Rybník - Lipno nad Vltavou od 1500 V DC k 25 kV, 50 Hz AC

V pátek 17. října 2003 byl slavnostně ukončen provoz stejnosměrné napájecí soustavy 1 500 V na trati z Rybníka do Lipna nad Vltavou v úseku Rybník - Vyšší Brod klášter. Stalo se tak téměř na den přesně po 92 letech od zahájení provozu, protože první vlak po trati do Loučovic projel 18. října 1911. Ukončení stejnosměrného provozu je zde spojeno se zahájením další etapy elektrizace tratě Horní Dvořiště - České Budějovice. V rámci této stavby bude v celé délce trati Rybník - Lipno nad Vltavou vybudováno nově trakční vedení (TV) pro střídavou soustavu 25 kV, 50 Hz, v žst. Lipno nad Vltavou trakční transformovna (TT) a v žst. Rybník spínací stanice (SpS). Modernizací projde také staniční a traťové zabezpečovací zařízení, včetně osvětlení všech stanic a zastávek. Také bude prodloužen optický kabel z Vyššího Brodu až na Lipno, ale na rozdíl od úseku Rybník - Vyšší Brod klášter bude zavěšen na trakčních podpěrách. Jednofázový systém 25 kV, 50 Hz bude na "Lipence" již třetí napájecí soustavou, neboť od zahájení provozu v roce 1911 až do roku 1956 byla dráha provozována se stejnosměrnou napájecí soustavou 1 200 V.

Ještě než se dostaneme k blízké budoucnosti "Lipenky", připomeneme si, čím byla z hlediska technických řešení v oboru elektrické trakce až do dnešních dnů unikátní. Jedinečným technickým řešením byly použité typy, resp. sestavy trakčních vedení.

V letech 1953 až 1959 proběhla první komplexní rekonstrukce TV v celé délce tratě, kdy bylo původní prosté nekompenzované vedení na dřevěných stožárech nahrazeno nově vyvíjenými TV pro vedlejší tratě. Šlo o tzv. lehká vedení; v tomto případě to bylo polokompenzované šikmé řetězovkové vedení, použité na širé trati, a prosté vedení nekompenzované (se sezonní regulací) ve stanicích. O deset let později proběhla druhá etapa praktických zkoušek lehkých trakčních vedení, v rámci níž bylo v některých úsecích "Lipenky" instalováno prosté vedení s přídavným lanem, šikmé řetězovkové samonosné vedení a plně kompenzované šikmé řetězovkové vedení.

Lipenská trať se tak stala zkušební laboratoří projektantů a konstruktérů TV, k nimž patřili zejména Ing. Jiří Němec, Ing. Vítězslav Hedbávný a další lidé spjati s ČSD ÚP 30 Elektrotrakce, SUDOP, VÚŽ, s Elektromontážními závody, Elektrizací železnic a Škodovými závody v Plzni.

Původní dřevěná trakční podpěra se závěsem pro prosté vedení se nacházela u odbočky do Loučovické papírny (6. 8. 2001).

Prvním typem šikmého řetězovkového vedení, se kterým se bylo možné na lipenské trati setkat nejčastěji, bylo polokompenzované šikmé řetězovkové vedení, tvořené měděným (dále jen Cu) trolejovým drátem o průřezu 100 mm² a ocelovým nosným lanem o průřezu 50 mm². Trolejový drát byl napínán silou 10 kN a nosné lano bylo pevně kotveno. Vedení bylo upevněno na pevných vodorovných uzemněných konzolách, které byly namontovány na vetknutých ocelových stožárech typu D. A co konstruktéry vedlo k tomu, aby použili šikmé vedení? Byly to výhody, plynoucí z jeho specifických mechanických vlastností.

Konstrukční princip šikmého řetězovkového vedení spočívá v tom, že závěs nosného lana je vychýlen z osy koleje směrem ke stožáru. Tím vzniká v závěsu horizontální složka síly, která odtahuje trolejový drát z přímé, a závěs tak nahrazuje funkci bočního držáku. V přímém úseku tratě se výchylky střídají na obě strany od osy, v obloucích jsou vychýleny jen na vnější stranu. Pomocí šikmých věšáků je trolejový drát odtahován v rovině sjízdnosti sběrače vždy ve směru závěsu a tvoří tak v přímé trati jakousi sinusovku, která plní funkci klikatosti, ovšem v plynulé křivce bez zlomů v místech závěsů. V obloucích sleduje trolejový drát přibližně zakřivení osy koleje. Proto je možné u šikmých vedení v obloucích podstatně zvětšit vzájemné vzdálenosti závěsů, které jsou u svislých vedení s klikatostí omezeny vždy sečnou oblouku. Vzájemným působením sil obou vodičů sleduje pak trolejový drát v přímé trati rovinnou sinusovku a nosné lano složitou prostorovou křivku s nejvyššími body v místech závěsů. Z výše uvedeného plyne, že šikmé vedení je výhodné nejen z hlediska celkové pružnosti vedení, ale i z hlediska ekonomického. Zejména u jednokolejných tratí s četnými oblouky je patrná úspora počtu stožárů. Další úspory plynou z vlastní konstrukce šikmého vedení, kdy v podstatě nejsou potřeba konzoly tak, jak je známe u svislých řetězovkových vedení.

