Сравнить две системы электрификации жд почему их две а не одна кратко

Обновлено: 05.07.2024

Так как построить и организовать систему постоянного тока без применения преобразующих устройств изначально было проще, чем переменного, железные дороги и комхозовский транспорт стали строить на постоянном токе. Вначале - с рабочим напряжением 500-600 вольт. Первые электровозы работали на таком же напряжении. Потом, из-за роста нагрузки и "упора" в сечение провода, получили ограничение по амперам - и утроили напряжение: линии постояннотоковой дороги стали работать на 1500 вольтах, потом на 3000 вольт. При этом аппаратура имела доступную к исполнению изоляцию и приемлемые габариты. Но уже в 50е годы было понятно, что данная система тока - серьезно ограничивает провозную способность дороги всё из-за тех же ампер, теперь уже - килоампер. При недостаточной тяге к составу можно было прицепить два, три паровоза или тепловоза, но при работе двух ЭЛЕКТРОВОЗОВ контактная сеть, бывало, не выдерживала, а о ТРЕХ электровозах постоянного тока речь не шла вообще. Собственно, любая дорога постоянного тока питается, конечно, переменным током - постоянным его делают подстанци, торчащие иногда через каждые 10 километров. Представляете море проводов вокруг такой дороги?

Переменному току, в отличие от постоянного, легко поменять напряжение - достаточно поставить трансформатор, и на выходе всегда будет "то, что надо". Поэтому контактная сеть имеет под переменным током напряжение 27,5 киловольт - номинал 25кВ - и при относительно нетолстом контактном проводе и редко стоящих питающих подстанциях обеспечивает все мыслимые и немыслимые нагрузки. Вся современная и перспективная электрификация на ЖД - только переменнотоковая. А превратить переменный ток в постоянный уже на самом электровозе при наличии кремниевых диодов стало совсем несложно. В оптимальные для ТЭДов 1,5 кВ его превращает тяговый трансформатор. Переключая его секции, можно менять напряжение на ТЭДах хоть через полвольта! И никаких реостатов, интенсивно греющих атмосферу, тут не требуется.

Как всегда, гистория преподнесла одно НО. В первую очередь электрификацию всегда и везде получали самые напряженные по грузо- и пассажиропотоку линии. А раз "в первую очередь" - то НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ, потому что переменным тогда не электрифицировали. Вот они и работают ПОКА (надеюсь. ) на постоянном токе. "Паук" вокруг Москвы с "лапой" к Петербургу, куча дорог на Урале, в Кузбассе, часть Транссиба. Некоторые из них переведены на переменный, при этом получен отличный эффект и в эксплуатации, и в экономике. Мало того, линия, электрифицированная переменным током, может питать пристанционные сооружения, то есть, позволяет запитать пристанционный поселок, какую-то мастерскую и т. п. В отдаленных районах это бывает жизненно важно. Но перестроить систему электрификации - задача сложная и дорогая, поэтому пока, с сожалению, постоянный ток на дороге в реликт не превратился.

Переменный ток дает экономический эффект за счет снижения стоимости возведения контактной сети (более тонкие провода, следовательно пролеты больше, затраты на бетон/опоры ниже) . Не нужно его (ток) выпрямлять - он от электростанции же приходит переменным. Минус - требование к модернизации локомотивного парка - дооборудование его реакторами (выпрямителями) - это позволяет эксплуатировать элетровозы на "двойном питании"; либо новым типом ассинхронных двигателей и аппаратурой их управления - новое поколение ТПС.
В прошлом технический уровень промышленности не позволял строить "переменники" с ассинхронными двигателями (проблема в аппаратуре управления была) . С появлением транзисторов коммутирующих токи до 10 000А (Япония) эта проблема стала разрешимой (последнее поколение локомотивов) . Сейчас там используют частотно-импульсное и широтно-импульсное регулирование. И сама аппаратура - на порядок меньше стала.
А те переменники, что ныне колесят по просторам РЖД, это по сути постояники с блоком выпрямления. У них регулирование ступенчатое (резисторы вводят в цепь) . Это ОЧЕНЬ негативно сказывается на живучисти механики и электрики такого дорогущего электровоза.

Система постоянного тока
Простота электрооборудования, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.

Недостатком системы является низкое напряжение контактной сети, что вынуждает использовать большее суммарное сечение проводов и сокращать расстояние между тяговыми подстанциями, так как по закону Ома для передачи той же мощности при меньшем напряжении требуется пропорционально больший ток.

Система переменного тока пониженной частоты
Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др. ) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора.

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

Система переменного тока промышленной частоты
Наиболее экономичным было бы использование тока промышленной частоты, однако его внедрение встретило много трудностей. Поначалу пытались использовать коллекторные электродвигатели переменного тока, мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока) , вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для тяговых асинхронных электродвигателей) . Коллекторные электродвигатели плохо работали на токе промышленной частоты, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми.
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 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 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, по инерции. 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.
Двухсистемный электровоз ВЛ82М-077

На железных дорогах России используют две системы электроснабжения: постоянного и однофазного переменного тока. Тяга на рехфазном переменном токе не получила распространения, поскольку технически сложно изолировать близко расположенные провода двух фаз контактной сети (третья фаза — рельсы).

Электрический подвижной состав обеспечивают тяговыми двигателями постоянного тока, так как предлагаемые модели двигателей переменного тока не отвечают предъявляемым требованиям по мощности и надежности. Поэтому железнодорожные линии снабжают системой однофазного переменного тока, а на локомотивахустанавливают специальное оборудование, преобразующее переменный ток в постоянный. Правилами технической эксплуатации регламентированы номинальные уровни напряжения на токоприемниках электрического подвижного состава: 3 кВ — при постоянном токе и 25 кВ — при переменном. При этом определены допустимые с точки зрения обеспечения стабильности движения колебания напряжения: при постоянном токе — 2,7. 4 кВ, при переменном — 21 . 29 кВ. На отдельных участках железных дорог допускается уровень напряжения не менее 2,4 кВ при постоянном токе и 19 кВ — при переменном. Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески. На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный. Все оборудование, подающее переменный ток, размещается на открытых площадках, а выпрямители и вспомогательные агрегаты — в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергия поступает в контактную сеть по питающей линии — фидеру.

Основными недостатками системы электроснабжения постоянного тока являются его полярность, относительно низкое напряжение и отсутствие возможности обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего. Рельсы, служащие проводниками тока разной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и искусственных сооружений. Для предотвращения этого применяют соответствующие защитные устройства (анодные заземлители, катодные станции и др.). Из-за относительно низкого напряжения (U= 3 кВ) в системе постоянного тока по контактной сети к электрическому подвижному составу подводится мощность (W = UI) при большой силе тягового тока /. Для этого тяговые подстанции размещают недалеко друг от друга (10. 20 км) и увеличивают площадь сечения проводов контактной подвески. При переменном токе повышается эффективность использования электрической тяги, поскольку по контактной сети передается требуемая мощность при меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 40. 60 км друг от друга. Их задачей является только понижение напряжения со 110. 220 до 25 кВ, поэтому их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока. Кроме того, в системе однофазного переменного тока площадь сечения проводов контактной сети примерно в два раза меньше. Для размещения оборудования на тяговых подстанциях при переменном токе используют открытые площадки. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше. В результате воздействия электромагнитного поля переменного

тока на металлические конструкции и коммуникации, расположенные вдоль железнодорожных путей, в них появляется опасное для людей напряжение, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому применяют особые меры защиты сооружений. Затраты на такие защитные меры, как улучшение электрической изоляции между рельсами и землей, замена воздушных линий кабельными или радиорелейными, составляют 20. 25 % общей стоимости работ по электрификации. Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных станциях. В ряде случаев, когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.___

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

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: