštívili Elektrotechnický zkušební ústav v Mnichově. Vedli rozhovory na Říšském ministerstvu dopravy v Berlíně a navštívili velké německé elektrotechnické firmy (AEG a SIEMENS). Na žádost komise byli potom na Slovensko vysláni odborníci z oboru elektrické trakce, kteří svými radami a zkušenostmi přispěli ke zpracování návrhu na elektrizaci Slovenských železnic.
Komise zadala německým expertům úkol zpracovat odpovědi na následující otázky:
  1. Doporučuje se v daných poměrech okamžitě začít s elektrizací?
  2. Pokud ano, která trať má být první?
  3. Které výhody a nevýhody vyplývají z elektrizace?
  4. Jaký proudový systém zvolit?
  5. Jaký má být v budoucnu rozsah elektrizace?
  6. Jak zabezpečit dostatek elektrické energie?
  7. Jaká bude v tomto případě hospodárnost elektrické trakce?
Odpovědi byly následující:
  1. S ohledem na výkonnost elektrické trakce, která nemůže být parní trakcí dosažena, na chybějící zásoby uhlí a nevyužité možnosti vodních elektráren je nutno s elektrizací začít co nejdříve.
  2. Spišská Nová Ves – Žilina. Na této trati již od roku 1936 probíhaly práce na jejím zdvoukolejnění. Úspory z elektrizace byly vyčísleny u lokomotiv na 35 – 40 %, o stejné procento se měla snížit i jízdní doba. Trať byla tranzitní a měla být budována i pro mezinárodní dopravu s rychlostí do 150 km/h.
  3. Větší výkonnost elektrických lokomotiv měla způsobit úspory lokomotiv, jízdních časů a personálu. Odpadly by činnosti se zpracováním vody, uhlí, popela a škváry, tím by se snížily náklady a personál. Odpadl by dovoz uhlí z ciziny, tím by se snížil počet vlaků a uvolnila trať pro jiné přepravy. Měla se snížit náročnost údržby a zkrátit oběh vozů. K nevýhodám: některé osobní a služební vozy by musely mít dva systémy vytápění, nebo by se musel na elektrizovaných tratích do vlaku řadit vůz s generátorem páry na topení.
  4. Byla doporučena soustava 15 kV; 16,7 Hz. Tato soustava vycházela s nejmenšími investičními i provozními náklady. Důležitým argumentem byla rovněž nutnost napojení tranzitních tratí na stejnou soustavu používanou v Německu.
  5. Další tratě určené k elektrizaci byly: Žilina – Čadca, Žilina – Bratislava, Vrútky – Zvolen přes Banskou Bystricu a přes Kremnici s odbočkou do Banské Štiavnice, Spišská Nová Ves – Prešov, Leopoldov – Gáň, Zvolen – Tomášovce, Brezno – Tisovec – Revúca – Slavošovce – Dobšiná a Bratislava – Kúty – Lundenburg (Břeclav). Po ukončení tohoto programu by bylo elektrizováno 854 km tratí, což bylo v té době více než třetina celkové délky.
  6. Bylo doporučeno vybudování elektráren na Váhu, které měly dodávat elektrickou energii jak pro železniční dopravu, tak pro obecnou elektrizaci. Uvažovalo se až s 15 stupni vodních elektráren kanálového typu, které měly umožnit i splavnost.
  7. Elektrizací trati Spišská Nová Ves – Žilina by se ročně ušetřilo, při rozsahu dopravy jako v roce 1941, minimálně 62 000 t uhlí, přičemž v následujících létech se předpokládal růst přepravy a tím i úspor až na 150 000 t uhlí.
Železniční mapa tehdejšího Slovenska s vyznačením připravované elektrizace.
(repro Elektrische Bahnen 1/1943)
Na základě stanoviska komise rozhodlo Předsednictvo slovenské vlády dne 24. června 1942 o elektrizaci uvedených tratí. Za tím účelem bylo na Ministerstvu dopravy a veřejných prací vytvořeno elektrotechnické oddělení pro elektrizaci železnic. Z té doby se uchovala „Studie proveditelnosti“ zpracovaná experty firmy AEG.

Studie proveditelnosti
Studie řeší otázky zásadní problematiky:
  • výběru trakční soustavy,
  • volby typů lokomotiv,
  • volby řešení napájecích stanic,
  • volby systému trakčního vedení,
  • volby napájení elektrickou energií – byly zvažovány dva hlavní způsoby, a to napájení z nových vodních elektráren na Váhu a napájení ze státní rozvodné sítě.
Kromě těchto zásadních částí jsou rámcově řešeny i další otázky, například:
  • elektrické vytápění vlakových souprav,
  • elektrické osvětlení souprav,
  • elektrické osvětlení stanic, dep a ostatních železničních prostranství napájené z trakčního vedení,
  • stanoviště pro nabíjení akumulátorových posunovacích lokomotiv napájené z trakčního vedení,
  • elektrická předtápěcí stanoviště vlakových souprav ve výchozích stanicích, napájené z trakčního vedení,
  • elektrický ohřev výměn, napájený z trakčního vedení,
  • zkušebny elektrických lokomotiv,
  • souhrn názorů autorů studie a jejich návrhy k elektrizaci první etapy elektrizace slovenských železnic s ohledem na její pokračování, zejména směrem na Bratislavu.

Výběr trakční soustavy
Studie hodnotí stejnosměrný trakční systém jako oblíbený a široce používaný. Důsledkem výšky používaných napětí (600 – 3 000 V) je však vysoké proudové zatížení vodičů a značné úbytky napětí, což vede k drahému trakčnímu vedení. Je nutný také velký počet měníren. Uvedené údaje vedou k závěru, že investiční i provozní náklady stejnosměrné trakce budou pro uvažovanou trať, ve srovnání s náklady tratě se střídavým systémem vyššího napětí, jednoznačně vyšší. Stejnosměrné soustavy hodnotí studie jako výhodnější pouze v podmínkách hustého provozu na malé délce tratí, například v případě městské a příměstské dopravy.
Provoz elektrických drah s jednofázovým střídavým proudem dovoloval již tehdy použití napětí 15 kV, s kmitočtem 50 Hz, nebo s kmitočtem sníženým. Trakční vedení se při tomto napětí stává jednodušším, lehčím a tím i levnějším. Počet napájecích stanic je podstatně nižší, tyto stanice jsou velice jednoduché a tím i levnější a spolehlivější. Tehdy používané sériové komutátorové motory společně s nízkou frekvencí umožňovaly dosažení dobrého účiníku. V té době se již také původně poměrně široký rozsah používané frekvence (mezi 15 až 25 Hz) ustálil na hodnotě 16,7 Hz. Ve výčtu dalších předností je také nízké ovlivňování sdělovacích vedení.
Značnou roli v rozhodování sehrála také skutečnost, že napájení střídavého systému bylo možno zajistit jednou až dvěma vodními elektrárnami na Váhu, napájejícími železnici trojfázovým vedením vvn a třemi napájecími stanicemi (s výhledem na další pokračování elektrizace). Dále to byla skutečnost, že jednofázový střídavý systém nízkého kmitočtu byl již dlouhou dobu úspěšně provozován v mnoha zemích. Samozřejmě to také v neposlední řadě byla snaha německého průmyslu uplatnit svůj systém a zařízení.
V této části je rovněž věnována pozornost rozboru výhod a nevýhod třífázového systému trakčního vedení. Tento systém je hodnocen jako zcela nevhodný. V závěru této části obsahuje studie přesvědčení autorů, že Slovenské železnice a „příslušná místa“ státní správy vypracují generální plán elektrizace, který bude obsahovat nejen elektrizaci tatranské rampy, ale i její pokračování směrem na Košice, Bratislavu a Zvolen.

Harmonogram elektrizace trati Žilina - Spišská Nová Ves.
(repro Elektrische Bahnen 1/1943)

Traťové parametry
Studie navrhovala jako první krok elektrizaci štrbské rampy s přilehlými úseky do Spišské Nové Vsi a do Žiliny. Nadmořská výška v koncových stanicích je 462 m, resp. 333 m, maximální výška je v žst. Štrba – 892 m. Trasa je v některých úsecích bohatá na oblouky. Nejmenší poloměr oblouku byl tehdy 330 m. Studie proto předpokládala snižování rychlosti v obloucích až na 65 km/h. Energetické výpočty byly provedeny pro 8 traťových úseků a pro následující typy vlaků:
  • rychlíky
  • elektrické jednotky
  • osobní vlaky
  • dálkové nákladní vlaky
  • místní nákladní vlaky
Byla počítána celková spotřeba energie, střední odebíraný výkon, maximální zatížení napájecích stanic a další parametry, jak je známe i dnes. Předpokládaná účinnost elektrické výzbroje lokomotiv byla stanovena na 0,8, s kolísáním od 0,78 do 0,82. Účinnost přenosu elektrické energie v trakčním vedení (včetně zpětného vedení) byla cos φ = 0,9. Byl sestaven i návrh jízdního řádu v tomto úseku. Podle něj byla určena potřeba hnacích vozidel (včetně provozních rezerv):
  • 5 lokomotiv s uspořádáním náprav 1’ Do 1‘,
  • 12 lokomotiv s uspořádáním náprav Bo’ Bo‘,
  • 13 lokomotiv s uspořádáním náprav Co’ Co‘,
  • 1 elektrická jednotka (jako rezerva sloužila jedna lokomotiva s uspořádáním náprav 1’ Do 1‘),
  • pro posun byly navrženy lokomotivy v uspořádání 1‘ C nebo C, bez určení počtu.

Návrh hnacích vozidel
Proti dříve běžně používaným elektrickým lokomotivám s mezilehlým hřídelem (jalovým) a přenosem spojnicemi, upřednostňuje studie elektrické lokomotivy s individuálním pohonem všech dvojkolí. Výjimku tvoří posunovací elektrické lokomotivy, kde je z adhezních důvodů volen spojnicový pohon dvojkolí.
Tehdy používané typy elektrických rychlíkových lokomotiv pro rychlost 110 - 180 km/h byly bez výjimek provedeny s dutým hřídelem a s pružinovým přenosem výkonu na hnací dvojkolí. Nákladní a osobní elektrické lokomotivy pro rychlost do 90 km/h byly konstruovány s tlapovými motory s přenosem výkonu čelními ozubenými koly.
Pro rychlíky s předpokládanou váhou 500 t se navrhovalo použití rychlíkových elektrických lokomotiv DRB řady E 18 v uspořádání 1' Do 1', s maximální rychlostí 150 km/h. Lokomotivy byly vyráběny od roku 1933, provozovány byly do počátku devadesátých let, dodnes se můžeme setkat s několika představitelkami této řady v muzejních sbírkách v Německu.
Pro osobní vlaky se předpokládalo použití lokomotiv DRB řady E 44 v uspořádání Bo’Bo‘, o maximální rychlosti 90 km/h. Na tratích DRB byl tento typ provozován od roku 1930 a u DB zůstal v provozu do roku 1984 resp. u DR do roku 1991. I zástupci tohoto typu se dochovali jako provozuschopné muzejní exponáty.
Pro nákladní vlaky s hmotností 1000 t se předpokládalo použití nákladních lokomotiv DRB řady E 94, v uspořádání Co'Co' o max. rychlosti 90 km/h. První stroje této lokomotivní řady byly nasazovány do provozu od roku 1940 a jejich provozní nasazení trvalo do roku 1988 u DB resp. do roku 1991 u DR a do roku 1995 u ŐBB. Také tento typ lokomotiv lze najít dodnes v muzejních sbírkách.
Pro elektrický posun ve velkých elektrizovaných stanicích předpokládala studie použití posunovacích lokomotiv DRB řady E 60, uspořádání 1' C, příp. z ní odvozené řady E 63 s uspořádáním náprav C. Tyto typy lokomotiv byly dodávány k DRB od roku 1927, respektive 1935 a v provozu setrvaly až do roku 1979. I zástupci těchto řad jsou součástí muzejních sbírek jako provozuschopné exponáty.
Na rozdíl od lokomotiv výše uvedených řad E 18, E 44 a E 94, které měly individuální pohon jednotlivých hnacích náprav, měly posunovací lokomotivy spřažené hnací nápravy pomocí spojnic. Důvody pro použití tohoto typu pohonu jsou v tom, že takto uspořádané krátké lokomotivy mohou vyvinout velkou tažnou sílu a použitý pohon eliminuje nepříznivé důsledky odlehčení přední hnací nápravy. Bližší údaje o těchto typech lokomotiv je možno najít ve starých ročnících časopisu Elektrische Bahnen (které jsou dosud v některých našich knihovnách):
  • E 18...EB 1934/169, 1936/129 a 1937/101
  • E 44...EB 1933/1
  • E 60...EB 1928/309
  • E 63...EB 1938/81
  • E 94...EB 1940/149, 1942/177 a 1953/274
Pro posun v menších stanicích navrhuje studie nasazení akumulátorových lokomotiv. Odkazuje se na dlouhodobé dobré zkušenosti DRB, podle kterých při jejich použití dochází ke krácení pobytu nákladních vlaků. Jejich použitím dochází i ke snižování nákladů oproti parním posunovacím lokomotivám. Pro dopravu těžkých a dlouhých nákladních vlaků na horských tratích, kde by lokomotivy řady Co'Co' samy nestačily, se předpokládala nutnost použití další postrkové lokomotivy. Aby se dosáhlo současného a rovnoměrného rozjezdu, používal se dříve zvukový signál lokomotivní píšťalou. Protože signál nebyl někdy dostatečně slyšet, doporučuje se podle zavedené praxe DRB zabudování přístroje pro vysokofrekvenční přenos signálu.

Parametry navržených lokomotiv

E 18 DRB (DB/DR/BBÖ/ÖBB - 118/218/E18.2/1018)
uspořádání náprav1´ Do 1´
Rychlíková lokomotiva E 18.047 DRB, později 118.047-0 DB, dne 3. 5. 1992
projíždí žst. Buchschlag - Sprendlingen, na trati Frankfurt/M. - Heidelberg.
(Foto M. Demny, sbírka V. Výkruta)
maximální rychlost150 km/h
hodinový výkon při rychlosti 117 km/h3040 kW
trvalý výkon při rychlosti 122 km/h2840 kW
délka přes nárazníky16920 mm
vzdálenost krajních hnacích náprav12800 mm
průměr hnacích kol1600 mm
průměr kol běhounů1000 mm
adhezní hmotnost80 t
celková hmotnost108 t
výrobceAEG
rok výroby1933-1953
počet vyrobených kusů pro DRB/BBÖ55/8

Lokomotiva má 4 samostatně poháněná hnací dvojkolí a vpředu a vzadu jednoosý běhoun. Hnací dvojkolí jsou uložena ve spojitém plechovém rámu z oceli silné 26 mm. Celý rám je proveden jako svařovaný. Pro dobrý průjezd oblouky mají všechny hnací osy oboustrannou vůli 15 mm a obě střední hnací osy kromě toho ještě o 10 mm slabší nákolek. Čtyři trakční motory jsou uloženy na kozlicích přišroubovaných k rámu. Motory mají oboustranný pohon. Každý pastorek pohání příslušné ozubené kolo dutého hřídele. Přenos síly na hnací osu probíhá prostřednictvím pružin a pružinových pouzder. Kostra motoru nese ložiska hřídele kotvy a dutého hřídele. Dutý hřídel je umístěn koncentricky na ose hnacího dvojkolí a na kluzných ložiskách na kostře motoru, která jej jistí proti příčnému pohybu. Na dutém hřídeli přivařené ozubené kolo má 6 přírub, na které je přišroubován výložník pro pružinový přenos. Výložník je zhotoven ze dvou dílů a má dvě pružinová pouzdra, která vedou přenosové pružiny. Pouzdra se nacházejí na opěrném ložisku na zesíleném paprskovém kole umístěném na výměnném přítlačném dílu.

E 44 DRB (DB/DR - 144/244)
uspořádání nápravBo´Bo´
Lokomotiva E 44.046, dne 21. 10. 1990 v žst. Gaschwitz, vedle stojí 244.051-9.
(Foto G. v. Hartwig, sbírka V. Výkruta)
maximální rychlost90 km/h
hodinový výkon při rychlosti 76 km/h2200 kW
trvalý výkon při rychlosti 86 km/h1830 kW
délka přes nárazníky15290 mm
vzdálenost otočných čepů podvozku6300 mm
průměr hnacích kol1250 mm
celková hmotnost78 t
výrobceSSW, Henschel a Krauss-Maffei
rok výroby1930-1950
počet vyrobených kusů pro DRB189


E 94 DRB (DB/DR/BBÖ/ÖBB - 194/254/E94/1020)
uspořádání nápravCo´Co´
Elektrická nákladní lokomotiva E 94.279 Deutsche Bundesbahn, po 1. 1. 1968
DB 194.279-6/194.579-9 při posunu 1. 11. 1988 v žst. Kornwestheim.
(Foto U. Haller, sbírka V. Výkruta)
maximální rychlost90 km/h
hodinový výkon při rychlosti 68 km/h3300 kW
trvalý výkon při rychlosti 71 km/h3000 kW
délka přes nárazníky18600 mm
vzdálenost otočných čepů podvozku10000 mm
průměr hnacích kol1250 mm
celková hmotnost118,5 t
výrobceAEG, SSW, Elin, WLL, Henschel a Krauss-Maffei
rok výroby1940-1955
počet vyrobených kusů pro DRB/ÖBB154/47

Lokomotiva je tvořena dvěma spojenými tříosými podvozky s představbou a rámem s lokomotivní skříní. Uložení celosvařovaného rámu na každém podvozku je na odpružených kluzných stoličkách uložených po obou stranách otočných čepů a dále mezi druhou a třetí a mezi čtvrtou a pátou hnací osou na odpruženou pomocnou podpěru umístěnou v polovině vozové skříně. Pomocná podpěra umožňovala velice jemnou regulaci nápravových tlaků. V každém podvozku byly tři samostatně poháněná a v rámu pevně uložená dvojkolí. Obě prostřední dvojkolí měla o 10 mm užší nákolek. Všechna dvojkolí byla poháněna tlapovým motorem s oboustranným šikmým ozubením přes převodovku 3,95 : 1. Motor byl tlapovými ložisky upevněn na hnací ose a pružně zavěšen v rámu.

E 60; 63 DRB (DB - 160; 163)
uspořádání náprav1´C; C
Posunovací lokomotiva DB 163.001 v červenci 1974 v žst. Stuttgart.
(Foto Mehnert, sbírka V. Výkruta)
maximální rychlost50; 45 km/h
hodinový výkon při rychlosti 38; 35 km/h1074; 725 kW
trvalý výkon při rychlosti 46; 36,5 km/h820; 667 kW
délka přes nárazníky11100; 10 200 mm
vzdálenost krajních hnacích náprav6600; 4500 mm
průměr hnacích kol1250; 1250 mm
adhezní hmotnost58; 53 t
celková hmotnost72,5; 53 t
výrobceAEG, SSW; AEG, BBC
rok výroby1927-1934; 1935-40
počet vyrobených kusů pro DRB14; 8

V prvním čísle časopisu ELEKTRISCHE BAHNEN z roku 1943 vyšel poměrně rozsáhlý soubor článků věnovaných elektrizaci slovenských železnic. Obsahuje rozhodnutí vedení ministerstva dopravy a veřejných prací a vedení Slovenských železnic o způsobu elektrizace slovenských železničních tratí.
Rozhodnutí vychází zejména ze studie proveditelnosti zpracované experty firmy AEG, v některých částech se však od něj odchyluje (např. v hospodárnějším výběru počtu a řad elektrických lokomotiv), případně vybírá, eventuálně upravuje některou z navržených variant.
Na základě upřesněného předpokládaného jízdního řádu bylo pro první etapu elektrizace v úseku Spišská Nová Ves – Liptovský Mikuláš, vybráno 8 lokomotiv řady E 94 tehdejších DRB. Tento výběr byl zdůvodněn tím, že v celém úseku byla tehdy maximální rychlost 90 km/h a provozování jedné řady na všech typech vlaků se jevilo jako optimální.
Po 4 – 5 letech měl být uveden do elektrického provozu zbývající úsek Liptovský Mikuláš – Žilina. Současně měly být lokomotivy E 94 doplněny 12 rychlíkovými lokomotivami řady E 18 (DRB), které měly vést všechny osobní vlaky a rychlíky. Oproti studii AEG těchto 20 lokomotiv představovalo konečný stav.

Trakční vedení
Elektrické vzdušné dělení DRB před železničními stanicemi.
(repro Elektrische Bahnen 1/1943)
Bylo navrženo jako plně kompenzované vedení s přídavnými lany a se samostatně napínaným nosným lanem i trolejovým drátem. Svými vlastnostmi mělo zajišťovat spolehlivý odběr proudu sběračem hnacího vozidla i pro později předpokládanou rychlost 150 km/h.
V první fázi měl být použit pouze jeden trolejový drát 100 mm2 Cu. Nosné i přídavné lano bylo navrženo 50 mm2 Fe. Věšáky byly navrženy z bronzového lanka 10 mm2. Po předpokládaném zvýšení dopravních výkonů se počítalo s použitím dvou trolejových drátů 100 mm2 Cu.
Trolejový drát i nosné lano byly napínány tahem 10 000 Nm. Jako napínací zařízení měly být použity klasické, dnes již i u nás používané "Radšpany" (Radspannwerk). Maximální vzdálenost mezi stožáry byla stanovena na 70 m při předpokládané max. rychlosti větru 31 m/s a při klikatosti 400 mm. V obloucích se uvažovalo s odpovídajícím zkrácením této vzdálenosti.
Výška systému byla navržena 1750 mm, normální výška trolejového drátu nad temenem kolejnice 6250 mm. Podle zkušeností tehdejších DRB bylo navrženo kloubové uchycení ramen ke stožárům. Pro zlepšení spolupráce sběrače s trolejovým vedením bylo použito plně kompenzované vedení. Izolátory byly umístěny v ramenech. Stožáry byly navrženy z U profilů s příčkami - pozdější naše ploché stožáry značené "D".
Ve stanicích byly navrhovány příčné převěsy. K příčnému vymezení polohy trolejového drátu a nosného lana sloužila horní a dolní příčná směrová lana. Pro převěsy byly ve stanicích použity příhradové stožáry (obdoba našich stožárů AP). K umožnění pohybu při délkových změnách nosného lana vlivem kolísání teploty byla lana v závěsech vedena v kladkách.
U pevných bodů byla ramena a nosná lana kotvena silou 3000 N na sousední podpěry. Trolejový drát byl kotven na nosné lano dvěma šikmými věšáky. Normální dálka kotevního úseku činila při rozpětí 70 m asi 1540 m. Výměnné pole bylo vytvořeno pomocí dvou vložených stožárů, každý se dvěma systémy ramen. Radspany byly umístěny na následujících příhradových stožárech (AP). Mezi stanicí a širou tratí bylo mechanické dělení provedeno současně jako elektrické. V elektrickém dělení byly ve výměnném poli vedeny oba systémy paralelně ve vzdálenosti 500 mm. V místě vložených stožárů byl nabíhající trolejový drát o 500 mm výše, než pojížděný trolejový drát. Elektrické propojení obou úseků bylo navrženo přes růžkový odpojovač na stožáru. Jako účelné bylo doporučeno dálkové ovládání odpojovačů ze stanice.
Trakční vedení jednotlivých kolejí bylo v železničních stanicích rozděleno do skupin. Hlavní koleje ve stanicích byly vždy elektricky odděleny, aby případné výpadky neovlivnily provoz v druhém směru. Trakční vedení v tunelech bylo provedeno stejným způsobem. Vzdálenost závěsů byla samozřejmě menší.
Jako ochrana podpěr a ostatních neživých části před nebezpečným dotykovým napětím bylo navrženo spojení s kolejemi. Ve větších nádražích se provádělo příčné propojování kolejí. Pro ukolejňování i pro příčná propojení se používal zinkovaný železný drát o průměru 10 mm. Navrhované izolátory byly dříkového provedení s různými armaturami s možností použití jako tahové nebo do ramen.

Elektrárny
V první fázi měla být vybudována jedna měničová stanice s rotačními měniči 50/16,7 Hz, napájená ze sítě energetiky. Jako další krok byla výstavba dvou vodních přečerpávacích elektráren na Váhu. Měničová stanice potom měla sloužit jako rezerva pro špičky a pro poruchové stavy. Tento úsek měly tedy napájet:
  • 1 měničová stanice v Popradě napájená z rozvodné energetické sítě se 2 měniči frekvence 50/16,7 Hz, o výkonu 5 MW,
  • 1 vodní elektrárna poblíž Kraľovan se dvěma generátory po 5 MW, 15 kV, 16,7 Hz
  • 1 vodní elektrárna poblíž Liptovského Hrádku s jedním generátorem 5 MW, 15 kV, 16,7 Hz
Roční průměrný výkon byl určen:
  • normální provoz...6,045 MW
  • špičkový výkon...8,699 MW
Při respektování výkonu nutného pro pomocná a technologická zařízení jako např. vlastní spotřeby napájecích stanic, předtápěcích zařízení, napájení dep, opraven trakčního vedení, nabíjecích stanovišť pro akumulátorové vozíky a ztrát v napájecích vedeních apod., se zvýšil roční průměrný výkon:
  • normální provoz...7,1 MW
  • špičkový výkon...10,2 MW
Při započítání 25 % rezervního výkonu a při respektování nutných výluk pro údržbu v elektrárnách odpovídá instalovaný výkon v elektrárnách 25 MW.
Trakční vedení 15 kV, 16,7 Hz s jednoduchou izolací a
s otočnými trubkovými konzolami. Společné kotvení nosného lana
a trolejového drátu.
(repro Elektrische Bahnen 1/1943)
Navržený výkon je pro uvažovanou spotřebu bez rezerv. Bylo proto doporučeno, i vzhledem k uvažovanému pokračování elektrizace, vybudovat stavební část všech elektráren s možností doplnění zařízení na dvojnásobný výkon. Existovala ještě další varianta - stavba pouze jediné vodní elektrárny zhruba v polovině trati. Na podkladě zadání a známých údajů nebylo však možno ve stanoveném čase určit přesně variantní řešení. Za určitých provozních a místních podmínek mohla být totiž výstavba jediné vodní akumulační elektrárny s velkým výkonem podstatně ekonomičtější. Konečné řešení způsobu výroby potřebné trakční energie mělo být ponecháno na pozdější dobu, po technickém vyjasnění problémů a v návaznosti na další záměry v elektrizaci země.