Naopak nevýhodou je náročnější montáž a s tím související projektování tohoto typu vedení. Šikmé vedení by mělo mít menší odolnost proti odvanutí větrem. Přestože tato vlastnost nebyla skutečně prokázána, byl jeden kotevní úsek TV na "Lipence" upraven tak, aby byla kompenzována. Úprava provedená v roce 1968 spočívala v tom, že šikmé polokompenzované vedení bylo upraveno na plně kompenzované a ocelové nosné lano bylo nahrazeno bronzovým (dále jen Bz) o průřezu 35 mm². Trolejový drát i nosné lano byly napínány silou 6 kN. Tímto způsobem byl upraven jeden kotevní úsek, nacházející se v km 1,960 až 3,060.

Třetím typem TV použitým mezi Rybníkem a Lipnem nad Vltavou je šikmé samonosné vedení. Jde o zvláštnost mezi systémy trolejového vedení vůbec - řetězovkové vedení je provedeno se dvěma vystřídanými trolejovými dráty, v tomto případě 80 mm² Cu. Nosné lano zde bylo nahrazeno druhým trolejovým drátem, a to tak, že mezi středy sousedních rozpětí byl vždy jeden trolejový drát sjízdný a druhý měl funkci nosného lana; uprostřed rozpětí se pak sjízdný drát změnil v nosný. Uprostřed rozpětí, v místě vystřídání obou trolejových drátů, byl nejkratší věšák nahrazen svorkou. Oba trolejové dráty byly na obou koncích pevně zakotveny; byly tedy nekompenzovány, protože samonosná vedení kompenzují vliv teplotních změn sama (při teplotní dilataci dochází ke změně výšky TV nad TK). Tento druh vedení, projektovaný Ing. Němcem, byl namontován na prvním kotevním úseku širé tratě za žst. Rybník v délce asi 980 m. Jistou nevýhodou bylo, že by při maximálním opotřebení bylo třeba demontovat oba trolejové vodiče, přičemž znehodnoceny by byly vždy jen ty úseky trolejového drátu, které byly pojížděny - tedy jen polovina vlastní délky vedení. K tomu ovšem nikdy nedošlo - vedení v tomto úseku nebylo nikdy vyměněno, a tak po dobu téměř 40 let vydrželo bez větších oprav. To svědčí nejen o kvalitě montáže a údržby, ale také o vhodnosti této koncepce.

Motorový vůz M 232.206 (ex 51.037) sloužil na Lipence jako pracovní vůz při montáži prostého vedení s přídavným lanem. Což dokumentuje snímek vozu někde mezi Rybníkem a Jenínem (foto archiv EŽ Praha).

Další skupinou lehkých trakčních vedení, která byla na "Lipence" zkoušena, jsou vedení prostá. Prvním typem bylo prosté kompenzované vedení, které bylo použito ve stanicích a výhybnách. Bylo namontováno jako svislé prosté vedení na převěsech, původně napínané u kotvení pomocí pružin, ovšem se sezónní regulací. Později byl trolejový drát v některých případech zakotven též pohyblivě. Toto vedení bylo namontováno v dopravnách Rybník, Rožmberk nad Vltavou, Vyšší Brod klášter, Loučovice a Lipno nad Vltavou. Prosté vedení na konzolách je používáno na vlečkách v Loučovicích a ve Vyšším Brodě.

