Súboj modernizácií lokomotív rady 163 na koľajach na Slovensku a v Českej republike alebo česká ulička

Modernizačné projekty

Realizované boli dva modernizačné projekty, HDV rady 361 na Slovensku a HDV rady 363.5 v Česku vznikli rozsiahlou rekonštrukciou staršej jednosystémovej lokomotívy Škoda rady 163 (162), ktorých finálna podoba a zameranie sa v mnohom líšia, odzrkadľujúc tak odlišné potreby a stratégie národných železničných dopravcov.

Elektrický rušeň radu 361 (Slovensko): Znovuzrodenie "Peršinga" pre osobnú dopravu

Rad 361 Železničnej spoločnosti Slovensko, a.s., (ŽSSK) vznikol v ŽOS Vrútky, a.s., komplexnou modernizáciou jednosystémových rušňov radu 163 [1]. Cieľom projektu bolo získať moderné dvojsystémové rušne schopné prevádzky na oboch napájacích systémoch používaných na Slovensku a v Českej republike (3 kV DC a 25 kV 50 Hz AC).

Modernizácia zahŕňala dosadenie nového trakčného transformátora, striedavého hlavného vypínača, trakčného usmerňovača, meniča budenia a dvoch impulzných meničov namiesto pôvodných štyroch. Výkon trakčných motorov bol zvýšený na 900 kW. Rušeň dostal nový riadiaci systém MIREL RS 361, klimatizáciu na stanovištiach rušňovodiča, schopnosť dojazdu na 1 motorovú skupinu a hygienický kútik. Maximálna prevádzková rýchlosť bola stanovená na 140 km/h, neskôr (r. 2013) sa zmenou prevodovky vyvinula aj verzia 361.1 s rýchlosťou 160 km/h.

Hlavným zámerom modernizácie radu 361 bolo získanie spoľahlivých dvojsystémových rušňov pre diaľkovú osobnú dopravu, predovšetkým na trati Bratislava – Košice, kde odpadla potreba prepriahania na styku napájacích systémov.

Elektrický rušeň radu 363.5 (Česká republika): Dvojsystémový ťahúň pre nákladnú dopravu

Rad 363.5 pre ČD Cargo, a.s., vznikol rekonštrukciou jednosystémových rušňov radu 163 v spoločnosti Škoda Transportation v spolupráci s dcérskou firmou Pars nova, a.s., v Šumperku [2]. Hlavným cieľom bolo premeniť tieto rušne na moderné dvojsystémové stroje schopné prevádzky na napájacích systémoch 3 kV DC a 25 kV 50 Hz AC, s možnosťou viacčlenného riadenia.

Modernizácia zahŕňala inštaláciu nových trakčných meničov, umožňujúcich prevádzku na striedavom napätí, 4Q meniča aby bola možná rekuperácia brzdnej energie a systém viacčlenného riadenia. Pôvodné trakčné motory Škoda AL 4562 FiR zostali zachované, s navýšením na celkový trvalý výkon 3 700 kW. Maximálna prevádzková rýchlosť zostala na 120 km/h. Z vonkajšieho hľadiska sa rušne radu 363.5 odlišujú od pôvodných "Peršingov" zaslepenými bočnými okrúhlymi oknami a detailmi na streche.

Hlavným využitím rušňov radu 363.5 je nákladná doprava, predovšetkým preprava kontajnerových vlakov medzi severnými a južnými časťami Českej republiky a cez stykové územia trakčných sietí, vrátane prevádzky na Slovensku a v Maďarsku bez potreby prepriahania.

Tab. 1 Porovnanie základných parametrov modernizačných projektov

Oba modernizačné projekty boli realizované v dobe pred záväznou platnosťou smerníc Technickej špecifikácie interoperability (TSI), ktoré boli vypracované Železničnou agentúrou Európskej únie (ERA) a vydané Európskou komisiou. Jednotlivé TSI priamo odkazujú na európske špecifikácie, ktoré sa stávajú záväznými od začiatku uplatňovania týchto TSI.

Projekt prestavby hnacích vozidiel rady 163 – implementáciou druhého systému pro prevádzku na sieti 25 kV / 50 Hz (Česká republika)

V Českej republike prebiehali a prebiehajú rozsiahlejšie aktivity zamerané na prispôsobenie jednosystémových rušňov radov 163 pre prevádzku na striedavom napájacom systéme 25 kV, frekvencia 50 Hz. Okrem vyššie uvedeného projektu modernizácie na HDV rady 363.5 sa v roku v 2020, v dobe záväzných smerníc TSI, spustil projekt s názvom „Prestavba hnacích vozidiel rady 163 – implementácia druhého systému pro prevádzku na sieti 25 kV / 50 Hz“ [4]. Zo Zmluvy o dielo č. 601-2023-O1 [6], objednávateľa ČD Cargo, a.s., citujem k hlavnému predmetu a účelu zmluvy „vybavení hnacích drážních vozidel ř. 162 a ř. 163 ve vlastnictví Objednatele druhým systémem pro provoz i na železniční síti s trakční napájecí soustavou 25 kV / 50 Hz (dále jen „Implementace AC“) s tím, že po Implementaci AC budou vozidla označena řadou 363 a svými technickými parametry ve vztahu k systému 25 kV / 50 Hz budou odpovídat parametrům vozidel řady 363 (schválený typ 69E) (dále jen „HDV“); technické podmínky vztahující se k vozidlům řady 162/163 i vozidlům řady 363 si Zhotovitel obstaral v Ústředním technickém archivu (UTA), který archivuje technickou dokumentaci pro potřeby provozu, údržby a oprav železničních kolejových vozidel, na adrese České dráhy a.s., Generální ředitelství, OCÚ střed, Ústřední technický archiv, Chodovská 1476/3b, 140 00 Praha 4 – Michle.“

So záujmom som pátral ako sa s tým zhotoviteľ diela popasoval. To že, lokomotívy rady 363 a 163 vychádzajú z unifikovanej konštrukcie je nespochybniteľné, ale tých rozdielov je viacero. Hlavné časti, ktoré mali byť predmetom prestavby, doplnenia lokomotív, aby sa naplnil cieľ prestavby:

• Hlavný vypínač striedavého systému, nový odpojovač;
• Rezonančný filter;
• Trakčný transformátor s nádobou pre motorové tlmivky s meracími transformátormi;
• Trakčný usmerňovač;
• Úpravy silových obvodov, prepojovač vlakového kúrenia;
• Úpravy obvodov malého napätia, ovládanie, signalizácia, riadiace a regulačné obvody.

Čiastočnú odpoveď na to ako má zhotoviteľ spracovaný zámer prestavby popisuje bakalárska práca „Konverze elektrických lokomotiv řady 163 na řadu 363“ [7]. Ale podnetom na ďalšie pátranie po informáciách a následné zamyslenie sa nad projektom bola internetová diskusia na portáli K-report, český dopravný server [9].

Obr. 1: Obrazovka diskusie na verejnom fóre

Rozoberme si Zmluvné podmienky, z ktorých citát je vyššie uvedený. Za týmto citovaným predmetom zo Zmluvy pre prestavbu sa schováva zámer „vrátenia“ komponentov vozidla 363, ktoré v ňom boli, ale ich odobratím sa z tohto vozidla stalo len jednosystémové vozidlo rady 163, to je vrátenie sa do pôvodného stavu a len prečíslovanie rady, bez potreby overovania vozidla a schválenia! V skutočnosti vozidlo nebolo vyrábané ako dvojsystémové a komponenty druhého systému sa neodložili do skladu aby tam počkali 40 rokov. Takže otázkou je či sa to dá vyrobiť presne tak ako to bolo v 80. rokoch 20. storočia, keďže technický život väčšiny elektro-komponentov dávno skončil, ba aj zanikli pôvodní výrobcovia, bez náhrady.

To znamená, že pri tejto prestavbe bolo nutné nájsť a zložiť komponenty, tak aby sa absolútne dodržali všetky parametre a charakteristiky pôvodného vyhotovenia a  pôvodnej topológie vozidla. Podstatná zmena pri rekonštrukcii železničného vozidla podľa TSI a súvisiacich technických noriem je kľúčový koncept v rámci európskeho železničného systému. Určuje, kedy už jednoduchá "oprava" alebo "modernizácia" vozidla prekračuje určitú hranicu a vyžaduje si nové posúdenie zhody a potenciálne aj nové povolenie na uvedenie do prevádzky, podobne ako pri úplne novom vozidle. Úprava existujúceho železničného vozidla (alebo jeho typu), ktorá mení jeho základné charakteristiky alebo má významný vplyv na jeho bezpečnosť a/alebo súlad s požiadavkami TSI je podstatnou zmenou. Cieľom stanovených pravidiel je zabezpečiť, aby aj modernizované alebo rekonštruované vozidlá spĺňali normy a mohli bezpečne a efektívne fungovať v európskej sieti.

Pozornosť zameriame na hlavný, najväčší, komponent takejto prestavby, nový trakčný transformátor, ktorý ak by sa vyrobil podľa pôvodnej dokumentácie alebo by sa vykonal nový návrh, musí svojimi elektrickými (ale nielen) parametrami plne zodpovedať pôvodnému vyhotoveniu. Parametre nového transformátora je možné zistiť z typového štítku transformátor, ktorého fotografia bola dostupná v diskusii [8] a upozornila na niekoľko veľmi zásadných faktov.

Obr. 2: Fotografia typového štítku Trakčného transformátor lokomotívy r. 363 po prestavbe [8]

V tab. 1 uvádzam to čo považujeme za podstatné vzhľadom na citát zo Zmluvy o zhode a parametroch lokomotívy po prestavbe a to porovnanie napätí nakrátko pôvodného transformátora HDV r.363, typu ELH 6363/48 a lokomotív 363 po prestavbe.

Napätie nakrátko (U_k (V) alebo u_k (%)) je kľúčovým parametrom, ktorý charakterizuje transformátor a správanie pri skratovom stave, ale nielen. Pre vysvetlenie kontextu uvádzam definíciu a charakteristiku: Napätie nakrátko je napätie, ktoré je potrebné priviesť na primárne vinutie transformátora, aby pri skratovanom sekundárnom vinutí tiekol vstupným vinutím menovitý prúd. Udáva sa v percentách z menovitého primárneho napätia. Percentuálne vyjadrenie u_k je dôležitým ukazovateľom impedancie transformátora a vyjadruje veľkosť strát v transformátore pri zaťažení, pričom je dané hlavne indukčnosťou vinutí, ktorá ovplyvňuje zmenu výstupného napätia pri dynamických dejoch, pri zmene zaťaženia. Vyššie napätie nakrátko znamená väčší pokles napätia pri zaťažení ("mäkký" zdroj). Nižšie napätie nakrátko znamená menší pokles napätia pri zaťažení ("tvrdý" zdroj) a tiež hodnota odporu R a indukčnosti L vinutí definuje pri prechodových dejoch jeho časovú konštantu.

Tab. 2 Porovnanie napätí nakrátko transformátora TT-25000/2x1700 (lokomotíva r.363.2 po prestavbe) a pôvodného transformátor ELH6363/48

Vinutie kúrenia: rozdiel nie je zásadný a nie je to až tak podstatné pre vplyv na charakteristiky a parametre vozidla pri jazde vlaku.

Motorové vinutie: rozdiel veľký, pre charakter vlastností v dynamickom režime prevádzky to považujeme za zásadnú zmenu. Pôvodný transformátor má reaktanciu (indukčnosť) vinutia 1,6 krát vyššiu, tzn. vyšší úbytok napätia a  pre vyššiu indukčnosť iný priebeh prúdov, napätí v dynamickom móde prevádzky (zmena elektrickej časovej konštanty). Pôvodný transformátor má aj iný prevod, tj. má aj nižšie nominálne napätie. Upravená je elektrická schéma a na transformátore je aj 4. vinutie, ktoré v údajoch nie je pomenované, pôvodný transformátor to nemá. Je možné vyvodiť záver, že je to doplnené vzhľadom na potrebu napájať olejové čerpadlá, pôvodne mala lokomotíva čerpadlá 1 fázové, ktoré boli napájané z odbočky motorového vinutia, lokomotíva po prestavbe má už čerpadlá trojfázové!