Dálkové vedení
Dálkové vedení mělo sloužit pro napájení trakčních napájecích stanic elektrickou energií z drážních elektráren (z měničové stanice). Bylo zvoleno jeho provedení v sestavě jedna provozní a jedna rezervní smyčka o napětí 110 kV, 16,7 Hz. Pro elektrizaci tohoto pouze 165 km dlouhého úseku by bylo možno použít i nižší napětí. Avšak s ohledem na další předpokládanou elektrizaci a na vhodnost použití již v Německu a v dalších zemích, které používají tuto trakční soustavu, vyvinutého a vyráběného jednotného systému, bylo rozhodnuto použít napětí 110 kV. Připojení napájecích stanic k dálkovému vedení bylo navrženo pomocí krátkého kabelového vedení.

Napájecí stanice
Pro napájení elektrizované tratě Spišská Nová Ves - Žilina byly při použití trakční proudové soustavy 15 kV, 16,7 Hz a jednotné sestavy trakčního vedení tehdejšího DRB, tj. trolejový drát 100 mm2 Cu a nosné lano 50 mm2 Bz nebo Fe navrženy tři napájecí stanice (UW - Unterwerk). Jejich poloha byla volena jednak podle předpokládaného zatížení tratě a jednak podle předpokládané pozdější elektrizace odbočujících tratí.
Napájecí stanice byly navrženy s dělenými sběrnicemi, dále s jednou zkušební sběrnicí a s jednou sběrnicí pro náhradní napájení (při poruše napáječového vypínače). Byly vybaveny transformátorem vlastní spotřeby. Byly navrženy tři napájecí stanice:
  • UW I Poprad Velká km 111,0
  • UW II Liptovský Mikuláš km 169,0
  • UW III Vrútky nákladní stanice km 227,0
Poloha napájecí stanice UW I byla volena v Popradu Velká z toho důvodu, že se nachází uprostřed stoupání mezi Spišskou Novou Vsí a Štrbou a dále z důvodu, že v Popradu odbočuje další trať, která může být při pozdější elektrizaci napájena z hlavní trati. Kromě toho z UW I bylo možno v případě výluky UW II napájet i úsek do Liptovského Mikuláše.
Jako nejvhodnější místo pro UW III byla zvolena nákladní stanice Vrútky. Při této konfiguraci by bylo snadné oddělit napájení nákladní stanice od hlavní tratě a tím zvýšit spolehlivost napájení. Kromě toho odbočuje ve Vrútkách trať na jižní Slovensko přes Zvolen, jejíž elektrizace se rovněž předpokládala. Dalším důvodem bylo vysoké zatížení úseku Vrútky - Žilina (22 km dlouhé hrdlo), takže bylo účelné tento jednostranně napájený úsek volit co nejkratší.
Poloha UW II byla víceméně určena polohou UW I a UW III. Za předpokladu volby stejně dlouhých úseků mezi UW II - UW III a UW II - UW I vychází zhruba žst. Liptovský Mikuláš. Po zvýšení dopravního zatížení tratě se uvažovalo úsek mezi UW II a UW I vybavit buď zesilovacím vedením nebo doplnit druhý trolejový drát 100 mm2 Cu. Pokud by se ovšem poloha UW II posunula směrem k nejvyššímu bodu tratě - k žst. Štrba, nebylo by nutno provádět uvedené úpravy. Uprostřed úseků mezi napájecími stanicemi měly být vybudovány spínací stanice. Tím měla být umožněna spolupráce dvou sousedních napájecích stanic. Na koncích elektrizované tratě ve Spišské Nové Vsi a v Žilině se předpokládala rovněž výstavba spínacích stanic.
Vybudováním spínacích stanic byla dána možnost účelně oddělit napájení skupin kolejí osobních i nákladních stanic a tím podstatně zvýšit provozní spolehlivost. Ve spínacích stanicích bylo možno spínat trakční vedení mezi dvěma napájecími stanicemi podélně i příčně. Při velkých provozních zatíženích, např. při jízdě do stoupání bylo možné příčné sepnutí obou stop trakčního vedení. Největší spínací stanice měla být vybudována v žst. Vrútky. Měla být vybavena jednou sběrnicí, dvěma napáječovými vypínači pro napájení traťového trakčního vedení, jedním napáječovým vypínačem pro přívod napájecího vedení a jedním pro napájení trakčního vedení ve stanici.

Vypočítaný roční průměr odebíraného výkonu napájecích stanic:
normální provozšpičkový provoz
UW I1,915 MW2,612 MW
UW II1,805 MW2,693 MW
UW III2,325 MW3,394 MW


Uvedené výkony zahrnují všechny přirážky pro elektrický provoz (elektrické topení apod.), nezahrnují však vlastní spotřebu napájecí stanice. Pro vlastní dimenzování napájecích stanic a trakčního vedení se vycházelo z respektování nepravidelností v grafikonu způsobených poruchami, zpožděními apod. Trakční vedení a napájecí stanice měly být dimenzovány na nejvyšší zatížení, které se může vyskytnout. Navržené trakční vedení při vnější teplotě +30 až -40 0C může být trvale zatíženo proudem o hustotě 5 A/mm2 a po dobu 15 minut proudem o hustotě 7,5 A/mm2, aniž by došlo k poškození vodičů přehřátím. Pro jednotnou sestavu DRB (2x100 mm2 Cu a průměrné opotřebení trolejového drátu 20%) jsou potom následující hodnoty:

Trvalý výkon: 2 x 5 x 2 x 80 x 16,5 = 26,5 MW
Čtvrthodinový výkon: 2 x 7,5 x 2 x 80 x 16,5 = 40,0 MW

Napájecí stanice měly být tedy dimenzovány na mezní výkon trakčního obvodu, vč. rezervní přirážky, ačkoliv těchto výkonů mohly dosáhnout pouze ve výjimečných případech. Oteplení trolejového drátu proto nemohlo v praxi dosáhnout nebezpečných hodnot.

Podle grafikonu vlakové dopravy byla vyčíslena následující špičková zatížení:
UW I - Poprad Velká
střední zátěž 1 hodinu5,447 - 5,73 MW
střední zátěž 1/2 hodiny6,396 MW
střední zátěž 4 - 5 minut11,0 - 12,0 MW
střední zátěž 20 - 30 sekund15,7 MW
střední zátěž 10 - 20 sekund16,4 MW

UW II - Liptovský Mikuláš
střední zátěž 1 hodinu5,77 - 6,433 MW
střední zátěž 1/2 hodiny6,954 MW
střední zátěž 20 - 30 sekund11,0 - 12,0 MW
střední zátěž 10 - 20 sekund16,8 MW

UW III - Vrútky nákladní stanice
střední zátěž 1 hodinu6,271 - 6,891 MW
střední zátěž 1/2 hodiny8,232 MW
střední zátěž 20 - 30 sekund17,8 MW
střední zátěž 10 - 20 sekund21,8 - 22,8 MW

Vzhledem k předpokládanému budoucímu nárůstu dopravy však bylo nutno ponechat v napájecích stanicích místo pro budoucí rozšíření. Zejména to bylo vzhledem k dalšímu pokračování elektrizace nutné u UW I - Poprad Velká a UW III - Vrútky nákladní stanice. Napájecí stanice UW II -Liptovský Mikuláš, která leží uprostřed, měla být výhledově nejméně zatížena. Proto se uvažovalo s tím, že při první výstavbě ji bude možno vybudovat bez rezervy.
Jednotlivé napájecí stanice byly osazeny následujícími přístroji:
  • UW I – 2 transformátory 110/17,5 kV po 6,5 MVA, jeden v provozu a druhý jako rezervní.
  • UW II – 2 transformátory 110/17,5 kV po 6,5 MVA, oba v provozu, bez rezervního transformátoru.
  • UW III – 1 transformátor 110/17,5 kV s výkonem 6,5 MVA, v provozu, plus 1 pojízdná napájecí stanice o výkonu 6,5 MVA, 110/17,5 kV v provozu a jeden transformátor 6,5 MVA, 110/17,5 kV jako rezerva.
Trakční transformátory byly navrženy se třemi odbočkami na sekundáru, převod 115 kV / 18 kV – 17,5 kV – 16,5 kV, kmitočet 16,7 Hz. Ztráty v železe u této výkonové řady činily 18 kW, ztráty v mědi 57 kW. Primární vinutí bylo s typovou izolací řady 110 kV, sekundární vinutí bylo izolováno jako řada 30 kV. Podle zkušeností z německých železnic byly transformátory navrženy tak, aby bylo možno je převážet na hlubinovém voze. K tomu, aby nepřesáhly průjezdný průřez, nebylo třeba žádných úprav, demontáže radiátorů apod. Průchodky 110 kV byly namontovány ve vodorovné poloze. Váha transformátoru byla 53 t. Jako výkonové vypínače byly doporučeny v drážním provozu ověřené tlakovzdušné vypínače firmy AEG. Tento druh vypínačů byl navržen jak na primární, tak na sekundární straně transformátorů. Vypínače byly dodávány jako dvoupólové jak pro venkovní, tak pro vnitřní prostředí. Na soustavě 110 kV, 16,7 Hz mohly spolehlivě vypínat výkon až 700 MVA.

Poznámka: Tento typ vypínačů byl po roce 1950 použit a spolehlivě pracoval na některých měnírnách v rozvodnách 22 kV při počátcích elektrizace úseků Spišská Nová Ves – Žilina a Česká Třebová – Praha.

Na sekundární stranu byl doporučen tlakovzdušný vypínač v provedení k uchycení na stěnu pro vnitřní prostředí, napěťové řady 30 kV, s vypínacím výkonem 300 MVA. Pro převozné napájecí stanice se používaly tlakovzdušné vypínače výhradně pro venkovní prostředí. Všechny typy tlakovzdušných vypínačů využívaly pro zhášení oblouku tlakový vzduch ze staničního kompresoru o tlaku 9,5 – 11,5 atm. I ostatní materiál a přístroje doporučovali autoři projektu provést podle zavedené praxe německých drah. Jako pomůcku pro projekční činnost doporučují stať A. Ganzenmüllera „Napájecí stanice pro dálkovou železniční dopravu, zásady výstavby a výběru místa“ uveřejněnou v závěrečném čísle ročníku 1941 časopisu Elektrische Bahnen.
Schéma napájení trakčního vedení (G - elektrárny, T - napájecí stanice)
(repro Elektrische Bahnen 1/1943)

Napájecí vedení z napájecích stanic k trakčnímu vedení
Napájení trakčního vedení ze všech třech napájecích stanic bylo navrženo kabelovým vedením 150 mm2 Cu. Zvláštní přívodní vedení od napájecí stanice Vrútky nákladní nádraží ke spínací stanici Žilina bylo navrženo jako venkovní vedení na trakčních stožárech ve variantách 2x 185 mm2 Fe nebo 1x 210 mm2 AlFe6 (183,8 mm2 Al + 31,7 mm2 Fe). Jako izolátory byly navrženy stejné tyčové (dříkové) izolátory jako pro trakční vedení. Pro zvýšení bezpečnosti měly být použity dvojité vazy a v obloucích závěsy ze dvou izolátorů do "V".

Ostatní netrakční zařízení

Osvětlování železničních vozů
Způsob osvětlování v železničních vozech nesouvisí přímo s elektrizací tratí. Přesto bylo doporučeno, aby při modernizaci dopravních zařízení byl jako náhrada tehdy používaného osvětlování pomocí plynových nebo olejových svítidel navržen a realizován moderní způsob osvětlování pomocí elektrických svítidel. Pro tyto účely doporučili autoři studie použití způsobu vyvinutého firmou „Gesellschaft für elektrische Zugbeleuchtung m.b.H., Berlin“. Tato dceřiná firma AEG prováděla dodávky a montáž elektrických osvětlovacích zařízení pro DRB. Firma dodávala současně se zařízením i drážní předpisy pro montáž, používání a údržbu těchto zařízení, včetně vozidlových akumulátorů.

Osvětlování železničních budov a prostranství napájené z trakčního vedení
Při osvětlování venkovních železničních prostranství nepůsobí nízký kmitočet trakčního napětí problémy jako například při písemných a jiných pracích v kancelářích apod. K napájení osvětlovacích vnějších zařízení postačuje stožárová trafostanice (na vhodné podpěře trakčního vedení) přiměřeného výkonu s jednoduchým rozváděčem na sekundární straně. Pro osvětlování vnitřních prostor byla uvedena možnost odstranit nepříznivé účinky nízkého kmitočtu usměrněním a vyhlazením trakčního proudu. Výše zmíněná firma rovněž dodávala vhodná zařízení i pro tento účel.
Muzejní stroj E 94.192 (v. č. 18185/1956) patřící Bayerischen
Eisenbahnmuseums Nördlingen projíždí 20. 05. 2004 v čele zvláštního vlaku
stanicí Hallwang-Elixhausen.
(foto Kajetan Steiner)

Nabíjecí zařízení akumulátorových lokomotiv
K elektrickým zařízením, která bylo možno také napájet z trakčního vedení, patřilo nabíjecí zařízení akumulátorových (v tomto případě posunovacích) lokomotiv. Byla navržena transformátorová stanice ve venkovním provedení na trakčním stožáru. Požadovaný nabíjecí výkon je poměrně nízký. Navržené nabíjecí zařízení dávalo 21 A při napětí 246–322 V. Byl navržen rtuťový usměrňovač ve společném ocelovém pouzdru s nadproudovou ochranou. K zařízení patřila ještě nabíjecí tlumivka (k vyhlazení nabíjecího proudu) a automatický vypínač, který kromě ochranné funkce sloužil také k ukončení nabíjení.

Předtápěcí zařízení
Předtápěcí zařízení je ve studii navrženo takovým způsobem, že odpovídá i dnešním požadavkům technickým i bezpečnostním. Bylo navrženo jako pevné i jako převozné. Napájení bylo provedeno opět z trakčního vedení. Vysokonapěťové zařízení bylo tvořeno trakčním odpojovačem a pojistkou. Od sekundárního rozváděče s napětím 1000 V odbočují napájecí kabely k jednotlivým předtápěcím stojanům v kolejišti. Předtápěcí zařízení mělo i blokování proti zapnutí a vypnutí zásuvky pod zátěží založené na stejném principu jako mají dnešní předtápěcí zařízení.

Elektrický ohřev výměn
Nezávisle na elektrizaci železniční tratě se doporučuje pro zimní období vybavit důležité výhybky v železničních stanicích elektrickým ohřevem. Na elektrizované trati Žilina – Spišská Nová Ves doporučuje studie tato zařízení napájet z trakčního vedení opět pomocí stožárové trafostanice. Je doporučen transformátor s převodem 15000/380/40V používaný v té době na DRB běžně k tomuto účelu.

Předpokládané a odhadované ceny
Celkovou cenu prací odhadují autoři studie AEG následovně:

Poznámka: V nákladech se uvádí rozpočet plného navrženého rozsahu elektrizace, bez dodatečných úsporných opatření (např. v pořizovacích nákladech lokomotiv). Ceny jsou uvedeny v tehdejších „říšských markách“ (Reichsmark). 1 RM měla tehdy hodnotu 10 českých protektorátních korun.

Hlavní náklady
a)
 
 
33 lokomotiv
3 posunovací lokomotivy
1 motorový a 1 řídící vůz
15,00 mil. RM
b)
 
3 napájecí stanice
4 spínací stanice
  5,01 mil. RM
c)trakční vedení - cca 500 km rozvinuté délky při úplném zdvojkolejnění13,80 mil. RM
d)dálkové vedení 110 kV - cca 120 km  2,50 mil. RM
e)kabelizace slaboproudu  5,00 mil. RM
 celkem vlastní elektrizace cca41,31 mil. RM

Vedlejší náklady
f)zajištění průjezdného průřezu a zlepšení trati (druhá kolej) 13,20 mil. RM
g)dodávky, výkony, výkup pozemků, výbava a mzdy pracovníků  1,35 mil. RM

Závěr
Ze studie i z článků v časopisu EB je patrná možná až překvapivě vysoká úroveň znalosti řešené problematiky. Stručně je možno na základě této studie i dalších pramenů konstatovat, že v elektrotechnice a konkrétně v oboru elektrické trakce existovaly již tehdy znalosti a řešení prakticky na dnešní úrovni a že energetické výpočty, návrh a dimenzování napájení, rozmístění napájecích stanic, výpočet trakčního vedení a další parametry by se v dnešní době příliš nelišily. A že to, co nyní máme navíc proti tehdejší době, spočívá v technologiích a to zejména v elektronice.


 
© SPŽ