Druhým typem je prosté vedení s přídavným lanem (někdy také nazývané jako šikmé prosté vedení), kde je závěs doplněn bočným držákem, jehož silové působení "proti" přídavnému lanu má zvýšit odolnost TV proti odvanutí větrem. Tento typ vedení byl vyvinut z podobných důvodů jako šikmé vedení plně kompenzované (tedy kvůli vyšší odolnosti proti odvanutí větrem). Takto upravené vedení bylo namontováno v druhém kotevním úseku TV mezi Rybníkem a Jenínem. Tento typ vedení je úspornou variantou prostých vedení s poměrné velkou vzdáleností závěsů. Průhyb trolejového drátu 80 mm² Cu je do značné míry kompenzován závěsy přídavného lana 35 mm² Bz. Přídavné lano je u tohoto druhu vedení poměrně dlouhé (16 až 24 m) a jeho délka se stanovuje v závislosti na velikosti rozpětí. Vzhledem k tomu, že závěsy jsou namontovány na původních stožárech šikmého vedení, jsou v přímých úsecích umístěny střídavě po obou stranách tratě a v obloucích po její vnější straně (jde tedy i v tomto případě o jistý druh šikmého vedení). Další vývoj této koncepce vedení, tedy s přídavným lanem, byl završen v podobě sestavy P, což je sestava prostého vedení s přídavným nosným lanem, určená pro elektrizaci vedlejších tratí a vleček.

Trať Rybník - Lipno nad Vltavou se tak stala nejen druhou elektrizovanou tratí na území dnešní České republiky, ale také významnou zkušební tratí českých tvůrců a konstruktérů trakčního vedení, kteří zde sbírali nové poznatky pro svou činnost.

A nyní k nejbližší budoucnosti "Lipenky". Po elektrizaci tratě z Českých Budějovic do Horního Dvořiště nastala zajímavá situace v oblasti jejího napájení. Byla zde totiž vybudována pouze jedna trakční transformovna (TT Velešín) a v celé délce tratě neexistuje v případě její poruchy žádná záloha. Tento problém byl nakonec vyřešen tak, že bude postavena trakční transformovna Lipno, která bude moci v případě nefunkčností TT Velešín ve spolupráci s TT Nemanice napájet trať z Velešína až po státní hranici. To není nejvýhodnější z hlediska topologie napájecí sítě 25 kV, ale bohužel nebylo dostupné jiné místo s připojením k distribuční síti 110 kV. Nové trakční vedení mezi Lipnem a Rybníkem bude plnit funkci jak trakčního, tak i napájecího vedení. Tento požadavek byl rozhodující z hlediska použitého TV, jehož konečná podoba byla dána energetickými výpočty. Z těchto výpočtů vyplynulo pět možných konfigurací TV včetně konfigurace napájení.

Snímek šikmého polokompenzovaného řetězovkového vedení v přímé trati ukazuje sinusovou trajektorii trolejového drátu (foto Milan Šrámek 21. 2. 2003).

První alternativou bylo TV svislé řetězovkové, tvořené trolejovým drátem Cu 100 mm² a nosným lanem Cu 120 mm², přičemž by TT Lipno napájela pouze trať Rybník - Lipno nad Vltavou a v případě poruchy TT Velešín by přes SpS Rybník mohla napájet i úseky Rybník - státní hranice a Rybník - Velešín. Nevýhodou tohoto řešení by byla atypická sestava TV, výstavba SpS Rybník a nízké využití trakčního transformátoru TT Lipno, spojené s jeho vyššími ztrátami. Naopak výhodou by byla díky konfiguraci a dělení možnost rychlého vyhledávání poruch.

Druhá možnost je obdobná jako první s tím rozdílem, že TV bylo navrženo jako prosté s trolejovým drátem Cu 80 mm² (sestava P) a se zesilovacím vedením Cu 120 mm². Výhodou tohoto provedení by byla jednodušší konstrukce TV a nižší reaktance vedení proti svislému řetězovkovému vedení. Nevýhodou této alternativy by byla nutnost instalace zesilovacího vedení a horší vlastnosti TV z hlediska odběru trakční energie.

Další verze provedení TV spočívala ve změně konfigurace napájení, přičemž mohlo být použito vedení buď prosté, nebo řetězovkové. Základní napájení úseku Lipno - Rybník - státní hranice by zabezpečovala TT Lipno přes SpS Rybník, úsek Velešín - Rybník by napájela TT Velešín. Výhodou tohoto řešení by bylo zvýšení zatížení TT Lipno a tím i snížení ztrát trakčního transformátoru, nevýhodou pak nutnost výstavby neutrálního pole na hlavní trati.

Čtvrtá alternativa počítala s řetězovkovým vedením v kombinací trolejový drát Cu 100 mm², nosné lano Bz 50 mm² a napájecí vedení měděným lanem 2 x 95 mm², zavěšeným vně trakčních podpěr. Za normálního stavu by TT Lipno napájela jedním napáječem trať Rybník - Lipno nad Vltavou, v případě výpadku TT Velešín by jeden napáječ TT Lipno napájel úsek Lipno - Rybník - státní hranice a druhý, pomocí napájecího vedení, úsek Rybník - Velešín. Výhodou tohoto řešení by byla možnost vynechání SpS Rybník a použití typizované sestavy TV. Naopak nevýhodou by byla nutnost použití vyšších trakčních podpěr a umístění dvou napájecích okruhů na stejných trakčních podpěrách. Nevýhodná by byla i instalace neutrálního pole na hlavní trati.

Poslední, pátá možnost řešení vychází z toho, že základní napájení pro trať Rybník - Lipno nad Vltavou zabezpečí TT Lipno a v případě poruchy TT Velešín bude TT Lipno napájet prostřednictvím SpS Rybník traťový úsek Rybník - státní hranice a Rybník - Velešín. Trakční vedení by měl tvořit trolejový drát Cu 100 mm² a nosné lano 50 mm² Bz jako svislá řetězovka. Tento způsob řešení je z finančního hlediska nejvýhodnější, ale bude nutno vyřešit úpravu TV z hlediska jeho impedance, resp. reaktance, která je dána geometrií řetězovkového vedení. Reaktanci TV je možné upravit instalací tzv. impedančního lana nebo použitím šikmé řetězovky (mění se vzájemná poloha troleje a nosného lana vůči zemi). Pokud by se úprava reaktance vedení neprovedla, byla by jeho funkčnost z hlediska velikosti odebíraného proudu omezena.

Na základě požadavků provozovatele byla vybrána posledně jmenovaná alternativa s tím, že TV bude ve většině své délky koncipováno jako šikmé řetězovkové, čímž bude dostatečně eliminován vliv reaktance TV na parametry vedení z hlediska napájení. Nové TV bude tedy koncipováno takto: ve stanicích bude namontováno prosté vedení podle sestavy P s trolejovým drátem o průřezu 80 mm² a obcházecím vedením Cu lanem 120 mm², na širé trati pak bude v přímých úsecích použito svislé řetězovkové vedení podle sestavy S s trolejí Cu 100 mm² a nosným lanem Bz 50 mm² s podélným maximálním rozpětím podpěr 65 m, v obloucích o poloměrech 350 až 500 m a v přechodnících přejde vedení v šikmé. V obloucích o poloměrech 300 m a méně bude nosné lano šikmého vedení zavěšeno pomocí izolátoru přímo na stožáru. Vedení na širé trati bude zavěšeno na nových stožárech typu DS ve svorníkovém provedení, opatřených ochranným nátěrem v zeleném odstínu. Půjde o jednu z prvních instalací tohoto typu trakčních podpěr u ČD. Ve stanicích bude TV zavěšeno na břevnech, zachycených na příhradových nebo trubkových stožárech. V některých případech budou použity původní stožáry, ale v drtivé většině budou stavěny stožáry nové.

Závěs šikmého samonosného vedení (tzv. vystřídané vedení) v prvním kotevním úseku za žst. Rybník (6. 8. 2001).

Aby byl popis součástí TV kompletní, je třeba uvést, že v úseku Vyšší Brod klášter - Lipno nad Vltavou bude na stožárech kromě trakčního vedení instalován také výše zmíněný optický kabel, zavěšený atypicky do vrcholu stožáru a v lesních úsecích na kladkách, které jej budou chránit proti poškození pádem stromu.

Výstavba nového vedení nezahrnuje úpravu TV vleček. Tu si musí jejich vlastníci provést sami, resp. na vlastní náklady a po jejím dokončení budou napojeni na nové TV. Jak již bylo uvedeno výše, veškeré úpravy na "Lipence" souvisí s novou napájecí stanicí v žst. Lipno nad Vltavou. Ta bude velmi zajímavým technickým řešením z hlediska uspořádání, protože nedostatek prostoru, daný jednak nevyjasněnými majetkovými vztahy a také blízkostí Národního parku Šumava, neumožnil standardní prostorové řešení transformovny. Ta musela být rozdělena do tří samostatných částí. První bude tvořit přívod z vodní elektrárny (VE) Lipno, který bude umístěn přímo v areálu elektrárny. Z nového pole v elektrárně bude dvojicí kabelů 110 kV o délce cca 500 m napájen regulační transformátor 110/27 kV (10/12,5 MVA), umístěný v zastřešeném stání napravo od stávající výpravní budovy. Součástí přívodu k transformátoru je standardní konfigurace spínacích, odpojovacích, měřících a ochranných zařízení. Ze sekundární strany transformátoru bude pomocí kabelů napájena samotná rozvodna 27 kV, která bude tvořit třetí oddělenou část napájecí stanice. Tato část se bude nacházet nalevo od výpravní budovy a bude vybavena rozváděčem o pěti polích, přičemž jedno bude přívodní, dvě napáječová, jedno pro filtračněkompenzační zařízení (FKZ) a poslední bude určeno pro vlastní spotřebu. Rozváděč bude vybaven standardními přístroji, tzn. vakuovými vypínači, odpojovači s motorovým pohonem, měřícími transformátory atd. FKZ bude také v klasickém provedení s kompenzačními větvemi pro 3. a 5. harmonickou a dekompenzační větví. Celá napájecí stanice je ústředně ovládána, bude tudíž vybavena programovatelnými automaty, které budou zajišťovat veškeré řídicí, komunikační a ochranné funkce rozvoden 110 i 27 kV. Ty budou pomocí optických kabelů přenášeny na energetický dispečink ČD v Českých Budějovicích.

Druhou stavbou z oblasti elektrotechnologií je SpS Rybník, která bude situována v místě, kde do roku 1974 fungovala a dosud stála podpůrná měnírna. Spínací stanice bude realizována v tzv. třívypínačovém provedení tak, aby mohla spínat napájení jednotlivých sekcí TV pro traťové úseky Velešín - Rybník, Rybník - státní hranice a Rybník - Lipno nad Vltavou. Sekce od sebe budou odděleny neutrálními poli, která se budou nacházet pro trať do Lipna těsně před vjezdem do žst. Rybník (km 0,85) a pro úsek Rybník - Velešín na vjezdu od Omlenic (km 10,65).

Součástí rekonstrukce bude i modernizace zabezpečovacího zařízení. Všechny stanice na

Závěs prostého kompenzovaného vedení s přídavným lanem a bočním držákem v traťovém úseku Rybník - Jenín (15. 4. 2003).

trati do Lipna budou vybaveny samovratnými výhybkami, přičemž výsledné klíče budou vloženy do elektromagnetických zámků (EMZ). Každé zhlaví a sudá a lichá skupina kolejí ve stanici bude mít vlastní EMZ, což se týká i strojové stanice při žst. Vyšší Brod klášter, a také zabezpečení vlečkových kolejí a vleček. Veškerá návěstidla budou snesena a nahradí je lichoběžníkové tabulky. Jediné návěstidlo bude v žst. Vyšší Brod klášter pro krytí přejezdu. Stejně radikální obnovou projde i přejezdové zabezpečovací zařízení. Na pěti přejezdech budou instalována světelná přejezdová zařízení bez závor. K ovládání přejezdů se budou používat počítače náprav. Celá trať pak bude řízena ze žst. Rybník. Dva přejezdy budou atypické z hlediska napájení, které bude realizováno z TV. S popsanými změnami souvisí i fakt, že ČD zřejmě v roce 2005 přestanou využívat objekt zmíněné strojově stanice Vyšší Brod z 50. let 20. století, alespoň pro účely deponování hnacích vozidel. Bohužel v rámci rekonstrukce není v plánu obnova kolejového svršku.

Veškeré stavební práce by měly proběhnout v letech 2003 až 2005. Jak již bylo řečeno v úvodu, stejnosměrný provoz v úseku Rybník - Vyšší Brod klášter byl ukončen 17. října 2003. Zbývající část tratě na Lipno by měla fungovat se stejnosměrným napájením z vyšebrodské měnírny s krátkými přerušeními až do poloviny června 2004. Následující tři měsíce by měl být přerušen elektrický provoz na celé trati úplně. Od konce září 2004 by pak měl být zahájen provoz pod soustavou 25 kV, 50 Hz v úseku Rybník - Vyšší Brod klášter a veškeré práce by měly být dokončeny v červnu 2005, kdy by měl být spuštěn střídavý elektrický provoz i v úseku Vyšší Brod klášter - Lipno. Veškeré práce týkající se TV a elektrotechnologií provede Elektrizace železnic Praha, a. s.

Závěrem je nutné konstatovat, že rekonstrukcí "Lipenky" sice naše železniční historie přijde o některé významné artefakty svého vývoje hlavně v oblasti trakčních vedení, ale na druhou stranu na jejich místě vzniknou neméně významná a technicky zajímavá řešení, která časem možná budou obdivovat další pokolení. I tak "Lipenka" nadále zůstane druhou nejstarší elektrizovanou železniční tratí na území dnešní České republiky.

Názvosloví trakčního vedení

Rybník - Lipno nad Vltavou od `1500 V DC` k 25 kV, 50 Hz AC

Text a neoznačené foto redakce