K už uvedenej základnej teórii o napätí nakrátko transformátora ešte uvádzam vysvetlenie, že u_k je dané najmä indukčnosťou vinutí, ktorej hodnota závisí na počte závitov vinutia a geometrii vinutí – rozmery a vzájomná vzdialenosť vstupného vinutia a hodnoteného vinutia, to znamená, že ak by sa zmenilo rozloženie vinutí, alebo počet závitov, alebo vzdialenosť vinutí, zmenila by sa indukčnosť a tým aj u_k.

Obr. 3: Fotografia typových  údajov pôvodnej Transformátorovej súpravy lokomotívy r. 363 [11]

Vyššie bolo upozornenie na kvantifikovanie pre podstatné zmeny, tu upozorňujeme na to, že došlo k zmene elektrických charakteristík, pretože iné sú základné parametre elektrického trakčného systému, ako sú indukčnosti vinutí, prevod transformátora a tým aj a výkon, to má vplyv na dynamické charakteristiky prúdu a to môže ovplyvňovať interakciu s trolejovým vedením a koľajovými obvodmi, čo je základný systém bezpečnosti železničnej premávky!

Realita z prevádzky ukazuje, že lokomotíva po prestavbe asi vyhovuje prevádzke, asi nedochádza k nežiadúcej interferencii voči koľajovým obvodom, ale zásadne bola pozmenená elektrickú výzbroj vozidla a je otázkou či je to v súlade s predpismi pre posúdenie podstatných zmien a, zmluvou! Týmto som sa pokúsil vysvetliť výčitku o nerešpektovaní predpisov, ktoré majú za cieľ bezpečnosť železníc v úvodnej časti článku, ale vizuál typového štítku upozornil aj na ďalší krok zhotoviteľa.

Na obr. 2 je fotografia typového štítku nového trakčného transformátora z lokomotívy r. 363 po prestavbe a na obrázku 4 je typový štítok trakčného transformátora z lokomotívy r. 361. Už prvý pohľad na fotografie obr. 2, obr. 4 ponúka myšlienku o vizuálnej zhode, rozdiel len v logo výrobcu? Preto poďme aj na parametre, ktoré sú na štítkoch uvedené a v tabuľke 2 je porovnanie základných parametrov pôvodného transformátora lokomotív radu 363 (362), transformátora z lokomotívy r. 361 a transformátora z lokomotívy 363 po prestavbe.

Obr. 4: Fotografia typového štítku prototypu trakčného transformátora lokomotívy r. 361 po prestavbe, zdroj www.zelapge.cz

Tab. 3 Porovnanie základných parametrov trakčného vozidlového transformátora pôvodných HDV r.363, 362 a trakčného vozidlového transformátora z HDV r. 361

Trakčný vozidlový transformátor (TVT) HDV r.361 bol v časti elektromagnetického návrhu vyvinutý spoločnosťou EVPÚ a.s., spoločnosť ŽOS Vrútky a.s., vypracovala nový návrh nádoby TVT aj s nosičom tlmiviek a neskôr bola ŽOS Vrútky výrobcom týchto transformátorov. Z tab. 2 vyplýva, že TVT pre HDV r.361 má vyšší výkon, iné rozmery, hmotnosť a hlavne, iné prevody napätí (vyššie napätie motorových vinutí) a nižšie indukčnosti vinutí, čo bude popísané ďalej. Tento TVT svojím návrhom sledoval zadanie, ktoré definovala nová elektrovýzbroj na báze IGBT prvkov a cieľové zvýšenie trvalého (ale aj maximálneho) výkonu lokomotívy na AC systéme. Z tab. 2 taktiež vyplýva, že TVT pre HDV r.363 po prestavbe má viacero rozdielov (napätia, prúdy, hmotnosť ...) voči pôvodnému vyhotoveniu transformátora. Podrobnejší pohľad na štítky z obr. 2 a 3 upozorní aj iné:

• český produkt odvolanie na SK normy, ďalej označenia vinutia topenia N_3k (=kúrenie, v češtine topení);
• v spodnej časti štítku sú údaje motorových tlmiviek, v oboch prípadoch je uvedené ZRVT – 361. ZRVT-361 je typové označenie tlmiviek z produktového radu spoločnosti ŽOS Vrútky vyrábaných, upravených pre sadu tlmiviek lokomotívy rady 361! Prečo? Spoločnosť ŽOS Vrútky a.s., sa na projekte prestavby lokomotív na HDV r.363.2 nepodieľala, neposkytla spoločnosti ČMŽO dokumentáciu a  nedodávala blok motorových tlmiviek!

