A vizionárius Kandó Kálmán villamosítási programja jelenti a vasút jövőjét világszerte

Egerfarmosi és sztregovai Kandó Kálmánt ezúttal a vasútvillamosítási rendszerekre, és így a világ vasúthálózataira gyakorolt hatása szempontjából szeretném bemutatni, kissé szokatlanul: technikai oldalról megközelítve, de történelmileg mindenképpen érdekes módon.

Ígéretes fejlesztések

1879-ben mutatták be a Berlini Ipari Kiállításon a tulajdonképpen lilliputi villamos vasutat, de 1881-ben már valódi villamosjárat közlekedett Berlin Lichterfelde városrészében. Az Edison által is propagált egyenfeszültség főleg a városi vasutakon volt jól használható, ezért is ott alkalmazták először. A városi vasutak azért kiváló terepei a kezdeti, egyenfeszültségű vontatásnak, mert a könnyű kocsik kis teljesítményt igényelnek, és az erőművek és a motorkocsik közötti távolság is mind alacsony.

A legnagyobb probléma ugyanis két technikai korlátban van: a villanymotorokban alkalmazott vezetékek szigetelése legfeljebb 1000-1500 V feszültségig volt megbízható, illetve a hosszú felsővezeték-szakaszoknál az alacsony feszültség miatt nagy volt az ellenálláson eső teljesítmény, így a hőveszteség. Míg a második korlát miatt a minél magasabb feszültség volt kívánatos, az első korlát ezt lehetetlenné tette, mivel az egyenfeszültség nem transzformálható.

Ezért a nagyvasúton a figyelem a váltakozófeszültség felé fordult, annál is inkább, mert a Nikola Tesla által föltalált aszinkron villanymotor állandó vonóereje nagyon kedvező volt a vasút számára, Kandó Kálmán is a háromfázisú hajtómotor köré tervezte mozdonyait. Ezek megtáplálásához a legegyszerűbb esetben háromfázisú felsővezeték-rendszerre volt szükség, ami korántsem bizonyult egyszerűnek végül. Az első ilyen, jellegzetes többszörös felsővezetékkel villamosított vasútvonal a Bern közelében fekvő Burgdorf és Thun között vezető vaspálya volt Svájcban, 1899-ben.

Kandó első saját villamosítási projektje Franciaországhoz, a vizéről híres Évianhoz köthető, ahol egy gyógyszállóhoz vezető rövid, de meredek villamosvonalat láttak el háromfázisú felsővezetékkel 1898-ban. A 300 méter hosszú vonalon egy díszes kialakítású motorkocsi közlekedett.

Kandó egy évtizeddel korábban Merano környékére épített vízerőművi villamos gépeket, ezért ismerősként üdvözölhette a vidéket, mikor szintén 1898-ban a Ganz akkori igazgatójával, Mechwart Andrással Lombardiába érkezett tárgyalni. A feladat, amit a Ganz el is vállalt, az Alpok völgyeinek mélyére, Leccóból Chiavennába, illetve a vonalon fekvő Colicóból Sondrióba vezető másodrendű fővonalak villamosítása volt. A Ferrovia della Valtellina hálózata egyvágányú és igen meredek volt, a Comói-tó pedig jelentős turistaforgalmat is generált. Ezek ideális körülmények voltak a villamos vontatás előnyeinek demonstrálására és siker esetén a Ganz rendszere általános szabvánnyá válhatott volna.

A Ganz gyár több sorozatban szállított mozdonyokat és motorkocsikat a vonalra.
A siker nem maradt el, Észak-Itáliában, Kandó hathatós közreműködésével számos vonalat villamosítottak, így a Torino-Genova vagy a Trento-Bolzano-Brennero fővonalakat is. A vonalakra közel félezer mozdony készült a Vado Liguréban fölépített gyárban. A közel 2000 km villamosításhoz és a gyárépítéshez a Teslát is foglalkoztató amerikai Westinghouse adta a tőkét, és megvásárolták a Ganztól a licenciát is. Ezekben az eseményekben közrejátszott, hogy a Ganz részvényesei kockázatosnak gondolták a villamosítást, ezért a Ganz föl kellett adja a projektet.

A háromfázisú rendszer sikeressége azonban nem volt átütő. Az egymáshoz képest eltolt feszültségfüggvényű két felsővezetéket kitérőknél el kellett szigetelni egymástól, amit csak fából készült szigetelőkkel tudtak megoldani. Ezek könnyen eltörtek, vagy ütést mérve a mozdonyok áramszedőire, azokat törték el. Az akkori technikai szinten a háromfázisú motorok mérete is akkora volt, hogy csak rudazatos hajtással lehetett a mozdonyokat megépíteni, ami a gőzmozdonyokon használt szerkezetekhez hasonlóan sérülékeny és karbantartás-igényes volt.

Közép-Európában ezért az egyfázisú, tehát egy vezetékkel megoldható villamosítás iránt kezdtek érdeklődni, és végül az alacsony frekvenciájú váltakozó feszültség terjedt el Norvégiától Ausztriáig. Az ilyen árammal lehetséges volt kommutátoros motorokat is váltakozó feszültséggel meghajtani, így a tengelyenkénti hajtás lehetséges volt, és mégis kihasználhatták a nagyfeszültségű felsővezeték legnagyobb előnyét, az alacsony veszteséget. Ennek a rendszernek a hátránya azonban, hogy a vasútnak saját, speciális erőműveket és távvezeték-hálózatot kell fönntartania. Ilyen rendszerben villamosították az 1911-ben elindult Vác-Budapest-Gödöllői HÉV vonalat is, ezek vonatait azonban a Győri Magyar Vagon- és Gépgyár és a prágai Ringhoffer készítették.

20. századi fejlemények

Magyarországon a fővonali villamosítás Trianon után került újra előtérbe. A MÁV-nál már akkor működő Vasútvillamosítási Osztály élére hazahívták a magyarként elsőként villamosmérnöki oklevelet szerző Verebélÿ Lászlót. Ő a vasútvillamosítás kérdését együtt kezelte az ország energiaellátásának kérdésével, ezért Kandóval közösen elkészítették a Dunántúl villamosításának tervét, amely az ipart és lakosságot kiszolgáló, széntüzelésű erőművekből, villamosított vasútvonalakból, és a távvezetéki hálózatból állt. Erőművek természetesen korábban is működtek, ám azok a környékükön található megrendelőket látták csak el villamos energiával. A több lépésben megvalósítható terv világszerte feltűnést keltett, de Magyarországon mégsem talált kedvező fogadtatásra.

Végül brit pénzemberek finanszírozásával, 1927-ben mégis elkezdődhetett a munka, és ezzel megkezdődött az egységes energiaellátó hálózatról táplált, egyfázisú váltakozóáramú villamos vontatás is, vagyis a Kandó-rendszer. A finanszírozási szerződés tartalmazta, hogy a kivitelezésből a brit iparnak is juttatni kell, ami persze lehetővé tette volna a technológiák megtanulását is az érintett brit cégeknek. A legértékesebb ilyen technológia a Kandó által kifejlesztett, korábban ismeretlen forgógép, a fázisváltó volt, ezért úgy határoztak, hogy a hegyeshalmi fővonal villanymozdonyai számára ezeket az English Electric fogja gyártani.

A villamos forgógépeknek két alapvető típusa van, a motorok és a generátorok. A fázisváltónak azonban nem a mechanikai és mozgási energia közötti átalakítás, hanem kétféle elektromos energia közötti átalakítás a feladata, egyfázisú váltakozó feszültségből három, eltolt fázisú feszültséget hoz létre, amivel a háromfázisú motorok megtáplálhatóak. Enélkül a forgógép nélkül csak egyenirányítós vagy inverteres mozdony építhető 50 Hz-es váltakozóáramra, ám ekkor még egyik technológia sem volt elérhető.

A fázisváltó végül kifogott a briteken, így inkább a V40 és V60 sorozatú mozdonyok szekrényét gyártották a Metropolitan Vickers gyárában, a fázisváltót a Ganzban állították elő. A hegyeshalmi vonalon a villamosvontatás csak Kandó halála után másfél évvel indult meg, és azóta meghódította a világot.

Magyarország mellett a volt Csehszlovákia déli részén, az egész Balkánon, Finnországban, a világ szinte valamennyi nagysebességű vasútján (Németországon és Ausztrián kívül), Nagy-Britanniában Londontól északra, Indiában, Kínában, a legtöbb volt szovjet tagköztársaságban, de még a navahó nép területén és Luxemburgban is lehet a Kandó-féle ipari frekvenciás villamosítással találkozni. 31 kV 50 Hz-es táplálással állította föl az Alstom TGV-je az 574,8 km/h-sebességrekordot, 25 kV 50 Hz-ről üzemel a világ legerősebb villanymozdonya, a budapesti metrókat is gyártó Metrovagonmas anyacége, a Transzmas által épített négyszekciós 4ESz5K, vagy a legendás japán Sinkanszen is. Még a dominánsan egyenfeszültséggel villamosított országokban is Kandó rendszerét használják a nagysebességű vasutakon, így például Hollandiában vagy Olaszországban is.

És az áram diadalútja folytatódik betáplálás nélkül is: a last-mile akkumulátoros megoldások és a felsővezetéktől távol is használható dual-mode megoldások egyre elterjedtebbek. A last-mile kifejezést eredetileg olyan, nagyon kis teljesítményű dízelmotorokra találták ki, amelyekkel a villamos mozdony a nem villamosított iparvágányra bevihetett pár kocsit. Ilyenből sok van, vagy a kis forgalom, vagy a rakodási technológia miatt nem húznak ki felsővezetéket föléjük. Ezek kevesebb, mint tíz éve jelentek meg, és az akkumulátorok és szuperkondenzátorok máris elkezdték kiszorítani őket. Az akkumulátoros last-mile speciális esetének lehet nevezni a Metrovagonmas új moszkvai metróin alkalmazott vészhelyzeti rendszert is, amivel minden körülmények között elérhető a következő állomás peronja az utasok biztonságos kimenekítése érdekében.

A dual-mode járművek jelentős távolságot tehetnek meg felsővezeték nélküli üzemben, így hidat képezhetnek a villamosított vonalak között, vagy beállíthatók csak részben villamosított útvonalakra. Magyarországon Balatonfüred és Szombathely, vagy Eger és Debrecen között nyújthatnának zöldebb összeköttetést részben drót alatt haladva, míg Szekszárd és Baja elérése a részben villamosított, részben jelen technológiával csak dízellel kiszolgálható vonalon való alkalmazására lehetne példa. Ilyen vonatokat egyébként már a MÁV-START is próbált korábban beszerezni.

A felsővezetéktől függetlenek a dízelmotorral és akku-packkal fölszerelt hibrid mozdonyok. Ezek erősen átmeneti technológiát képviselnek, hosszú távon a villany-akkus dual-mode járművek kiváltják őket, azonban van egy érdekes águk, a moduláris gen-set tolatómozdonyoké. A gen-set mozdony lényege, hogy egy nagy helyett több kicsi dízelmotort tartalmaz, és mindig a szükséges számú működik közülük. Az ilyen mozdonyok főleg az Egyesült Államokban és Oroszországban sikeresek, az EU-ban csak a német szárazföld és a Sylt-sziget közötti vonatokon találkozhatunk velük egyelőre.

Akárhogy is nézzük, a vasúton kizárólag a villamos vontatás tekinthető a jövőnek. Kandó kitalálta, hogyan lehet ez optimális a fővonalakon, a moduláris technológiák pedig elhozzák a villanykorszakot az állomásokra és a mellékvonalakra is.