Комплекс устройств электроснабжения

Энергия, потребляемая железнодорожным транспортом, расходуется на обеспечение тяги поездов и питания нетяговых потребителей: станций, депо, мастерских, устройств регулирования движения поездов.

В систему электроснабжения электрифицированных железных дорог входят электростанции, районные трансформаторные подстанции, сети и линии электропередач, которые называют внешним электроснабжением. К внутреннему или тяговому электроснабжению относят тяговые подстанции и электротяговую сеть.

На электростанциях вырабатывается трехфазный переменный ток напряжением 6…21 кВ частотой 50 ГЦ. На трансформаторных подстанциях напряжение тока повышают до 750 кВ, в зависимости от дальности передачи электрической энергии потребителям. Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение понижают до 110…220 кВ и подают в районные сети, к которым подключены тяговые подстанции электрифицированных железных дорог и трансформаторные подстанции дорог с тепловозной тягой.

Тяговая сеть состоит из контактных и рельсовых проводов, которые представляют соответственно питающую и отсасывающую линии. Участки контактной сети подсоединяют к соседним тяговым подстанциям.

На железных дорогах используют системы постоянного тока номинальным напряжением 3000 В и однофазного переменного тока номинальным напряжением 25 кВ частотой 50 Гц.

Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь контактной подвески.

Тяговые подстанции постоянного тока выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный. Уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава при постоянном токе на любом блок-участке должен быть не более 4 кВ и не менее 2,7 кВ, а на отдельных участках допускается не менее 2,4 В. С учетом этих требований тяговые подстанции постоянного тока размещают недалеко друг от друга (10…20 км) при максимально допустимом сечении контактного провода.

Тяговые подстанции переменного тока служат только для понижения напряжения переменного тока (до 27, 5 кВ), получаемого от энергетических систем. На направлениях, электрифицированных на переменном токе с номинальным напряжением 25 кВ, расстояние между тяговыми подстанциями составляет 40…60 км. Площадь сечения проводов контактной сети в системе однофазного переменного тока примерно в два раза меньше, чем при постоянном токе. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше.

Стыкование контактных сетей линий электрифицированных на разных системах тока осуществляется на специальных железнодорожных станциях.

Контактная сеть – это совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам электрического подвижного состава.

Контактная сеть состоит из консолей, изоляторов, несущего троса, контактного провода, фиксаторов и струн и монтируется на металлических или железобетонных опорах (рис. 22.1).

Применяются простые (на второстепенных станционных и деповских путях) и цепные воздушные контактные сети. Простая контактная подвеска представляет собой свободно висящий провод, который закреплен на опорах. В цепной подвеске (рис. 22.1) контактный провод подвешен между опорами не свободно, а прикреплен к несущему тросу с помощью проволочных струн. Благодаря этому расстояние меду поверхностью головки и контактным проводом остается практически постоянным. Расстояние между опорами при цепной подвеске составляет 70…75 м.

Рис. 22.1. Устройство контактной сети: 1 – опора; 2 – тяга; 3 – консоль; 4, 9 – изоляторы; 5 – несущий трос: 6 – контактный провод; 7 – струна; 8 – фиксатор

Нейтральной вставкой называется участок контактной сети, в котором постоянно отсутствует ток. Нейтральная вставка представляет собой несколько последовательно включенных воздушных промежутков и при прохождении электроподвижного состава обеспечивает электрическую изоляцию сопрягаемых участков.

Перегоны, промежуточные станции, группы путей в станционных парках выделяют в отдельные секции. Соединение или разъединение секцийосуществляется посредством секционных разъединителей, размещаемых на опорах контактной сети или с помощью постов секционирования. Посты секционирования оборудуют защитной аппаратурой – автоматическими выключателями от коротких замыканий.

Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала и других лиц все металлические конструкции (мосты, путепроводы, светофоры, гидроколонки и др.), непосредственно взаимодействующие с элементами контактной сети или находящиеся в радиусе 5 м от них, заземляют или оборудуют устройствами отключения. Также в зоне влияния контактной сети все подземные металлические сооружения изолируют от земли для предохранения их от повреждения блуждающими токами.

Для обеспечения электроподвижного состава энергией создается система тягового электроснабжения, в которую входят тяговые сети и тяговые подстанции. Системы тягового электроснабжения классифицируются по роду и частоте тока, номинальному напряжению на токоприемниках эксплуатируемого электроподвижного состава.
Получаемая в системе тягового электроснабжения электроэнергия расходуется в основном на тягу, а также используется для питания различных технических средств и электроустановок, принадлежащих службам дорог, дистанциям, депо и другим производственным подразделениям (см. Нетяговые потребители).
В основном для передачи электроэнергии на электроподвижной состав используется контактный провод и реже контактный (третий) рельс, в частности на первом электрифицированном участке Балтимор-Огайо (США), на некоторых городских ж. д., метрополитенах. Вначале электрификация ж.д. осуществлялась по системе постоянного тока, совершенствование которой в дальнейшем сводилось к повышению напряжения в контактной сети: 650 В на участке Балтимор-Огайо; 1200 В – на пригородной линии Баку-Сабунчи-Сураханы (1926 г., Азербайджан, быв. СССР); 1200 и 1500 В в 20-х гг. 20 в. на ж. д. Англии, Франции; 1500 (1650) В – на пригородных участках и 3000 (3300) В на первом магистральном ж.-д. участке в России. Впоследствии в основном использовалось напряжение 3000 (3300) В. Однако при таком напряжении стоимость тягового электроснабжения на постоянном токе велика, что объясняется необходимостью иметь большую площадь сечения проводов контактной сети, располагать тяговые подстанции на расстоянии 20-25 км одна от другой. Была сделана попытка повысить напряжение до 6000 В (опытный участок Гори-Цхинвали на Закавказской железной дороге, быв. СССР), исследовалась возможность использования напряжения 12-20 кВ (Россия, Польша, Италия).
В системе тяги на переменном токе, которая возникла в начале 20 в., напряжение в контактной сети значительно выше. В ряде стран применяют для тяги ток пониженной частоты: 162/з Гц при напряжении 15 кВ (ж. д. Германии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Норвегии) и 25 Гц (США) при 11 кВ. Широкое применение получила система переменного тока промышленной (50 и 60 Гц) частоты напряжением 25 кВ (Россия и другие страны СНГ, Великобритания, Франция, Испания, Япония, ЮАР и др.) и ее разновидность – автотрансформаторная система 2×25 кВ.
Там, где стыкуются электрифицированные ж.-д. линии с разными системами тягового электроснабжения, используют многосистемный ЭПС либо сооружают станции стыкования.
Созданию системы электроснабжения предшествуют электрические расчеты, целью которых является: определение необходимого числа тяговых подстанций и их рациональное размещение; определение параметров контактной сети (марки и площади сечения проводов, способы подвешивания, выбор типа опор и поперечин и т.д.); оценка пропускной способности ж. д. по устройствам тягового электроснабжения; исследования режимов напряжения на токоприемниках ЭПС и взаимодействия их с контактной сетью, т. е. условия токосъема. Рассматриваются вопросы защиты сетей от токов короткого замыкания (КЗ),
повышения качества электроэнергии, защиты от блуждающих токов, предотвращения мешающего влияния тягового электроснабжения на работу смежных линий и устройств и др.

Общая схема четырёхосного (четырёхмоторного) электровоза постоянного тока.
Слева сериесное (последовательное) соединение (С) тяговых электродвигателей, справа — параллельное соединение (П) электродвигателей. Если у электровоза будет 6 или 8 (или более) электродвигателей — тогда можно будет обеспечить сериесно-параллельное (последовательно-параллельное) соединение (СП) коллекторных электродвигателей.

Общая схема электровоза постоянного тока с импульсным регулированием. Преобразователь посылает импульсы тока, накопление энергии происходит вдросселе L_н. Фильтр L_фC_ф препятствует проникновениюэлектромагнитных помех вконтактную сеть. Обратный диод VD замыкает цепь тягового двигателя в случае прекращения питания от контактной сети.

Общая схема электровоза постоянного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями.

В данной системе тяговые электродвигатели постоянного тока питаются напрямую от контактной сети. Пуск и регулирование осуществляется подключением реостатов, перегруппировкой двигателей (последовательное, последовательно-параллельное и параллельное включение) и ослаблением возбуждения.

Следует отметить, что на всех советских электровозах и электропоездах тяговые электродвигатели рассчитаны на напряжение 1 500 вольт, поэтому они всегда соединены попарно последовательно (напряжение в контактной сети при этом 3 000 вольт). Дело в том, что, если попытаться сделать электродвигатель на 3 000 В мощностью, равной с электродвигателем на 1 500 В, то масса и габариты высоковольтного двигателя окажутся больше, чем у низковольтного.

Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2Миспользуется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3 000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).

На железных дорогах России и в странах бывшего СССР на участках, электрифицированных по системе постоянного тока, используется напряжение 3 000 вольт. В 1930-е — 1950-е гг. в СССР некоторые пригородные участки были электрифицированы на 1 500 В, затем их перевели на 3 000 вольт. В начале 1970-х годов в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением 6 000 В, однако эту систему сочли неперспективной, в дальнейшем все новые участки электрифицировались переменным током 25 киловольт.

Простота электрооборудования на локомотиве, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.

Недостатком электрификации на постоянном токе является сравнительно низкое напряжение в контактной сети, поэтому для передачи одинаковой мощности требуется больший ток по сравнению с более высоковольтными системами. Это вынуждает:

· использовать большее суммарное сечение контактных проводов и подводящих кабелей;

· увеличивать площадь контакта с токоприёмником электровоза за счет увеличения числа проводов в подвеске контактной сети до двух и даже трёх (например, на подъёмах);

· уменьшать расстояния между тяговыми подстанциями для минимизации потерь тока в проводах, что дополнительно приводит к увеличению стоимости самой электрификации и обслуживания системы (подстанции хоть и автоматизированы, но требуют обслуживания). Расстояние между подстанциями на грузонапряжённых участках, особенно в сложных горных условиях, может быть всего лишь несколько километров.

Например, два электровоза имеют равную мощность 5 000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник, составит 1 667 Ампер, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 200 Ампер.

В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в реостатах.

В 2010 году в России начато производство грузовых электровозов постоянного тока 2ЭС10 «Гранит». Асинхронные тяговые двигатели питаются трёхфазным переменным током от инверторов.

Трамваи и троллейбусы в СНГ работают на постоянном токе напряжением 550 В, метрополитен в СНГ — на постоянном токе напряжением 750 В.

Промышленные электровозы постоянного тока работают на меньшем, чем 3 кВ, электрическом напряжении, например электровоз ЕЛ21 — 1,5 кВ, а электровоз II-КП4 выпускался в различном исполнении — 220, 550 или 600 вольт.

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, а также на трамваях и в метрополитене принята положительная полярность контактной сети: «плюс»

подаётся на контактный провод (контактный рельс), а «минус»

на рельсы. Положительная полярность принята с целью уменьшения электрохимической коррозии находящихся рядом с железнодорожными путями трубопроводов и иных металлических конструкций.

Так как обратным проводом являются рельсы, а их практически невозможно изолировать от земли, часть тягового тока ответвляется. Эти токи называются «блуждающие токи». Направление блуждающих токов предугадать практически невозможно. Блуждающие токи протекают не только в земле, но и по встречающимся на их пути металлическим частям различных подземных сооружений.

Зоны, где блуждающие токи стекают с рельсов или с иных подземных сооружений в землю, принято называть анодными зонами, а зоны, где блуждающие токи входят из земли в рельсы или иные подземные сооружения, принято называть катодными зонами. Так как имеется разность потенциалов между металлом (рельс, трубопровод) и землёй, в этих зонах возникаетэлектролиз и происходит электрохимическая коррозия металла.

На иллюстрации показана электрифицированная железная дорога с положительной полярностью.

На рельсах анодная зона перемещается вместе с электровозом, а катодная зона расположена возле тяговой подстанции.
На искусственных сооружениях катодные зоны находятся в местах расположения тяговых нагрузок (один электровоз, или их несколько), а анодные зоны — около тяговых подстанций.

Под колёсами электровоза образуется анодная зона, а на проходящем рядом трубопроводе — катодная зона (левая часть рисунка). Зоны на стыках анодной и катодной зон называются знакопеременными, потенциалы в них могут менять свою полярность. Также анодная и катодная зона образуется вблизи тяговой подстанции (правая часть рисунка). Наиболее интенсивно рельсы корродируют под колёсами электровоза, а подземные сооружения — у тяговых подстанций.

Однако, изображённые в левой части рисунка анодная и катодная зоны — «передвигающиеся», то есть фактически знакопеременные, и электролиз в этих зонах носит кратковременный характер. Изображённые в правой части рисунка анодная и катодная зоны — «непередвигающиеся», расположены возлетяговых подстанций, и там электрохимическая коррозия наблюдается в наибольшей степени. Там, соответственно и располагаются станции катодной защиты.

Если бы контактная сеть имела отрицательную полярность (то есть «минус» подавался бы на контактный провод), то трубопроводы, проходящие рядом с железной дорогой, представляли бы практически сплошную анодную зону, и защитные меры для подземных сооружений пришлось бы принимать вдоль всей железной дороги, что было бы несравненно дороже.

Система переменного тока пониженной частоты[

Общая схема старого электровоза переменного тока пониженной частоты. Коллекторные электродвигатели переменного тока подключаются непосредственно к вторичной обмотке трансформатора. Если на электровозе несколько электродвигателей (4, 6 и т. д.) — то они подключаются параллельно.

Умформер 50 Гц → 16⅔ Гц наЖелезной дороге ГДР, передвижное исполнение. Обратите внимание: короткий вагон на семи осях, что говорит о его большом весе.

В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц, а в США на старых линиях 11 кВ 25 Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора напрямую, без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора. Коллекторные двигатели, питаемые переменным током пониженной частоты, имеют лучшую коммутацию, в сравнении с питанием током промышленной частоты.

Преимуществом системы является полная развязка контактной сети от питающей, так как для преобразования частоты применяются умформеры. Отсюда же проистекает второе преимущество — нет опасности перекоса фаз(мотор умформера питается трёхфазным током, а генератор выдаёт однофазный ток). Третье преимущество — заметно меньшие индуктивные потери.

Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.

Данная система появилась в 1910-е годы вынужденно, так как на постоянном токе потери были велики, а реализовать систему переменного тока промышленной частоты не позволил технический уровень того времени.

В Европе частота 16⅔ Гц была выбрана, так как она составляет 1/3 от 50 Гц, что позволяет применять в генераторах умформеров обычные трёхфазные машины на 50 Гц с изменённым подключением обмоток.

В США частота 25 Гц является техническим реликтом: такой была частота переменного тока до перехода сетей на 60 Гц в начале XX века.

Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что на электровозах переменного тока пониженной частоты стали применяться коллекторные двигатели постоянного (пульсирующего) тока, питаемые от полупроводниковоговыпрямителя, а с конца XX века применяются тяговые асинхронные двигатели, например, электровозы IORE. Таким образом, современные электровозы переменного тока пониженной частоты не имеют принципиальных отличий от электровозов переменного тока промышленной частоты.

См. схему двухсистемного (15 кВ 16⅔ Гц и 25 кВ 50 Гц) электровоза переменного тока BR 185 с асинхронными тяговыми электродвигателями, выпускается с 2000 года.

Система переменного тока промышленной частоты[

Общая схема электровоза переменного тока. Коллекторные электродвигатели пульсирующего тока подключаются через выпрямитель к вторичной обмотке трансформатора. Если на электровозе несколько электродвигателей (4, 6 и т. д.) — то они подключаются параллельно.

Использование тока промышленной частоты наиболее экономично, но его внедрение встретило много трудностей. Поначалу использовали коллекторные электродвигатели переменного тока, преобразующие мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс тяговый генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для асинхронных тяговых электродвигателей). Коллекторные электродвигатели на токе промышленной частоты работали плохо, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми и неэкономичными.

Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронами; позже они заменялись на более современные кремниевые выпрямители — из экологических и экономических соображений); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).

Когда машинист и помощник занимали место в кабине электровоза ВЛ60 (или ВЛ80, Ф, ВЛ41, ВЛ61) сртутными выпрямителями, то у них с собой обязательно были противогазы со специальной фильтрующей коробкой, поглощающей пары ртути. При аварии (прожиг корпуса игнитрона) следовало надеть противогаз, открыть боковые форточки в кабине, отключить неисправный игнитрон и в противогазе вести поезд до ближайшей станции.

При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмоткам возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.

Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора (обмотка собственных нужд) через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или фазосдвигающих конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, на выбеге. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.

Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные на переменном токе, используют напряжение ~25 кВ (то есть ~25 000 В) частотой 50 Гц. В некоторых источниках указывается напряжение 27,5 кВ, что создает путаницу. На самом деле тяговые подстанции выдают напряжение 27,5 кВ, но из-за падения напряжения вследствие высокого индуктивного сопротивления цепи «контактный провод — рельс» электровозы рассчитаны на работу на напряжении 25 кВ.

Для малонаселённых территорий разработана система электрификации 2×25 кВ (два по двадцать пять киловольт). Там, как правило, нет возможности часто располагать тяговые подстанции (к тому же бывает трудно найти квалифицированный персонал для их обслуживания, а также создать для людей должные жилищно-бытовые условия).

На опорах контактной сети (сбоку от железнодорожного полотна и контактного провода) натянут специальный питающий провод, в который подаётся напряжение 50 тыс. вольт от тяговой подстанции. На железнодорожных станциях (или на перегонах) установлены малообслуживаемые понижающие автотрансформаторы, один вывод обмотки подключён к питающему проводу, а другой — к контактному проводу. Общим (обратным) проводом является рельс. На контактный провод подаётся половинное напряжение от 50 кВ, то есть 25 кВ. Как правило, подаётся несколько выше 50 киловольт, обычно 55; с учётом потерь, чтобы на контактном проводе было 27,5 кВ.

Данная система позволяет реже строить тяговые подстанции, а также уменьшаются тепловые потери. Электровозы и электропоезда переменного тока в переделке не нуждаются.

Промышленные электровозы переменного тока работают на меньшем, чем 25 кВ, электрическом напряжении, например тяговый агрегат ОПЭ1 — 10 кВ 50 Гц.

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: