Преимущества и недостатки постоянного и переменного тока на жд кратко

Обновлено: 02.07.2024

Использование двух родов тока в системе тягового электроснабжения железных дорог сложилось исторически. Все дело в том, что на заре электрификации на ЭПС использовались тяговые электродвигатели (ТЭД) исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще небыло и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток при напряжении сначала 1500, а затем 3000 В, или как принято говорить у электриков, 1,5 или 3 кВ. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянное. Но шли годы, объемы перевозок на железной дороге увеличивались, соответственно расла нагрузка тяговых сетей. Мощность равна произведению тока на напряжение. Расли нагрузки, расли и потери в тяговой сети. Ведь потери пропорциональны квадрату тока, или. А это приводило к необходимости усиления тяговой сети, т.е. строились дополнительные тяговые подстанции, увеличивалось сечение проводов. Но все это радикально не решало проблемы. Выход был один - это уменьшить величину тока, но при той же мощности наргузки это можно сделать только поднимая величину напряжения. А тут возникла серьезная проблема: для двигателей постоянного тока напряжение 3 кВ оказалось практически предельным. Это связано с его конструкцией, наличием коллектора и щеток, вращающейся обмотки якоря. При повышении напряжения, надежность работы этих узлов значительно снизилась. Двигатели же переменного тока для тяги в то время были совершенно непригодны. Таким образом, возникло противоречие - для системы электроснабжения напряжение 3 кВ оказалось мало, а для ТЭД повышать его было невозможно. Но выход был найден с помощью перехода на переменный ток! В системе переменного тока на ЭПС стали устанавливать трансформаторы, которые позволяют, как известно, достаточно просто изменять величину напряжения, являются простыми и надежными. После трансформатора устанавливается выпрямитель, а дальше - ТЭД постоянного тока. При этом напряжение на ТЭД можно значительно понизить, тем самым повысив их надежность, а напряжение тяговой сети повысить, уменьшив потери в ней. Так было и сделано. Напряжение тяговой сети переменного тока повысили до 25 кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ. При этом увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями, уменьшилось сечение проводов тяговой сети, а следовательно, и стоимость системы электроснабжения. На начальном этапе внедрения переменного тока снова возникли проблемы. Дело в том, что выпрямительная техника того времени была несовершенна. Для выпрямления переменного тока использовались ртутные выпрямители. А это достаточно сложные, дорогие и капризные агрегаты даже при работе в стационарных условиях, не говоря уже об их установке на ЭПС. Это еще несколько задержало внедрение переменного тока. С появлением полупроводниковых выпрямителей эта проблема тоже решилась. Пока шло становление системы переменного тока, система постоянного тока бурно внедрялась на сети железных дорог. Когда все проблемы по переменному току удалось решить, значительная часть дорог оказалась уже электрифицирована на постоянном токе. Таким образом, система электрификации переменного тока является более совершенной и в настоящее время принята основной. По нормам проектирования постоянный ток должен применяться для завершения электрификации направлений, ранее электрифицированных на этом токе и для электрификации участков, примыкающих к таким направлениям. Кроме того, в настоящее время разработана система тягового электроснабжения переменного тока 2х25 кВ. При этом напряжение питающей сети увеличено до 50 кВ, а напряжение в контактной сети сохранилось прежним 25 кВ. По этой системе электрифицирована Байкало-Амурская магистраль и ряд участков в центре России. В местах стыкования систем постоянного и переменного тока устраиваются станции стыкования, где происходит смена локомотивов переменного и постоянного тока. Кроме того, существуют электровозы двойного питания, на переменный и постоянный ток, но в нашей стране они имеют ограниченное применение. Развитие полупроводниковой и микропроцессорной техники позволило снять ограничения на применение на ЭПС двигателей переменного тока. Эти двигатели, особенно асинхронные, являются простыми и надежными. В настоящее время выпущены электровозы и электропоезда с двигателями переменного тока, ведутся дальнейшие исследования в этом направлении. А как переходы с одного на другой ток на граничных участках работают? посредством тепловозов? Нет. Контактная сеть на станции стыкования может переключаться на любой род тока - полностью или по частям. При этом электровоз, например, постоянного тока подходит к станции, ему подают в КС постоянный ток, он притаскивает состав на заданный путь (если пассажирский - то к платформе), отцепляется, уходит на свою стоянку (где только постоянный ток), после этого ток в КС переключается на переменный, со своего места вылезает электровоз-переменник и прицепляется к оставленному составу. Ещё существуют двухсистемные электровозы, которым всё равно под каким родом тока ехать. Но они довольно дорогие и их мало - грузовые (а фактически грузопассажирские) ВЛ82 и ВЛ82М в Выборге и Минеральных Водах и пассажирский ЭП10 (пока в единственном экземпляре) в Москве-Курской (работает с поездом 061/062 "Буревестник" Москва - Нижний Новгород, но периодически уезжает на очередные испытания). Особенная конструкция в Минеральных Водах - хотя там от линии переменного тока отходит ветка, электрифицированная постоянным током, на станции нет переключаемых секций КС. Главные пути электрифицированы на переменном токе, а поезда на Кисловодск уходят со своих путей, где только постоянный ток. Сквозные поезда с главного хода в Кисловодск (их немного) ходят только под двухсистемными электровозами; электровозов постоянного тока в МинВодах нет.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПОСТОЯННОГО ТОКА:

Что перевели на переменный ток?

Участок Зима - Слюдянка. Но ведь он уникален, там самый сложный профиль, чем где бы то ни было. Из-за уклона до 19 тыс. потребляемая мощность велика и это привело к тому, что расстояние между подстанциямив среднем на участке Иркутск - Слюдянка составляет 11 км, а кое-где 7 (. ) км. При этом площадь сечения проводов достигал 600 кв. мм. Контактная сеть усливалась третьими и даже четвртыми проводами, а количество тяговых подстанций увеличилось по сравнению с первым годом после электрификации в 2 раза. Подыскать в мире похожие примеры достаточно сложно и уж Италия и Бельгия здесь явно не пример. Увеличивать и дальше количество тяговых подстанций и сечение проводов стало невозможным. И это как раз наглядный пример сферы применения именно тяги переменного (повышенной мощности) тока. Так что информация о снижении расходов после перевода вполне правдоподобна. Причины перевода на переменный ток целого направления Мурманск - Кемь мне не известны. Указывается, что на момент перевода износ по системе электроснабжения составил 70%, необходима была замена всего трансформаторно - выпрямительного оборудования на тяговых подстанциях, замена опор, контактной сети и изоляторов. Решили, что лучше всё менять одновременно с вводом переменного тока. Профиль на этом участке мягче, чем на ВСЖД, поэтому, возможно, здесь и увеличился расход энергии. После Мурманск - Кемь хотели перевести на переменный ток и участок Данилов - Ярославль-Гл. - Александров, Ярославль - Кострома, но в последний момент от этой идеи отказались. Здесь проводится реконструкция системы электроснабжения с сохранением системы постоянного тока. Планами предусматривается замена системы тока лишь на двух участках: Мин. Воды - Кисловодск - здесь понятно почему: парк электровозов двойного питания изношен, заменить их нечем, а также с целью ликвидации короткого тягового плеча; Гор. Ключ - Кривенковская и Белоречеснкая - Адлер: тяжёлый профиль (хотя и почти нет грузового движения) и желание увеличить тяговые плечи. Постоянный ток преимущества перед переменным не имеет. По этой причине при новом строительстве линий (и при электрификации линий на автономной тяге) дают предпочтение переменномку току.

Преимущества переменной электротяги:

Уменьшение силы тока в КС за счет применения высокого напряжения 25кВ. Следствие - более длинные интервалы между тяговыми подстанциями и уменьшение количества самих подстанций. Любое необходимое напряжение на электровозе и электропоезде можно получить за счет трансформатора, который имеет кпд, близкий к 100% и очень высокую надежность. (при постоянном токе для этих целей используются электромашинные преобразователи (мотор-генераторы) или электронные статические преобразователи, которые дОроги и ненадежны. На переменном токе на электровоз можно передавать гораздо большую мощность, чем на постоянном. Отсюда и ограничение 200км/ч для скоростных поездов на постоянном токе. КС переменного тока можно использовать, как резервное питание для устройств СЦБ. На постоянном токе кроме основной ВСЛСЦБ на опоры КС еще вешают ВЛПЭ. На переменном токе проще погасить электрическую дугу, которая возникает при проходе секционных изоляторов, при пробое воздушных промежутков (молниезащита), при переключениях мачтовых разъединителей, поскольку дуга может сама погаснуть при переходе фазы через нулевое значение, причем вне зависимости от наличия в цепи реактивных сопротивлений. (На постоянном токе наличие реактивных сопротивлений только усугубляет ситуацию с дугогашением). Проще конструкция тяговых подстанций. Нетрудно догадаться, что один мощный выпрямитель гораздо ненадежнее, чем выпрямитель на порядок меньшей мощности на каждом электровозе/мотор-вагоне. Есть еще ряд мелких преимуществ.

Чем вообще отличается постоянный и переменный ток

Перед тем, как перейти к электрификации железных дорог, сделаю небольшую справку. Как известно, электрический ток - это направленный поток электронов (заряженных частиц). При постоянном токе (DC - Direct Current), электроны всегда движутся в одном направлении, у переменного (AC - Alternative Current) их направление меняется.

У переменного тока есть такая характеристика, как частота. Что в розетке, что в контактной сети она равна 50Гц. Это значит, что направление потока частиц меняется 50 раз в секунду.

Постоянный ток, как правило, получают от батареек и аккумуляторов. Переменный же из генераторов, чаще всего трёхфазных. К слову из постоянного тока можно сделать переменный и наоборот. С помощью полупроводникового преобразователя можно преобразовать (тавтология - привет) постоянный ток в переменный. А переменный в постоянный можно преобразовать с помощью выпрямителя. Теперь переходим непосредственно к электрификации.

Ток в контактной сети

Постоянный ток

В России электрифицировать железные дороги с самого начали стали постоянным током. Причины была простая: проще конструкция электрического подвижного состава.

В целом, конструкция электровоза постоянного тока заключается в токоприёмнике (он же пантограф), который снимает напряжение с контактной сети и передает его через реостатно-контактную систему на тяговые электродвигатели (ТЭД) коллекторного типа. Всё очень просто.

При электрификации постоянным током, напряжение в контактной сети составляет 3 кВ. С появлением рекуперации (переключении ТЭД в режим генератора при торможении) у локомотивов и электропоездов на постоянном токе значительно повысился КПД и соответственно экономическая выгода.

Но несмотря на все плюсы постоянки, были у неё и значительные минусы:

Сложное устройство тяговых подстанций и необходимость их частого размещения (через каждые 20-30 километров)
Очень большой расход меди, так как сечение контактного провода при электрификации постоянным током составляет около 500 квадратных миллиметров.
Большие потери при передаче тока

Переменный ток

Электрифицировать железные дороги переменным током стали с развитием технологии производства полупроводников и появлением компактных выпрямителей с высоким КПД. Напряжение в контактной сети переменного тока - 25 кВ с частотой 50Гц.

Стало понятно, что электрифицировать железные дороги переменным током куда более целесообразно и выгодно. Потери в проводах резко уменьшились, поэтому тяговые подстанции уже не требовалось размещать так часто (не раз в 20-30 километров, а уже раз в 40-60 км). Помимо этого, упростилось оборудование этих самых подстанций.

По этим же причинам уменьшилось сечение контактной подвески и составляет оно 120-140 квадратных миллиметров. Соответственно уменьшился и расход меди, что также хорошо.

Сам процесс электрификации хоть и был упрощён, но для переменки требовалась другая конструкция подвижного состава. Электровозы теперь необходимо было оснащать трансформатором с выпрямительным устройством. Тяговые электродвигатели всё равно работали на постоянном токе, который поступал с выпрямителя.

Проблема была с рекуперацией. ТЭД при рекуперации на выходе даёт постоянный ток, который вновь нужно преобразовать в переменный. Помимо этого, требовалась четкая синхронизация мгновенных значений напряжения и фазы с контактной сети.

Но в итоге, подвижной состав переменного тока получается более мощным, хоть и с усложнённой конструкцией. В целом, в современных условиях рыночной экономики, выгоднее электрифицировать железные дороги переменным током. Но и они не лишены минусов:

Как я уже написал, более сложная, а соответственно и более дорогая конструкция подвижного состава
Хоть и мощность ПСа больше, рекуперация при переменном токе не дает такого выигрыша, как на постоянке. Следовательно, КПД ниже.
Контактная сеть при переменном токе даёт наводки на линии СЦБ и связи. Из-за этого последние требуют точной калибровки

Система электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги состоит из внешней части системы электроснабжения, включающей в себя устройства выработки, распределения и передачи электрической энергии до тяговых подстанций (исключительно);

- тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций линейных устройств и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии и контактной подвески непосредственно или через специальные автотрансформаторы.

Основным потребителем электрической энергии в тяговой сети является локомотив. Вследствие случайного расположения поездов неизбежны случайные сочетания нагрузок (например, пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом), которые могут существенным образом повлиять на режимы работы системы тягового электроснабжения.

Наряду с этим поезда, удаляющиеся от тяговой подстанции, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что влияет на скорость движения поезда и, как следствие, на пропускную способность участка.

Кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезд, на локомотивах имеются вспомогательные машины, выполняющие различные функции. Производительность этих машин также связана с уровнем напряжения на их зажимах. Отсюда следует, что в системах тягового электроснабжения весьма важным является поддержание заданного уровня напряжения в любой точке тяговой сети.

Питание электрифицированного участка железной дороги осуществляется от энергосистемы конкретного региона. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.

Внешняя система электроснабжения (I) включает в себя электрическую станцию 1, трансформаторную подстанцию 2, линию электропередачи 3. Тяговая система электроснабжения (II) содержит тяговую подстанцию 4, питающие фидеры 5, отсасывающий фидер 6, контактную сеть 7 и тяговый рельс 9 (см. рис. 1.3), а также линейные устройства.

Электроснабжение железных дорог осуществляется по линиям 35, 110, 220 кВ, 50 Гц. Система тягового электроснабжения может быть как постоянного, так и переменного тока.

Рис. 1.3. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги: 1 – районная электрическая станция; 2 – повышающая трансформаторная подстанция; 3 – трехфазная линия электропередачи; 4 – тяговая подстанция; 5 – питающая линия (фидер); 6 – отсасывающая линия (фидер); 7 – контактная сеть; 8 – электрический локомотив; 9 – рельсы

На железных дорогах России распространение получили система электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ и система электроснабжения переменного тока с напряжением в контактной сети 25 кВ и 2 × 25 кВ, частотой 50 Гц.

Протяженность электрифицированных железных дорог России на 1 января 2005 г. составила 42,6 тыс. км.

Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ

Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока – электрическая связь тягового двигателя с контактной сетью, т. е. имеется контактная система токосъема. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Достоинство системы постоянного тока определяются качеством сериесного двигателя постоянного тока, характеристика которого в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока можно назвать следующие:

- вследствие низкого напряжения в тяговой сети токовыми нагрузками и большими потерями электроэнергии (полный коэффициент полезного действия (КПД) системы электрической тяги постоянного тока оценивается равным 22 %);

- при больших токовых нагрузках расстояние между тяговыми подстанциями равно 20 км и менее, что определяет высокую стоимость системы электроснабжения и большие эксплутационные расходы;

- большие токовые нагрузки определяют необходимость иметь контактную подвеску большего сечения, что вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов, а также возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети;

- система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов при разгоне (для пригородного движения они составляют примерно 12 % от общего расхода электрической энергии на тягу поездов);

- при электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт- ной сети;

- применявшиеся до последнего времени на тяговых подстанциях шестипульсовые выпрямители имели низкий коэффициент мощности (0,88 ÷ 0,92) и вследствие несинусоидальности кривой потребляемого тока являлись причиной ухудшения показателей качества электрической энергии (особенно на шинах 10 кВ).

На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. В случае распределенного питания все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается.

Существует требование, чтобы в случаях выхода из работы одного агрегата обеспечивались нормальные размеры движения. В первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты, а во второй – сознательный отказ от резервирования оборудования подстанций по узлам и переход к резервированию подстанций целиком.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км.

Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц

На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, наибольшее распространение получила система электроснабжения напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц. Принципиальная схема питания электрифицированного участка показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги переменного тока напряжением в контактной сети 25 кВ, частотой 50 Гц

Питание тяговой сети осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный (тяговый) трансформатор.

Он имеет три обмотки:

I – обмотка высокого напряжения 110 (220) кВ;

II – обмотка низкого (среднего) напряжения 27,5 кВ для питания контактной сети;

III – обмотка среднего (низкого) напряжения 35, 10 кВ для питания нетяговых потребителей.

К шинам 27,5 кВ подключены фидеры контактной сети. При этом фазы А и В питают разные плечи тяговой подстанции. Для разделения фаз на контактной сети устраивается нейтральная вставка. Фаза С подключается к рельсам.

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения переменного тока – электромагнитная связь тягового двигателя с контактной сетью – обеспечивается посредством трансформатора электровоза.

Достоинства системы:

- установлены независимые режимы напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе при сохранении тягового двигателя постоянного тока;

- повышено напряжение в контактной сети до 25 кВ переменного тока. Вследствие этого уменьшается ток нагрузки при одинаковой передаваемой мощности; уменьшаются потери напряжения и мощности;

- увеличено расстояние между тяговыми подстанциями и уменьшено их число (в два – три раза);

- уменьшен срок строительства и повышены темпы электрификации;

- сокращен расход цветных металлов.

Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока:

- несимметричный режим работы трехфазных трансформаторов (на двухплечевую нагрузку) и, как следствие, ухудшение показателей качества электрической энергии и значительное снижение их располагаемой мощности. Заметим, что под располагаемой мощностью трансформатора, работающего в несимметричном режиме, понимается мощность, соответствующая току прямой последовательности при такой нагрузке, когда ток в одной из фаз трансформатора принимает значение номинального;

- несинусоидальность системы потребляемых токов и также ухудшение качества электрической энергии в питающей системе электроснабжения (в кривой потребляемого электровозами тока при установленной на них двухпульсовой выпрямительной установке содержатся негативные высшие гармоники 3, 5, 7 с большим численным значением);

- низкий коэффициент мощности электровозов переменного тока. Коэффициент полезного действия системы электрической тяги в целом оценивается равным 26 %;

- тяговая сеть переменного тока является источником электромагнитного влияния на смежные устройства, в том числе на линии связи, что определяет необходимость применения специальных мер, направленных на снижение электромагнитного влияния;

- наличие при двухсторонней схеме питания тяговой сети переменного тока уравнительных токов, а следовательно, дополнительных больших потерь электрической энергии.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока с напряжением в тяговой сети 25 кВ, частотой 50 Гц, на 1 января 2005 г. составила 24,0 тыс. км.

Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока

Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы.

Рассмотрим принципиальные схемы питания при системах электрической тяги постоянного (рис. 1.6) и переменного (рис. 1.7) тока.

Обычно линия электропередачи частотой 50 Гц получает питание от энергосистемы и расположена вдоль железной дороги.

Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (ЭПС). Оно же является номинальным напряжением в контактной сети, напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10 % выше этого значения.

На рис. 1.6 и 1.7 обозначено: 1 – энергосистема; 2 – линия электропередачи; 3 – тяговые подстанции (с выпрямителями подстации постоянного тока и трансформаторные – переменного); 4 – контактная сеть; 5 – рельсы; 6 – электровоз.

Рис. 1.6. Принципиальная схема питания железной дороги постоянного тока

Рис. 1.7. Принципиальная схема питания железной дороги переменного тока

Электрифицированные железные дороги относятся к потребителям первой категории. Для таких потребителей предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции – районной или тяговой. Поэтому схема питания тяговых подстанций от энергосистемы должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы быть причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции. Достичь этого можно путем выбора рациональной схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы.

Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи

Схема питания тяговых подстанций от ЛЭП показана на рис. 1.8.

Рис 1.8. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от двухцепной линии электропередач

В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и др. Во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двухстороннего питания тяговых подстанций (см. рис. 1.8). На рис. 1.8. обозначено: 1 – опорная тяговая подстанция (не менее трех вводов высоковольтных линий). Оснащается комплексом высоковольтных коммутационных аппаратов и устройств автоматической защиты от повреждений; 2 – промежуточная отпаячная подстанция. Высоковольтные выключатели не устанавливаются, за счет чего удешевляется система электроснабжения; 3 – промежуточная транзитная подстанция, обеспечивается секционирование высоковольтных линий для ремонта или отключения при повреждениях.

Обеспечение надежности системы электроснабжения достигается: использованием двухцепной линии высокого напряжения, обеспечением двухстороннего питания каждой сети ЛЭП, секционированием ЛЭП на транзитных подстанциях, наличием быстродействующей автоматической защиты на опорных, транзитных тяговых и районных подстанциях.

Обеспечение экономичности системы электроснабжения достигается сокращением высоковольтной аппаратуры (выключателей) за счет промежуточных подстанций, не имеющих таких выключателей. При повреждениях на этих подстанциях быстродействующей защитой отключаются линии на опорных подстанциях, а в бестоковую паузу – на промежуточных. Неповрежденные подстанции включаются системой автоматического повторного включения.

При питании от одноцепной линии передачи присоединение подстанций на отпайках не допускается. Все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой подстанции промежуточные линии передачи секционируются выключателем.

Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока промышленной частоты

На дорогах однофазного переменного тока питание тяговой сети осуществляется от трехфазной линии передачи электрической энергии через трансформаторы, обмотки которых соединены в ту или иную схему.

При питании тяговой нагрузки от трех фаз секции тяговой сети слева и справа от подстанции должны питаться от разных фаз. Следовательно, они имеют напряжения, не совпадающие по фазе друг с другом.

Токи в фазах можно получить непосредственно из уравнений Кирхгофа. Если в рассматриваемый момент времени слева от подстанции нагрузка _л и справа _п (см. рис. 1.9), то можно записать:

Увеличение объемов перевозимых грузов и интенсивности движения поездов по основным транспортным магистралям привело к появлению электрифицированных железных дорог. Подобные объекты довольно сложно реализовать технически. В отличие от первых электрифицированных железных дорог, современные магистрали являются сложными с инженерной точки зрения инфраструктурными объектами и выполняют целый ряд важных для населения и экономики государства задач. В данной статье описывается история возникновения и развития железнодорожного транспорта на электрической тяге, даются основные технические характеристики и представление о системе подстанций и парке локомотивов.

Ранняя история электрифицированной железной дороги

Своим появлением первый в истории электровоз обязан известному всему миру немецкому изобретателю и бизнесмену Вернеру Сименсу. Этот образец был представлен всему миру на выставке достижений промышленности и науки в Берлине 31 мая 1879 г. Специально для демонстрации возможностей электровоза была построена электрифицированная железная дорога с контактной сетью. Длина этого экспериментального пути составляла немногим более 300 метров. Аппарат, который был продемонстрирован общественности, по современным меркам едва ли можно отнести к локомотивам. Скорее это была его модель. Транспортное средство весило всего лишь 250 килограмм, имело мощность в три лошадиных силы и могло развить скорость не более 7 километров в час. Для подачи напряжения использовался дополнительный рельс. Подвижной состав состоял из трех вагонов. Всего в них могло разместиться не более 18 человек.

Такая новинка вызвала огромный интерес со стороны представителей бизнеса. Уже в том же 1879 году для доставки рабочих и сырья на территории одной из французских швейных фабрик была построена дорога длиной 2 километра.

Таким образом, изначально железнодорожный транспорт на электрической тяге использовался на промышленных предприятиях и для перевозок пассажиров в черте города (трамвайные линии). Однако спустя всего лишь несколько лет открывается движение по маршруту Ликтерфельж – Берлин. Торжественное открытие с разрезанием красной ленточки состоялось 16 мая 1881 года.

Электрификация железнодорожных путей в Советской России и СССР

В царской России не уделялось должного внимания развитию электрического железнодорожного транспорта. В крупных городах были построены трамвайные линии. Основные магистрали железных дорог, соединяющие крупнейшие города империи, не электрифицировались. В 1880 году ученому по фамилии Пироцкий удалось сдвинуть с места тяжелый железнодорожный вагон при помощи электричества. Но этот эксперимент никого не заинтересовал. Лишь с приходом советской власти началось обсуждение перспектив развития данной отрасли. На тот момент локомотивы на электрической тяге активно внедрялись в большинстве стран мира. Электрифицированные железные дороги было просто жизненно необходимо развивать. Уже в 1921 году утверждается стратегический план электрификации всех территорий страны. Во соответствии с озвученным планом, контактная сеть электрифицированных железных дорог должна была протянуться над важнейшими магистралями, которые соединяют крупные промышленные регионы и города.

Уже в 1926 году вводится в эксплуатацию двадцати километровый участок дороги с контактной электрической сетью. Он соединил столицу Азербайджанской ССР с нефтяными промыслами Сураханы. На данном участке использовался постоянный ток напряжением 1200 вольт. 1929 год ознаменовался торжественным пуском первой электрички из Москвы в Мытищи. Эти события ознаменовали, без преувеличения, начало новой эры в истории развития и индустриализации нашей страны.

Спустя несколько десятилетий на смену постоянному приходит переменный ток. 19 декабря 1955 года вводится в эксплуатацию участок железной дороги Михайлов – Ожерелье. Его длина составляет 85 километров. Локомотивы на этом участке питались переменным током промышленной частоты (50 Герц) с напряжением 22 000 вольт. Спустя год контактные линии электропередач были продлены до станции Павелец 1. Таким образом, общая длина данного пути составила около 140 километров.

Общие сведения о железной дороге России

Железная дорога Российской Федерации – огромный организм. Она разбита на 17 отдельных управлений. По последним данным, суммарная длина эксплуатируемых дорог достигает значения 86 тысяч километров. При этом протяженность электрифицированных железных дорог составляет чуть более половины от этого значения (51%). Далеко не каждая страна может похвастаться таким показателем. Следует отметить, что на долю электрифицированных железных дорог России приходится более восьмидесяти процентов всего грузо- и пассажиропотока. Это вполне понятно. Ведь электрифицируются в первую очередь высоконагруженные транспортные магистрали. Более того, электрификация дорог с небольшим трафиком является экономически нецелесообразной и будет нести убытки. Достичь подобных показателей можно лишь сплоченным трудом всего народа. При этом необходимо иметь очень развитое машиностроение и приборостроение, развитую электротехническую промышленность и научный потенциал.

Суммарная длина электрифицированных участков железной дороги в нашей стране составляет приблизительно 43 тысячи километров. При этом 18 тысяч километров питаются постоянным током. Соответственно остальные 25 тысяч километров работают на переменном токе.

Преимущества электрификации

На фоне огромного числа достоинств и преимуществ электрифицированных железных дорог все недостатки просто теряются. Во-первых, количество вредных выбросов гораздо меньше, нежели от тепловозов. Это положительно сказывается на состоянии окружающей среды. Во-вторых, коэффициент полезного действия локомотива на электротяге значительно больше. Таким образом, снижается себестоимость перевозки грузов.

Помимо всего прочего, электрифицированные железные дороги решают проблему обеспечения электроэнергией промышленных предприятий и населенных пунктов, которые располагаются вдоль железнодорожной магистрали и недалеко от нее. По статистическим данным за 1975 год, более половины всей электроэнергии контактной сети железных дорог СССР было израсходовано на электроснабжение указанных объектов, не входящих в транспортную инфраструктуру.

И это далеко не исчерпывающий перечень преимуществ. Следует также сказать о том, что электрифицированная железная дорога имеет значительно большую пропускную способность, надежность, позволяет создавать комфортные условия для перевозки пассажиров.

Тяговые подстанции: общие понятия

Если упростить до минимума, то тяговой подстанции можно дать следующее определение: установка, предназначенная для распределения и преобразования электроэнергии. Иными словами, тяговая подстанция – это понижающий трансформатор. Если локомотив работает на постоянном токе, то подстанция выполняет функцию выпрямителя. Для сетей электрифицированных дорог на переменном токе необходимо оборудовать тяговые подстанции на расстоянии от 50 до 80 километров на протяжении всего участка пути. Переход на постоянный ток требует возведения подстанций каждые 15-20 километров. В некоторых исключительных случаях это расстояние может сокращаться до 5 километров (на особо загруженных магистралях).

В метро применяется особый тип тяговых подстанций. Устройства подобного типа преобразуют не преобразуют переменный в постоянный, а лишь понижают напряжение постоянного тока.

Конструкция блоков тяговых подстанций

Блоки тяговых подстанций представляют собой комплекс ячеек, панелей и шкафов. Эти элементы монтируются на рамы и соединяются сетью проводов (как силовых, так и проводов управления).

Существует два типа блоков. В одних блоках все элементы монтируются на раму, в других каждый элемент помещен в герметичный контейнер. Блоки первого типа предназначаются для установки в зданиях. Блоки второго типа устанавливаются вдоль линии железной дороги под открытым небом.

Контактная сеть

Контактная сеть является весьма сложным инженерным сооружением. Она включает в себя множество элементов: непосредственно сам провод, трос (несущий), опоры электропередач, жесткие и гибкие перекладины… К подвеске предъявляются весьма жесткие требования. Если она не будет им соответствовать, то съем тока будет происходить прерывисто, что не позволит локомотиву работать в нормальном режиме и может привести к возникновению аварийной ситуации. Строго регламентируется высота и сила натяжения провода, максимально допустимая кривизна, величина пролетов и так далее. В нашей стране одновременно функционируют локомотивы как на постоянном токе, так и на переменном. Это, разумеется, несколько затрудняет электроснабжение электрифицированных железных дорог. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки.

Конструкция простой контактной подвески

По сути, простая контактная подвеска представляет собой провод, закрепленный на опорах. При этом расстояние между этими опорами обычно составляет 30-40 метров. Подобная конструкция приемлема лишь на участках дорог, на которых не допускается движение с большой скоростью (мосты, тоннели), а также в троллейбусных и трамвайных линиях электропередачи.

Преимущества контактной сети на постоянном токе

По сравнению с контактной сетью на переменном токе, контактная сеть на постоянном токе имеет целый ряд преимуществ. Среди них особенно следует отменить возможность использовать ее для локомотивов со сравнительно простой конструкций и небольшой массой. Кроме того, в подобных системах отсутствует влияние поданного на контактную сеть напряжения. Самым главным преимуществом является более высокий уровень безопасности при эксплуатации, по сравнению с системами на переменном токе.

Недостатки контактной сети на постоянном токе

Главным недостатком подобных систем электроснабжения электрифицированных железных дорог является их дороговизна. Ведь для их постройки необходима более сложная и дорогая подвеска. Медный тяговый провод имеет значительно большее сечения, что также существенно удорожает общую стоимость проекта. Немаловажным недостатком является довольно незначительное, по сравнению с контактными сетями на переменном токе, расстояние между тяговыми подстанциями на электрифицированных железных дорогах. В среднем, оно составляет от 15 (на участках с максимальной интенсивностью движения составов) до 20 километров. Кроме всего прочего, постоянные токи вызывают возникновение так называемых блуждающих токов, которые приводят к возникновению и стремительному коррозионному разрушению стальных сооружений и опор.

Требования к подготовке персонала, обслуживающего системы электроснабжения

Прежде чем работник будет допущен к выполнению работ по ремонту и обслуживанию линий передач электрифицированной железной дороги, он должен пройти специальную подготовку. Причем это касается не только людей, которые работают непосредственно с электрической частью, но и слесарей и монтажников, которые обслуживают всю конструкцию линий передач и их опор. Весь персонал в обязательном порядке обязан проходить проверку знаний и подтверждать квалификационный уровень.

Заключение

Появление электрифицированных железных дорог ознаменовало бурный рост промышленности за счет интенсификации движения и увеличения грузооборота. Появилась возможность значительно увеличить массу перевозимых одним локомотивом грузов.

Кроме того, это позволило решить целый ряд проблем. Так, обычные тепловозы в условиях низких температур часто выходят из строя. Электровоз же работает надежно в любых погодных условиях. Это, в свою очередь, создало предпосылки для активного освоения северных и дальневосточных регионов нашей страны.

Читайте также: