Схема питания железной дороги, электрифицированной по

Системе переменного тока

Рис. 2.5. Принципиальная схема системы

электроснабжения переменного тока

На схеме(рис. 2.5) приведен участок электрифицированной железной дороги длиной 40—50 км с двумя тяговыми подстанциями I и II, расположенными вблизи станций А и В. К линии электропередачи 12 трехфазного переменного тока 110 кВ подключен понижающий трансфор­матор 10 тяговой подстанции. Этим трехобмоточным трансформатором первичное напряжение 110 кВ понижается до 27.5 кВ, а также до 35 или 10 кВ. Напряжение 27.5 кВ подается на шины 7, 8 и 9 (соответственно фазы b, а и с) и используется для питания тяговой сети. Напряжение 35 (или 10) кВ— (шины 11) используется для питания прилегающего к подстанции района.

Для равномерной загрузки трех фаз системы внешнего электроснабжения в тяговую с станции А и перегона слева от неё подается напряжение, отличают по фазе от напряжения, подаваемой в тяговую сеть перегона справа. Для этого участки контактной сети указанных перегонов и станции, также рельсы присоединены к разным фазам шин 27,5 кВ: контактная сеть перегона через фидер контактной сети 4 и выключатель подключена к шине фазы b, контактная сеть перегона слева от нее— к шине фазы а, а рельс через рельсовый фидер 6 — к шине фазы с. Более подробно все сказанное будет рассмотрено позже, однако ясно, что при таком подключен к шинам 27,5 кВ соединение контактной сети слева от станции А с контактной сетью станции возможно так как они присоединены к одной и той же фазе а. Соединение контактной сети и контактной сети перегона справа и слева от подстанции недопустимо, так как они присоединены к двум разным фазам и такое соединение приведет к короткому замыканию фаз а и b понижающего трансформатора 10. Поэтому участки контактной сети перегона слева и справа разделены двумя воздушными промежутками 2 и нейтральной вставкой между ними. Наличие нейтральной вставки исключает даже кратковременное замыкание фаз а и b трансформатора 10 токоприемниками ЭПС при проходе ими этого участка тяговой сета

Подача напряжения в тяговую сеть перегона происходит при включении выключателя 5 фидера контактной сети.

В тяговую сеть перегона между подстанциями напряжение подается от двух подстанций I и II. При этом обеспечивается двусторонний подвод энергии к ЭПС. Для обеспечения двустороннего питания ЭПС и равномерной загрузки фаз ЛЭП 110 кВ понижающие трансформаторы двух соседних подстанций I и II присоединены к ЛЭП 110 кВ неодинаково, а следуя специально разработанному правилу.

Рассмотрим другие вспомогательные линии электроснабжения участка. От шин тягового напряжения 27,5 кВ получают питание также нетяговые потребители. Для этого через выключатель 20 к шинам 7 и 8 подключают два провода, размещаемые на опорах контактной сети с полевой стороны. Понижающие трансформаторы потребителей 22 подключаются к этим проводам и рельсу. Такая система питания получила название ДПР (два провода — рельс). В середине линии ДПР установлен разъединитель 23. Нормально левая половина линии ДПР питается от подстанции I, а правая — от подстанции II, разъединитель 23 разомкнут. В случае необходимости (например, при отключении одной из подстанций) вся линия ДПР может получать питание от одной подстанции. При этом разъединитель 23 включается.

Энергию для собственных нужд тяговой подстанции (питание цепей управления, сигнализации, освещения, отопления, моторной нагрузки) получают от трансформатора собственных нужд (ТСН) 13 через шины собственных нужд 14 (на рис. 2.5, а нагрузки собственных нужд обозначены стрелками). От шин собственных нужд 14 через трансформатор 15 напряжение подается в линию 16, предназначенную для питания устройств СЦБ и связи. От этой линии, например, через маломощные понижающие трансформаторы 18 и релейные шкафы СЦБ 19 питаются светофоры. В середине линии 16 установлен разъединитель 17. Это дает возможность питать линию от любой из двух подстанций I или II (при замкнутом разъединителе 17) или же каждую, половину линии питать от своей подстанции (при разомкнутом разъединителе). Так как от работы устройств СЦБ непосредственно зависит выполнение графика движения поездов на участке, они должны иметь резервный источник питания. Устройства СЦБ получают резервное питание по линии 24 через понижающие однофазные трансформаторы 25 от линии ДПР 21.

Светофор получает напряжение от маломощного понижающего однофазного трансформатора 18 через кабель 24 и релейный шкаф СЦБ 19. Трансформатор 18 подключен к трехфазной линии передачи 10 кВ 16.

Нормы напряжения переменного тока для источников и линий основного питания устройств СЦБ установлены МПС. В соответствии с нормами напряжение на шинах понизительных или тяговых подстанций, от которых питаются линии, снабжающие электроэнергией устройства СЦБ, не должно отклоняться больше чем на 10% .в меньшую сторону или 5% в большую от номинального напряжения на этих шипах.

Отклонение величины напряжения от номинального в боль­шую или меньшую сторону может весьма существенно влиять на работу отдельных элементов схем СЦБ. При значительных отклонениях напряжения может нарушиться регулировка рельсовых цепей. Светофорные лампы наиболее чувствительны к колебанию напряжения,которое влияет па срок их службы и дальность видимости сигнала. Увеличение напряжения от номинального на 10% сокращает срок службы лампы почти в 4 раза, т. е. она вместо установленных для нее 1000 ч горения ра­ботает только 250 ч. В то же время понижение напряжения на лампе с12 до 9 В уменьшает видимость сигнала на 35%, что существенно влияет на безопасность движения поездов. Поэтому работники, эксплуатирующие устройства электроснабжения СЦБ, должна постоянно контролировать уровень напряжения».

Однако, питание ТСН (от которого, в свою очередь питается трансформатор СЦБ) от шин 27,5 кВ не обеспечивает необходимого качества напряжения для устройств СЦБ. Поэтому на дорогах ведется реконструкция схемы электроснабжения ВЛ СЦБ от шин 35(10) кВ третьей обмотки тягового трансформатора(см рис. 2.6)

Электровоз мощностью 6000 кВт на постоянном токе потребляет из контактной сети ток 2000 А, а на переменном лишь 300 А. Поэтому контактная сеть постоянного тока тяжелая, имеет большое число проводов. Это обычно два медных контактных провода сечением .100 мм² каждый, медный несущий трос сечением 120 мм² и еще один или два усиливающих алюминиевых про­вода сечением 185 мм² каждый. На переменном токе контактная сеть более легкая и состоит из одного медного контактного провода сече­нием 100 мм² и биметаллического несущего троса сечением 95 мм². Конструкция подстанции переменно­го тока по сравнению с подстанцией на постоянном токе более проста благодаря отсутствию выпрямитель­ных агрегатов. Количество подстанций на линиях при системе переменного тока меньше, ибо располагаются они на больших расстояниях. Один из недостатков системы пере­менного тока заключается в ее значительном влиянии на линии связи, так как переменный ток создает вокруг проводов переменное электро­магнитное поле. Приходится линии связи, проходящие вдоль железных дорог, непременно выполнять кабельными, а не воздушными, как на постоянном токе, что приводит к увеличению стоимости электрификации железных дорог. Кроме того, возникают проблемы несимметрии токов и напряжений из-за того, что электровозы потребляют однофазный ток, а линии передачи трехфазные. Появляется необходимость монтажа нейтральных вставок у каждой подстанции. Наличие таких вставок увеличивает вероятность пережога контактного провода.

Рис. 2.6. Вариант электроснабжения ВЛ СЦБ от 3 й

обмотки тягового трансформатора

Рис. 2.7. Разрез железной дороги, электрифицированной

по системе переменного тока.

Рис. 2.8. Провода ВЛ СЦБ на опорах контактной сети

2.4. Система переменного тока 15 кВ пониженной частоты 16 2/3 Гц

Рис. 2.9. Системы электроснабжения 15 кВ

По этой системе (рис. 2.9) работают с первых лет электрификации желез­ные дороги стран центральной и северной Европы; ФРГ, Швейцарии, Швеции, Норвегии. Понижение частоты объясняется стремлением использовать на переменном токе тяговый электродвигатель последовательного возбуждения, широко меняемый в электрической тяге постоянном токе. Вращающий момент на валу электродвигателя и пропорционален произведению тока магнитного потока, поэтому электродвигатель последовательного возбуждения способен работать и переменном токе, поскольку направления тока и магнитного потока меняются одновременно. Однако переменный магнитный поток электродвигателя приводит к возникновению ЭДС в обмотке якоря двигателя. При значительной ЭДС появляется сильное искрение под щетками вплоть до кругового огня по коллектору при коммутации. Чтобы избежать этого, необходимо снизить частоту тока. Технически проще снизить частоту ровно в 3 с 50 до 16 2/3 Гц. Этим и объясняется появление электрифицированных участков 15 кВ частоты 16 2/3.

Для этой системы в Европе построены специальные электростанции, но в большинстве случаев, система питается от обычных энергосистем промышленной частоты с помощью преобразователем частоты. В этом случае- к линии электропередачи (ЛЭП) трехфазного переменного тока 110 кВ подключен трансформатор тяговой подстанции (рис.2.9), понижающий напряжение до 6,3 кВ. Это напряжение подается на синхронный трехфазный электродвигатель, на валу которого установлен синхронный однофазный генератор с выходным напряжением 5,7 кВ частотой 16 2/3 Гц. Полученное напряжение повышается трансформатором до 15 кВ и подается на шины тяговой подстанции. Одна из шин рельсовым фидером соединена с рельсами, а другая через фидерные выключатели— с контактной сетью перегона. Контактная сеть станции подключена к той же шине, что и сеть перегона, поэтому перегон и станция в этой системе отделены простым по конструкции воздушным промежутком, а не двумя промежутками (с нейтральной вставкой, как при 25 кВ)

Недостатки системы 15 кВ пониженной частоты заключаются: прежде всего в том, что эта система требует громоздких вращающихся преобразователей. Трансформаторы, работающие на пониженной частоте, массивны из-за большой площади сечения стальных сердечников, так как для создания необходимой ЭДС при пониженной частоте требуется больший магнитный поток. При некоторой только предельной для стали индукции его можно получить увеличивая площадь сечения сердечника трансформатора. Однако - система пониженной частоты 16 2/3 Гц обладает и достоинствами: индуктивное сопротивление тяговой сети (пропорциональное частоте) в 3 раза меньше, чем при частоте 50 Гц (соответственно потери напряжения в сети меньше и расстоя­ния между тяговыми подстанциями могут быть увеличены), электромагнитное влияние на линии связи из-за более низкой частоты незначительно. Так как электрическая энергия из трехфазной сети передается в однофазную через механическое звено (вал между двигателем и генератором), то снимаются все проблемы несимметрии токов и напряжений, в контактной сети не нужны нейтральные вставки. Страны, уже имеющие у себя сеть электрифицированных линий переменного тока пониженной частоты, продолжают электрификацию по этой же системе.