Detailnejší rozbor štítkových údajov transformátora lokomotívy r. 363 po prestavbe z r.163 upozorní na ďalšie fakty, aj keď parametre vykazujú len malé zmeny čísiel, podobá sa to na pôvodný typ (zadanie prestavby), ale:

• upravená je elektrická schéma a na transformátore je aj 4. vinutie, ktoré v údajoch nie je pomenované, pôvodný transformátor to nemá, ani TVT z r.361. Je možné vyvodiť záver, že je to doplnené vzhľadom na potrebu napájať olejové čerpadlá (pôvodne boli čerpadlá 1 fázové, napájané z odbočky motorového vinutia 2U12), prípadne iný dôvod.
• napätia nakrátko sú odlišné, či už voči transformátoru ELH6363/48 pôvodnej lokomotívy r. 363, alebo transformátoru T1T-4900/25-2x1700 lokomotívy r.361, ale to len na prvý pohľad! Dôkaz:

Keďže nový transformátor lokomotívy r. 363 po prestavbe deklaruje pôvodný výkon, má iný nominálny pracovný bod a pre tieto nominálne údaje sú na štítku stanovené (namerané) napätia nakrátko, ktoré sme kvôli porovnaniu s TVT z r.361 prepočítali na rovnaký pracovný bod. Napätie nakrátko transformátora sa určí z nameranej charakteristiky nakrátko, ktorá je priamkou vychádzajúcou z bodu (0, 0); mení sa len smernica „k“.

• Pre priamku platí vzťah y = k ∙ x                                          
• Potom pre charakteristiku nakrátko U_k = f(I_k) platí U_k  = k ∙ l_N             
• A prepočítané napätie nakrátko U_k = (U_k / U_N) 100 (%)              

Tab. 4 Prepočet napätí nakrátko transformátora T1T-4900-25/2x1700 (lokomotíva r.361) pre pracovný bod podľa nominálnych štítkových údajov transformátora TT-25000/2x1700 (lokomotíva r.363 po prestavbe)

Výsledok prepočtu napätí nakrátko u_kmot  a u_kkur  opäť ukazuje zhodu s vyhotovením TVT z HDV r.361 a len podporuje argument, ktorý je uvedený vyššie, nie je to transformátor zhodný s transformátorom podľa pôvodného vyhotovenie ale je to transformátor nie že podobný, ale zhodný s TVT z lokomotívy r. 361 s malou modifikáciou.

Spoločnosti EVPÚ a.s., a  ŽOS Vrútky, a.s., sa v odpovediach na otázku k ich zapojeniu sa do projektu prestavby HDV vylúčili účasť na projekte a aj postúpenie ich dokumentácie transformátora T1T-4900-25/2x1700 tretej osobe. Ba upozornili aj na to, že na elektromagnetické vyhotovenie transformátora má EVPÚ zapísanú ochranu duševného vlastníctva, patent č. 288212 s názvom „Obvodové a konštrukčné riešenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne“ [10] z roku 2010. Taktiež v odpovedí bola informácia aj o zamýšľanom zapojení sa do projektu, keď mala byť partnerom spoločnosti ŠKODA Pars, a.s., ktorá v rámci tendra predložila konkurenčnú ponuku a úlohou spoločnosti EVPÚ a.s., mala byť dodávka trakčného usmerňovača a práve trakčného transformátora, pričom predmetom ponuky nebol transformátor T1T-4900-25/2x1700 vyvinutý pre HDV r.361, ktorého dokumentácie je spoločnosť vlastníkom, ale predložila ponuku, ktorej predmetom bol nový vývoj (návrh a tvorba novej dokumentácie) transformátora na obraz pôvodného transformátora ELH6363/48 a následné skúšky pre potvrdenie zhody s pôvodným vyhotovením.

Na základe vykonaného prepočtu a uvedených faktov, si dovolíme tvrdiť, že transformátor pre r. 363.2 (po prestavbe) je v hlavnej časti, elektromagnetickej konštrukcie, tzn. jadro, vinutia N₁, N₂, N₃ zhodný s vyhotovením transformátora HDV r. 361. A na základe tohto tvrdím, že voči originálnemu transformátoru ELH6363/48, je tento transformátor odlišný, vinutia majú iný prevod N₁/N₂ ( 1704,5 V vs. 1667 V) na výstupe pre motorové vinutia je vyššie napätie,  N₁/N₃  (1515 V vs 1538 V), hlavné vinutia majú inú indukčnosť, transformátor má nižšie straty a to celé má vplyv na prevádzkové charakteristiky elektrickej lokomotívy po prestavbe. Áno, aj pozitívny vplyv, výkon HDV na AC systéme je vyšší, pretože výkonnejší a tvrdší transformátor.

Záver

Modernizácie jednosystémových rušňov radov 163 (162) na Slovensku a v Českej republike predstavujú komplexný obraz snahy o obnovu a prispôsobenie vozidlového parku aktuálnym potrebám. Slovenská ZSSK sa primárne zamerala na získanie moderných dvojsystémových rušňov pre osobnú diaľkovú dopravu s dôrazom na komfort cestujúcich. V Českej republike bol prístup diverzifikovanejší. Zároveň prebiehali aj úpravy pre prevádzku s riadiacimi vozňami v regionálnej doprave.

Tieto odlišné stratégie odrážajú špecifické výzvy a priority oboch národných železničných dopravcov v oblasti osobnej a nákladnej prepravy a ukazujú rôzne cesty, ako efektívne využiť a modernizovať existujúci vozidlový park. Aj vďaka týmto projektom zohrávajú modernizované "Peršingy" a ich deriváty naďalej významnú úlohu v železničnej prevádzke na Slovensku a v Českej republike.

Otázny je prístup schvaľovacích orgánov. Pri radách 361 a podobne 363.5 bolo nutné vozidlá plne schvaľovať podľa vtedy platných predpisov a noriem. V prípade „prestavby vozidiel“ z 163 na 363.2, ktoré malo byť vyhotovené v súlade so zmluvou, ktorá to zadefinovala „technickými parametrami vo vzťahu k systému 25 kV / 50 Hz bude zodpovedať parametrom vozidiel rady 363 (schválený typ 69E), nebolo nutné schvaľovanie, ale je to totožné vozidlo ako lokomotíva typu 69E?

Zjednodušený záver tento článku: máme platné a prísne technické normy, nariadenia a predpisy, aj zákony pre právo tretej osoby a súčasne máme projekt kde to všetko išlo bokom a verejné tajomstvo (obr. 1), že sme to obišli.

Referencie

1. Kuchta, J.; Kučera, R.; Franko, M.; Fulier, M.: Modernizácia rušňa r.361 z pohľadu vývoja nových komponentov trakčnej výzbroje. Zborník z 20. Medzinárodnej konferencie „Súčasné problémy v koľajových vozidlách - Prorail 2011“; 21. – 23. Septembra 2011, Žilina, Slovensko, II. diel, s.193-202. ISBN 978-80-89276-31-8.
2. https://spz.logout.cz/vozidla/363_5/363_5.php
3. Návod k obsluze dvousystémové elektrické lokomotivy ŠKODA 71Em, ČD 363.5, ŠKODA Transportation a.s., 2011
4. https://tenderarena.cz/dodavatel/seznam-profilu-zadavatelu/detail/Z0000988
5. https://smlouvy.gov.cz/smlouva/18319487?backlink=faq80
6. https://smlouvy.gov.cz/smlouva/27531199?backlink=faq80
7. Jiři Loucký, Konverze elektrických lokomotiv řady 163 na řadu 363, Bakalárska práca, 2021. Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera
8. https://www.k-report.net/discus/messages/28/339132.html?1729419353
9. https://www.k-report.net/discus/messages/28/339132.html
10. https://wbr.indprop.gov.sk/WebRegistre/Patent/Detail/155-2010?csrt=2142610852481463227
11. Eh 9574 P: Lokomotívni transformátorová souprava pro 69E1,E2,E3, výkres ŠKODA

Úvodná snímka: 361.002 + 363.107 ZSSK, 3.5.2012, Leopoldov, R 608 SPIŠAN © Ľudovít LACKO