Железные дороги России

Современная мощная энергетическая система может включать в себя различные электрические станции, линии электропередачи различного напряжения и соответственно различного напряжения трансформаторные подстанции. Соединение между собой отдельных  энергосистем специальными линиями электропередачи, так называемыми линиями межсистемной связи дает, по существу, те же преимущества. Что и соединение станций в одну энергосистему.

В реальных условиях электрическая  энергия преобразовывается на ряде подстанций и питает ряд локомотивов. 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.

Под напряжением системы  электрической тяги понимают номинальное  напряжение, на которое изготавливается  электроподвижной состав (э. п. с), оно  является номинальным напряжением  в контактной сети. Напряжение на шинах  подстанции обычно принимают на 10% выше этого значения. На всех суммах напряжение в тяговой сети показано равным номинальному напряжению э. п. с.

Система постоянного тока. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока в основном изготовляют на напряжение не выше 1500. В (редко – незначительно большее). Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение, равное 3000 В. При таком напряжении энергия тяговым двигателям передается без изменения уровня напряжения на электровозе. В этой системе электровозы получаются наиболее простыми, что и составляет одно из главных ее преимуществ. При таких значениях напряжения расстояния между подстанциями на грузонапряженных дорогах принимаются, как правило, около 15 – 20 км, а сечения проводов контактной сети по сравнению с другими системами тока и напряжения – в 2 – 3 раза большими. В столь же раз больше получаются потери энергии в проводах контактной сети.

В дальнейшем при увеличении грузопотоков приходится добавлять  подстанции, и тогда расстояние между  ними уменьшается вдвое. Большая  площадь сечения проводов контактной сети и большее число тяговых  подстанций, вызванное относительно невысоким напряжением в тяговой  сети, являются существенным недостатком  системы постоянного тока. Номинальное  напряжение на метрополитенах России и ряде других стран равно 750 В.

Недостатком системы постоянного  тока являются также большие потери энергии в пусковых реостатах  при разгоне поезда. Особенно при  пригородном движении, где доля пусковых потерь достигает – 12 - 15%.

Влияние нагрузок тяговой  сети на смежные линии при системе  постоянного тока относительно невелико и легко устранимо, что можно  отнести к существенным преимуществам  этой системы. Иначе обстоит дело с электрокорозией подземных  сооружений, что как уже было отмечено, является особенностью и одним из существенных недостатков системы постоянного тока. Для борьбы с этими явлениями разработаны эффективные мероприятия, значительно уменьшающие опасность электрокоррозии подземных сооружений.

Участки дорог постоянного  тока питаются от энергосистемы, а энергия  преобразуется с помощью полупроводниковых  преобразователей. Ранее подстанции постоянного тока оборудовались  в основном двигатель – генераторы. В настоящее время для преобразования переменного тока в постоянный применяют только полупроводниковые преобразователи.

В России в связи с переходом  электрификации по системе однофазного  тока промышленной частоты электрификацию на постоянном токе используют в основном при продолжении электрификации существующих линий, ранее электрифицированных по системе постоянного тока.

Слабое влияние тяговой  сети постоянного тока на смежные  линии, являющееся существенным преимуществом  этой системы, заставило искать решения  по повышению напряжения в контактной сети. Но это определяло необходимость  преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого  более низкого напряжения. Велись различные исследования в этом направлении. Создание управляемых полупроводниковых  преобразователей открыло возможность  для разработок экспериментальных  исследований по внедрению системы  импульсного преобразования постоянного  тока на электровозе, что может позволить  повысить напряжение в контактной сети до 6 кВ. Разрабатываются также системы  с преобразованием постоянного  тока контактной сети в трехфазный ток регулируемой частоты при  асинхронных двигателях на электровозах.

На дорогах постоянного  тока не тяговые потребители питаются через специальные трансформатор  от шин тяговых подстанций.

Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц. Основным преимуществом этой системы по сравнению с системой постоянного тока является возможность использования более высокого напряжения в контактной сети России принято 25 кВ. При этом тяговые подстанции превращаются в простые трансформаторные, а сечение контактной сети значительно уменьшается даже при больших расстояниях между подстанциями (40 – 60 км.).

Наибольшее распространение  получил э.п. с. с двигателями постоянного тока и преобразовательной установкой на локомотиве. Трансформаторы этой установки позволяют регулировать напряжение на двигателях под нагрузкой.

При питании однофазной нагрузки от трехфазной районной сети неизбежна  различная нагрузка фаз первичной  системы электроснабжения. Не симметрия  нагрузки приводит к ухудшению работы первичной системы (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи, релейной защиты). При мощных энергосистемах обычно тяговая  нагрузка составляет небольшую долю от всей нагрузки системы. В этих случаях  не симметрия тяговой нагрузки не играет существенной роли в нагрузке, действующей на отдельные элементы системы. Однако она вызывает на шинах  тяговых подстанций и в питающих их линиях передачи существенную не симметрию  напряжения. Не симметрия напряжения оказывает неблагоприятные влияния  на работу трехфазных потребителей, получающих питание от этих подстанций и линий  электропередачи. Значительное влияние  тягового тока на линии слабого тока и необходимость принятия дорогих  мер защиты уменьшают эффективность  систем переменного тока. Это соображение  частично теряет силу, если линии связи  были калиброваны до электрификации.

Системы однофазного тока промышленной частоты принята как  основная для дальнейшей электрификации железных дорог России, а также  во Франции, Японии (при частоте 60 Гц), Англии и др.

Схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы. Согласно правилам устройства электроустановок в России все приемники по степени их значимости и ответственности разделяются на три категории и соответственно этому обеспечивается необходимая степень надежности схем питания.

Электрифицированные железные дороги, т. е. дороги с электрической  тягой, относятся к первой категории, поскольку перерыв в их работе приносит значительный ущерб народному  хозяйству. Для таких потребителей должно быть предусмотрено питание  от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной  и той же подстанции районной или  тяговой. В соответствии с этими схемами питания тяговых подстанций от энергосистемы на дорогах России во всех случаях должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы явиться причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции.

В общем случае схема питания  тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических  станций и подстанций, возможности  их расширения и т.п. При этом во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двустороннего  питания тяговых подстанций или, если это связано со значительными  затратами, питают подстанцию от одного источника двумя параллельными  линиями передачи или одной двух цепной линией. Наиболее типичной является схема питания от продольной линии  электропередачи.

При двустороннем питании  тяговых подстанций от двух цепной линии передачи две цепи линии  заводятся только на так называемые опорные тяговые подстанции. Остальные  подстанции – промежуточные –  получают питание через отпайку (отпаечные), либо выключаются в рассечку линии передачи поочередно к разным цепям линии (проходные).

Отпаечные и проходные  подстанции чередуются между собой  так, чтобы при любой аварии на линии передачи (даже повреждение  двух цепей линии) отключалось не более одной подстанции.

Выход из строя одной цепи линии электропередачи на любом  участке между проходными подстанциями не ведет к отключению ни одной  подстанции. Так как все промежуточные  подстанции могут получать питание  от неповрежденных участков. Если же авария произойдет на обеих цепях линии  одновременно, то отключится только одна отпаечная подстанция, присоединенная отпайками к поврежденным участкам обеих цепей линии.

При двустороннем питании  тяговых подстанций от одно-цепной линии линия передачи заводится на каждую подстанцию. Такие подстанции называются проходными.

Надежность работы контактной сети зависит от схемы питания  и разделения (секционирования) контактной сети на отдельные части (секции), что  позволяет отключить при повреждении  контактной сети или ее ремонте только небольшой участок. Рельсовый путь не секционируется.

Схемы секционирования контактной сети определяется эксплуатационными  условиями. Контактная сеть на секции может быть разделена с помощью  секционирующих устройств: изолирующих  сопряжении или секционных изоляторов и нейтральных вставок. Нейтральная  вставка представляет собой последовательное соединение двух изолирующих сопряжений и нормально не имеет напряжения. При проходе поезда под секционирующим устройством токоприемник локомотива соединяет между собой на короткое время секции 1 и 2. При стыковании участков одной системы тока, но разных напряжений или если смежные секции питаются от различных фаз трехфазной системы, необходимо применить секционирующие устройства с нейтральной вставкой.

Составляя схемы питания  контактной сети, в первую очередь  выбирают схему параллельной или  раздельной работы подстанций на контактную сеть, т. е. схему одностороннего или  двустороннего питания сети. Затем  определяют целесообразность поперечных соединений между проводами отдельных  путей. Схемы питания при сравнении  оценивают по технико-экономическим  показателям. При этом принимают  во внимание потери энергии, необходимые  мощности подстанций и сечение проводов контактной сети, потери напряжения и  длину участка, который приходится отключать при возникновении  короткого замыкания.