Suomen rautateiden sähköistysjärjestelmä

Suomen rautatieliikenteessä Väyläviraston hallitsemalla sähköradalla on käytössä kaksi sähköistysjärjestelmää, 25 kV tai 2x25 kV.
Sähköratarakenne koostuu syöttö- ja välikytkinasemista, ratajohdon johtimista ja niiden kannatusrakenteista (pylväät/portaalit ;kääntöorret), imumuuntajista (25 kV sähköistysjärjestelmässä), säästömuuntajista (2x25 kV sähköistysjärjestelmässä), erottimista ja eristimistä.
Myös sähköistetyn radan kiskotus kuuluu sähköratarakenteeseen, samoin syöttöasemien kaukokäyttökeskukset, jotka ovat Suomessa Kouvolassa, Helsingissä, Tampereella ja Oulussa.
Syöttöasemiin sähköenergia tulee yleensä 110 kV kanta- tai lähialueverkosta, ja syöttömuuntajan ensiökäämitys on kytketty kahden vaiheen välille (110 kV ensiöjännite).
25 kV järjestelmä.
Sähkövirta kulkee 25 kV järjestelmässä 110 kV/25 kV syöttömuuntajan toisiokäämityksestä muuntajan suojauksen ja erottimien kautta ajojohtimeen, siitä sähköä käyttävän junan tai muun radalla ajojohtosyöttöisen liikkuvan kaluston virroittimeen, ja siitä kaluston omiin virtapiireihin. Sähkövirta palaa liikkuvan kaluston pyöristä ratakiskoa pitkin imumuuntajalle, joka pakottaa paluuvirran menemään paluujohtimeen, ja sieltä paluujohdinta pitkin takaisin syöttömuuntajan toisiokäämitykseen.
Imumuuntajaa ja paluujohdinta käytetään siksi, että ratakiskoon ei muodostuisi häiriöitä ja henkilöturvallisuutta vaarantavia potentiaalieroja, sekä paluuvirran kulkutien varmistukseen. Imumuuntajaväli on normaalitilanteissa noin 2,5 km. Tämän lisäksi on olemassa ajojohtimeen kytkettäviä vaihteenlämmitysmuuntajia sekä mittamuuntajia, jotka mittaavat esimerkiksi ajojohtimen jännitettä. Sähköjunat eivät saa pysähtyä imumuuntajan kohdalle, koska virroitin oikosulkee muuntajan ensiöpiirin hetkellisesti ohi mennessään.
Paluujohdin muodostetaan normaalisti kahdesta osajohtimesta. Osajohtimet sijoitetaan keskimäärin vähintään 80 cm etäisyydelle toisistaan. Paluujohdin pyritään sijoittamaan vastaavan ajojohtimen lähelle, mutta ylemmäksi kuin vastaava ajojohdin. Avoradalla paluujohdin sijoitetaan pylvään takareunaan tai tarvittaessa vaakapalkille pylvään huippuun. Laitureilla ja ratapihoilla voidaan paluujohdin sijoittaa konsolille tai portaaliorrelle. Paluujohdin kytketään imumuuntajan toisiopuolen kanssa sarjaan ja liitetään paluukiskoon imumuuntajavälin keskivaiheilla, enintään 1,3 kilometrin etäisyydelle imumuuntajasta.
Joillakin rataosilla voidaan sähköistys toteuttaa ilman imumuuntaja/paluujohdinta tai säästömuuntaja/vastajohdinjärjestelmää. Tällöin ratajohto on varustettava ns. reduktiojohtimella, joksi riittää normaalin paluujohtimen toinen osajohdin. Reduktiojohdin on yhdistettävä paluukiskoon 300..500 metrin välein, jos raidevirtapiirit sallivat sen.
M-johdinta käytetään sähköistysjärjestelmästä riippumatta pylvään maadoitukseen turvallisuussyistä ja siksi, että mikäli ajojohdin koskettaa jostain syystä pylvääseen, syötön automaattinen poiskytkentä toimii mahdollisimman nopeasti minimoiden vaarat.
Raidevirtapiirien puuttuessa tai yksikiskoisesti eristetyn raidevirtapiirin alueella M-johdin yhdistetään paluukiskoon noin 200 metrin välein.
Kiskonvarmistusjohdinta (K-johdin) käytetään alueilla, joissa on vain yksi paluukisko ja M-johdin puuttuu, esimerkiksi imumuuntajilla varustettavan yksiraiteisen radan yksikiskoisesti eristetyt raideosuudet, kuten pääopastimen ja tulovaihteen väli, sekä turvalaitteilla varustetun tasoristeyksen lähiympäristö. Kiskonvarmistusjohdin on normaalisti sijoitettava paluujohtimen alapuolelle kuten M-johdin ja liitettävä paluukiskoon.
2x25 kV järjestelmä.
2x25 kV järjestelmän tarkoitus on mahdollistaa sähkötehon siirto 50 kV jännitteellä ja samanaikaisesti tarjota junille 25 kV jännite. Suuremman siirtojännitteen ansiosta järjestelmän tehonsiirtokyky on huomattavasti suurempi ja siirtohäviöt pienemmät. Tämä mahdollistaa merkittävästi pidemmät syöttöasemien välimatkat ja sitä kautta pienemmät investointikustannukset.
Tällainen järjestelmä rakennetaan siten, että ajojohtimeen syöttää virtaa 50 kV syöttömuuntaja, jonka käämin keskipiste yhdistetään paluukiskoon. Tällöin jännite paluukiskon ja ajojohtimen välillä on 50/2 kV eli 25 kV, kuten pitääkin. Käämin toinen pää kytketään erilliseen vastajohtimeen. Sen jännite paluukiskoa vastaan on samoin 25 kV, mutta vaihtojännite on vastakkaisessa vaiheessa verrattuna ajojohtimeen. Tällöin ajojohtimen ja vastajohtimen välinen jännite on 50 kV. Tässä järjestelmässä käytetään imumuuntajien asemesta säästömuuntajia, ja erillistä paluujohdinta ei ole, koska paluuvirta kulkee ratakiskossa ainoastaan kahden säästömuuntajan välillä. Vastajohdin kytkeytyy sähkönsyöttöjärjestelmään säästömuuntajien kautta. Säästömuuntajassa on ainoastaan yksi käämi, joka on keskipisteestään paluukiskoon kytketty vastaavalla tavalla kuin syöttömuuntajankin toisiokäämi. Säästömuuntajan käämin toinen puolikäämi muuntaa paluukiskossa olevan jännitteen ylöspäin vastajännitejohtimen jännitetasolle, jolloin se voidaan syöttää vastajohtimeen. Täten veturin ottama sähköteho tulee siirretyksi 50 kV jännitteellä, vaikka veturi itse käyttää 25 kV jännitettä. Lisäksi säästömuuntajaa käytetään, kuten imumuuntajaakin, kiskon potentiaalierojen tasaukseen turvallisuussyistä sekä häiriöiden estämiseen. Sähköjunat eivät saa pysähtyä säästömuuntajan kohdalle, koska virroitin oikosulkee muuntajan hetkellisesti ohi mennessään.
Virtapiirien erottaminen.
Siirryttäessä syöttöaseman syöttöpiiristä toiseen, käytetään sähköradan rakenteissa erotusjaksoa. Siinä on noin metrin pituinen maadoitettu ja ajojohtimesta eristetty osuus. Samoin ajojohtimen kiristyskentästä toiseen siirryttäessä käytetään erotuskenttää.
Ryhmityseristintä käytetään yhdessä pitkittäis-, poikittais-, ja ryhmäerottimen kanssa erottamaan tiettyjä ajojohdinosioita tai ryhmiä jännitteestä esimerkiksi korjauksen, vaunuun kuormauksen tai huoltotöiden ajaksi. Tällöin ajojohdin on työmaadoitettava voimassa olevien määräysten mukaisesti.
Ensimmäisenä sähköistettiin Helsingin ja Kirkkonummen välinen rataosuus. Säännöllinen sähköjunaliikenne tällä osuudella alkoi 26. tammikuuta 1969.
Vuosikymmenten aikana sähköistys on laajentunut eri puolille Suomen rataverkkoa. Viimeisimmissä sähköistyksissä, muun muassa rataosilla Oulu–Kemijärvi, Iisalmi–Kontiomäki, Oulu–Kontiomäki, Kontiomäki–Vartius, Tuomioja–Raahe sekä Kytömaa–Hakosilta on käytetty uudentyyppistä, 2x25 kV sähkönsyöttöjärjestelmää. Lisäksi Tuomioja–Hirvineva-välillä on uusittu sähköistys 2x25 kV:n sähkönsyöttöjärjestelmään Raahen radan sähköistyksen yhteensopivuuden takia.
Sähköistetyt radat ovat Suomen rataverkolla Helsinki–Oulu, Kytömaa–Hakosilta, Riihimäki–Kouvola, Kouvola–Joensuu, Kouvola–Iisalmi, Iisalmi–Kontiomäki, Oulu–Kontiomäki, Kontiomäki–Vartius, Oulu–Laurila, Laurila–Kemijärvi, Helsinki–Turku, Turku–Toijala, Turku–Uusikaupunki, Tampere–Pori, Kokemäki–Rauma, Tampere–Orivesi, Orivesi–Jyväskylä, Jyväskylä–Pieksämäki, Seinäjoki–Vaasa, Pännäinen–Pietarsaari, Kerava–Sköldvik sekä Tuomioja–Raahe.