Тяговая сеть железных дорог кратко
Обновлено: 02.07.2024
Железнодорожный транспорт потребляет более 7 % энергии, вырабатываемой электростанциями Российской Федерации. В основном ее расходуют на тягу поездов и частично на питание нетяговых потребителей (депо, станций, мастерских, а также районных потребителей).
Устройства электроснабжения железных дорог должны обеспечивать: бесперебойное движение поездов (при требуемых размерах движения); надежное электропитание различных устройств железнодорожного транспорта; электроснабжение всех потребителей железнодорожного транспорта.
Подвижной состав электрифицированных железных дорог и система электроснабжения составляют единую электрическую цепь. В систему электроснабжения электрифицированных дорог входят устройства, составляющие ее внешнюю и тяговую части.
Первая представляет собой мощную энергетическую систему с крупными электрическими станциями, районными трансформаторными подстанциями, сетями и линиями электропередачи. Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях, передается по линиям электропередачи к трансформаторным подстанциям энергосистемы трехфазного тока, от которых получают питание потребители промышленности, сельского хозяйства, железных дорог и др.
Система тягового электроснабжения состоит из тяговых подстанций и электротяговой сети, устройство которых определяется применяемой системой электрической тяги. Тяговое электроснабжение должно обеспечивать бесперебойное питание электроподвижного состава. Чтобы в случае прекращения подачи электроэнергии не останавливались электровозы и электропоезда на перегоне, не нарушался график движения, предусматривается резервирование отдельных элементов системы. Качество подаваемой системой электроснабжения электрической энергии оценивают уровнем напряжения, а на участках переменного тока, кроме того, — синусоидальностью напряжения, тока и частотой. Низкое качество энергии приводит к нарушению нормальной работы ЭПС: снижаются скорость движения и масса поезда, возникают боксование, броски тока, перегрев и пробой изоляции электрических машин и др.
Крупные электрические станции — тепловые, гидравлические и атомные — вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока напряжением 6—21 кВ. Этот род тока удобен в отношении производства и распределения электрической энергии и питания асинхронных двигателей, получивших наибольшее распространение в промышленности. Для передачи электрической энергии в энергосистемы напряжение на подстанциях повышают до 35—750 кВ в зависимости от длины линии электропередачи.
Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение на трансформаторных подстанциях понижают до 110—220 кВ и ток подают в районные сети высокого напряжения. К этим сетям наряду с другими потребителями подключены также тяговые подстанции электрифицированных железных дорог и трансформаторные подстанции дорог с тепловозной тягой. Чтобы обеспечить надежное питание электрической тяги и районных потребителей, как правило, стремятся иметь двустороннее питание тяговых потребителей от двух независимых источников — электростанций или районных подстанций.
В отдельных случаях тяговые подстанции питают от одного источника по двум параллельным линиям электропередачи или по одной двухцепной линии. Участки контактной сети присоединяют к соседним тяговым подстанциям так, что бы они тоже получали двустороннее питание. При этом подстанции и контактная сеть загружены равномернее и меньше, что способствует снижению потерь электроэнергии в контактной сети и мощности тяговых подстанций.
Конструкции контактной подвески и токоприемников с учетом взаимодействия ЭПС и пути должны обеспечивать надежную работу электрифицированных участков в любых климатических условиях.
1 — тепловая электростанция; 2 — гидроэлектростанция; 3 — атомная электростанция; 4 — районная трансформаторная подстанция; 5 — районная линия высокого напряжения; 6 — тяговая подстанция; 7 — питающая линия; 8 — контактная сеть; 9 — линия, связывающая энергосистемы
Рис. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги.
Контактная сеть предназначена для подачи электрической энергии от тяговой подстанции к электроподвижному составу и представляет собой совокупность проводов, конструкций и оборудования, .обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам электроподвижного состава.
1 - опора; 2 — тяга: 3 - консоль; i – изолятор 5 - несущий трос; 6 -контактный провод; 7- струны; 8 - фиксатор; 9 – изолятор
Тяговая сеть — часть системы тягового электроснабжения, состоящая из фидеров, контактной сети, рельсовой сети и отсасывающих линий (рис. 1). В ряде случаев в тяговую сеть входят дополнительные провода и устройства, присоединённые к контактной и (или) рельсовой сетям.
Тяговая сеть является сложной электрической цепью и содержит контуры, образованные проводами, рельсовой сетью и землёй (рис. 2). Ток, протекающий от тяговой подстанции к ЭПС, распределяется между проводами контактной сети. Возврат тока на подстанцию осуществляется через рельсовую сеть и землю и далее по отсасывающей линии. Под действием взаимной индуктивной связи, проявляющейся между контурами тяговой сети при протекании переменного тока, в цепи рельсовая сеть — земля наводится индуцированный ток, который направлен противоположно вызвавшему его току в контактной сети.
Основными параметрами тяговой сети являются удельное активное сопротивление r, индуктивность L и и ёмкость C (на 1 км длины). Значения r и L зависят в основном от числа и характеристик проводов контактной сети, рельсовых нитей и других элементов, входящих в тяговую сеть, а также от электрической проводимости земли. Вследствие утечки тока из рельсов, интенсивность изменения которой вдоль пути определяется переходным сопротивлением цепи рельсы — земля, параметры R и L не являются постоянными вдоль тяговой сети: вблизи подстанций и ЭПС их значения выше, чем в середине участка. При электрификации на переменном токе указанные параметры зависят также от силы протекающего по рельсам тока, как как электромагнитные свойства рельсовой стали нелинейны. Удельная ёмкость C определяется геометрическими размерами и взаимным расположением элементов контактной сети относительно поверхности земли и характеристиками изоляционного материала. От параметров тяговой сети зависят основные показатели системы тягового электроснабжения. При различном числе и марках проводов контактной сети удельное активное сопротивление тяговой сети при постоянном токе составляет 0,04—0,07 Ом/км, при переменном токе промышленной частоты 50 Гц — 0,14—0,20 Ом/км. Значение L при промышленной частоте равно 0,9—1,5 мГн/км. Для составляющих тока ЭПС, имеющих частоту от 300 до 3000 Гц и определяющих в наибольшей мере мешающее влияние на линии связи, значение R несколько выше, а L немного ниже, чем при промышленной частоте. Удельная ёмкость тяговой сети составляет около 20 нФ/км.
Возможность системы тягового электроснабжения по пропуску поездов характеризуется нагрузочной способностью тяговой сети, которая определяется наибольшей допустимой силой тока (длительного или кратковременного). С увеличением площади сечения или числа проводов нагрузочная способность тяговой сети растёт. Повышение размеров движения и массы поездов вызывает необходимость усиления тяговой сети, то есть повышения её нагрузочной способности, выполняемого обычно подвешиванием усиливающего провода. Это позволяет повысить допустимую силу тока в 1,5—2 раза, уменьшить значения R и L (чем больше расстояние между усиливающим и контактным проводами, тем меньше значение L).
На некоторых участках железных дорог переменного тока иногда требуется существенно (до 15 раз) снизить магнитное влияние на смежные коммуникации. В этом случае в тяговой сети устанавливают отсасывающие трансформаторы с обратным проводом (рис. 3, а). Такая тяговая сеть отличается более частым расположением изолирующих сопряжений анкерных участков и повышенными значениями R, L. Улучшение характеристик таких тяговых сетей достигается выбором определённого коэффициента трансформации, так называемым расщеплением обратного провода, рациональным размещением его на опорах. Для снижения магнитного влияния тяговой сети переменного тока с повышенной нагрузочной способностью используют экранирующий провод, имеющий в межподстанционной зоне соединения с рельсовой сетью или со специальными заземлителями (рис. 3, б). Экранирующий провод применяют, как правило, совместно с усиливающим проводом и подвешивают на опорах контактной сети. Под действием токов контактной сети и усиливающего провода в контуре экранирующий провод — земля наводится ток, имеющий встречное направление по отношению к вызвавшему его току. Чем ближе расположен экранирующий провод к усиливающему, тем в большей степени снижаются L и магнитное влияние. Для улучшения параметров тяговой сети повышают напряжение в ней. Наиболее экономично, без изменения конструкции ЭПС и усиления изоляции контактной сети это осуществляется с помощью питающего провода, находящегося под повышенным напряжением по отношению к контактной сети. Высокое напряжение, подаваемое от подстанции к питающему проводу, понижается статическими преобразователями (при постоянном токе) или автотрансформаторами (при переменном токе) до необходимого ЭПС уровня и передаётся в контактную сеть (рис. 3, в).
Обычно используется тяговая сеть переменного тока с питающим проводом и автотрансформаторами.
На отечественных железных дорогах в таких тяговых сетях напряжение между питающим проводом и рельсовой сетью составляет 25 кВ, а между контактной сетью и питающим проводом — 50 кВ (система 2×25 кВ).
Благодаря передаче большей части электроэнергии по питающему проводу нагрузка проводов контактной сети снижается в 1,5—1,8 раза, а значения Rи L — в 2,2—2,6 раза. В отличие от обычной тяговой сети, при системе 2×25 кВ возврат тока осуществляется в основном не по рельсовой сети и земле, а по питающему проводу. Вследствие этого магнитное влияние тяговой сети на линии связи меньше почти в 10 раз.
Для усиления тяговой сети действующих участков и выбора элементов тяговой сети для вновь электрифицируемых линий проводят сравнение технико-экономических показателей.
Основные элементы тяговой сети: 1 – фидер; 2 – контактная сеть; 3 – рельсовая сеть; 4 – отсасывающая линия.
ТЯ́ГОВАЯ СЕТЬ, часть системы тягового электроснабжения электрич. подвижного состава, состоящая из фидеров (питающих линий), контактной сети , рельсовой сети и отсасывающих линий. В ряде случаев в Т. с. входят также дополнит. провода и устройства, присоединённые к контактной и/или рельсовой сетям. Т. с. представляет собой сложную электрич. цепь, включающую контуры, образованные проводами, рельсовыми нитями и землёй (рис.). Ток, протекающий от тяговой подстанции к электроподвижному составу (ЭПС), распределяется между проводами контактной сети. Возврат тока на подстанцию осуществляется через рельсовую сеть и землю и далее по отсасывающей линии. Под действием взаимной индуктивной связи, проявляющейся между контурами Т. с. при протекании переменного тока, в цепи рельсовая сеть – земля индуцируется ток, направленный противоположно вызвавшему его току в контактной сети.
Контактная сеть предназначена для подачи электрической энергии от тяговых подстанций к электроподвижному составу и представляет собой совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам электроподвижного состава. Она устроена таким образом, что обеспечивает бесперебойное снятие тока локомотивами при наибольших скоростях движения в любых атмосферных условиях.
Контактную сеть выполняют в виде воздушных подвесок. При движении локомотива токоприемник не должен отрываться от контактного провода, иначе нарушается токосъем и возможен пережог провода. Надежная работа контактной сети в значительной мере зависит от стрел провеса провода и нажатия токоприемника на провод.
1 — опора; 2 — тяга; 3 — консоль; 4 — изолятор, 5 — несущий трос; 6 — контактный провод; 7 — струна; 8 — фиксатор; 9—изолятор
На железных дорогах поезда движутся с большими скоростями, поэтому провесы контактного провода должны быть минимальными. С этой целью применяют так называемые цепные подвески. В цепных подвесках (рис.90) контактный провод в пролетах между опорами подвешен не свободно, а на часто расположенных струнах, прикрепленных к несущему тросу. Благодаря этому требуется меньше опор, расстояние между ними достигает 70—75 м. Для уменьшения стрел провеса при сезонном изменении температуры оба конца контактного провода (иногда и несущего троса) оттягивают к опорам, которые называют анкерными, и через систему блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы. Наибольшая длина участков между анкернйми опорами устанавливается с учетом допустимого натяжения изношенного контактного провода и на прямых участках пути достигает 800 м.
Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса должна быть не ниже 6250 мм на станциях и 5750мм — на перегонах и в обоих случаях не выше 6800 мм. В горизонтальной плоскости контактный провод закреплен фиксаторами так, что относительно оси пути он подвешен зигзагообразно с отклонением у каждой опоры на ± 300 мм. Благодаря этому контактный провод достаточно устойчив против ветра и не перетирает контактные пластины токоприемников.
Наиболее распространены медные фасонные (МФ) контактные провода из твердотянутой электролитической меди сечением 85, 100 и 150 мм2 (рис. 91). Их заменяют через 6—7 лет и более. Износ контактных проводов снижает сухая графитовая смазка полозов токоприемников, применение угольных полозов и износоустойчивых меднокадмие-вых и медномагниевых контактных проводов.
Несущие тросы биметаллические сечением до 95 мм2 и медные сечением до 120 мм2. С помощью изоляторов их подвешивают к консолям, укрепленным на опорах, или к жестким и гибким поперечинам, перекрывающим железнодорожные пути. Струны из сталемедной проволр-ки выполнены так, что они не мешают подъему контактного провода токоприемниками. Фиксаторы делают легкими и подвижными, чтобы при прохождении токоприемника не возникали удары.
Опоры применяют металлические (высотой до 15 м и более) и железобетонные (длиной до 13,6 м). Расстояние от оси крайнего пути до внутреннего края опор контактной сети на перегонах и станциях должно быть не менее 3100 мм. На существующих электрифицированных линиях, а также в особо трудных условиях на вновь электрифицированных линиях расстояние от оси пути до внутреннего края опор допускается не менее 2450 мм на станциях и 2750 мм на перегонах.
На крупных станциях контактные провода подвешены только на путях, предназначенных для приема и отправления поездов на перегоны с электротягой, а также на путях электровозных и моторвагонных депо. На промежуточных станциях, где маневры выполняются электровозами, контактной сетью оборудованы все пути. Над стрелочными переводами контактная сеть имеет воздушные стрелки, образуемые пересечением двух контактных подвесок.
Для надежной работы и удобства обслуживания контактную сеть делят на отдельные участки (секции) с помощью воздушных промежутков и нейтральных вставок (изолирующих сопряжений), а также секционных и врезных изоляторов. При проходе токоприемника электроподвижного состава по воздушному промежутку он кратковременно электрически соединяет обе секции контактной сети. Если по условиям питания секций это недопустимо, то их разделяют нейтральной вставкой, состоящей из нескольких последовательно включенных воздушных промежутков. Применение таких вставок обязательно на участках переменного тока, когда смежные секции питаются от разных фаз трехфазного тока. Длина нейтральной вставки устанавливается с таким расчетом, чтобы при любых комбинациях поднятых токоприемников подвижного состава полностью исключалось одновременное замыкание контактных проводов нейтральной вставки с проводами прилегающих к ней секций контактной сети. В отдельные секций выделяют перегоны и промежуточные станции, а на крупных станциях — отдельные группы электрифицированных путей. Соединяют или разъединяют секции секционными разъединителями, установленными на опорах контактной сети. Между соседними тяговыми подстанциями размещают посты секционирования, оборудованные автоматами или масляными выключателями для защиты контактной сети от коротких замыканий.
Для безопасности обслуживающего персонала и других лиц, а также для улучшения защиты от токов короткого замыкания заземляют или оборудуют устройствами защитного отключения металлические опоры и элементы, к которым подвешена контактная сеть, а также все металлические конструкции, расположенные ближе 5 м от частей контактной сети, находящихся под напряжением.
Для снабжения электроэнергией линейных железнодорожных и районных потребителей на опорах контактной сети дорог постоянного тока подвешивают специальную трехфазную линию электропередачи напряжением 10 кВ. Кроме того, в необходимых случаях на этих опорах размещают провода телеуправления тяговыми подстанциями и постами секционирования, низковольтных осветительных и силовых линий и др.
На электрифицированных дорогах рельсы используют для пропуска тяговых токов, поэтому верхнее строение пути на таких дорогах имеет следующие особенности:
а) для уменьшения электрического сопротивления рельсовых стыков с наружной стороны колеи к головкам рельсов прикреплены (приварены) стыковые соединители из медного троса;
б) применяют щебеночный балласт, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами. Зазор между подошвой рельса и балластом делают не менее 3 см;
в) деревянные шпалы пропитывают креозотом, а железобетонные надежно изолируют от рельсов резиновыми прокладками;
г) рельсовые нити через определенные расстояния электрически соединяют между собой, что позволяет уменьшить сопротивление току;
д) линии, оборудованные автоблокировкой и электрической централизацией, имеют изолирующие стыки, с помощью которых образованы отдельные электрические рельсовые цепи этих систем. Чтобы пропустить тяговые токи в обход изолирующих стыков, устанавливают дроссель-трансформаторы или частотные фильтры.
Питающие и отсасывающие линии (сети) выполняют воздушными или кабельными. Для предохранения подземных металлических сооружений от повреждения блуждающими токами уменьшают сопротивление рельсовых цепей, улучшают их изоляцию от земли, а также устраивают специальную защиту.
В систему электроснабжения (ЭС) электрифицированных железных дорог входят: устройства внешней части, включающие электростанции (тепловые, гидравлические, атомные), районные трансформаторные подстанции, сети и линии электропередачи (ЛЭП); тяговая часть, состоящая из тяговых подстанций и электротяговой сети (рис. 8.1). Электротяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной и рельсовой сетей, питающих и отсасывающих линий (фидеров).
На электрифицированных отечественных железных дорогах применяются две системы электрической тяги: постоянного тока с номинальным напряжением в тяговой сети 3 кВ и переменного однофазного тока промышленной частоты (50 Гц) с номинальным напряжением 25 кВ. Однако и в том, и в другом случаях в подвижном составе используют тяговые двигатели постоянного тока. Электроподвижной состав электрифицированных железных дорог получает электроэнергию от энергосистемы общего пользования. Принципиальная схема систем питания электрифицированных железных дорог приведена на рис. 8.2.
В системе постоянного тока трехфазный ток напряжением 6, 10, 35, 110 или 220 кВ поступает от электрических сетей энергосистемы на тяговые подстанции, где трансформируется, выпрямляется и уже постоянный ток напряжением 3 кВ подается в контактную сеть. Низкое напряжение в контактной сети ограничивает расстояние между тяговыми подстанциями до 20 км, а на особо грузонапряженных участках — до 15—18 км. Увеличивается площадь сечения медных проводов контактной сети до 400—600 кв. мм в связи с большой мощностью электровозов и низким напряжением.
Система однофазного переменного тока промышленной частоты получила более широкое распространение во всем мире в связи с ее преимуществами по сравнению с системой постоянного тока: потери энергии в тяговой сети при одной и той же мощности электровоза снижается в 11 раз, падение напряжения в контактной сети — в 3,3 раза, а расстояние между тяговыми подстанциями увеличивается в 2 раза. Однако конструкция электровозов, работающих от системы переменного тока, значительно сложнее, чем электровозов постоянного тока.
Читайте также: