Системы тока и напряжение в контактной сети

Первой в мире в 1895 году была электрифицирована железная дорога Балти­мор – Огайо (США) протяженностью 115 км. На ней электрическая энергия постоянного тока передавалась на электровоз не по контактному проводу, который появился значительно позднее, а по третьему рельсу, расположенному между двумя ходовыми рельсами. Напряжение постоянного тока в третьем рельсе было такое же, как и на тяговых двигателях – 650 В. Двигатели были тихоходными, громоздкими, имели низкий коэффициент полезного действия.

Еще в середине прошлого века русский физик Д. А. Лачинов установил, что чем выше напряжение в электрической цепи, тем меньше потери энергии при передаче ее на расстояние. Поэтому стремятся иметь в контактной сети возможно более высокое напряжение, изыскивая экономичные способы преобразо­вания его до значения, подходящего для питания тяговых двигателей.

Дальнейшее развитие электрификации на постоянном токе шло по пути повышения напряжения в контактной сети. Во Фран­ции и Англии в 20-х годах ХХ столетия железные дороги электрифицировали на постоянном токе напряжением 1200 и 1500 В. Впоследствии на французских дорогах перешли в основ­ном на напряжение 3000 В. Однако такое напряжение не являет­ся оптимальным ни для тяговых двигателей, ни для системы электроснабжения. Для двигателей оно велико, так как приемле­мые масса, габаритные размеры и наименьшая стоимость полу­чаются при напряжении порядка 900 В. Для системы электро­снабжения напряжение 3000 В мало, так как при этом требуется располагать тяговые подстанции относительно часто – на рас­стоянии 20–25 км друг от друга. Тем не менее, это напряжение применяется на дорогах постоянного тока при питании тяговых двигателей непосредственно от контактной сети.

Указанные недостатки определили высокую стоимость системы электроснабжения на постоянном токе.

Между тем переменный ток в отличие от постоян­ного обладает следующим важным свойством: его напряжение можно изменять достаточно просто. Для этого необходим трансформа­тор, т. е. устройство, не имеющее подвижных частей и содержа­щее две обмотки – первичную и вторичную с заранее рассчитан­ными числами витков. На первичную обмотку подается имею­щееся напряжение, с вторичной обмотки снимается требуемое.

Возможность использования высокого напряжения в контакт­ной сети дорог переменного тока, что ведет к уменьшению потерь энергии в процессе передачи ее на электроподвижной состав, и последующего понижения его до значения, приемле­мого для тяговых двигателей, позволяет существенно снизить стоимость электрификации железных дорог. Однако при этом усложняется устройство электроподвижного состава (ЭПС), так как приходится иметь на нем регулируемый преобразователь переменного тока в постоянный, поскольку до сих пор не создан надежный и экономичный тяговый двигатель переменного тока.

Конструкция токоприемников и ЭПС в целом была очень громоздкой. Опыт эксплуатации выявил сущест­венные недостатки принятой системы тока, которые заключались в трудности регулирования частоты вращения асинхронных двигателей ЭПС, а в области электроснабжения – в обеспе­чении надежной работы трехфазной контактной сети, особенно на воздушных стрелках, представляющих собой изолированные пе­ресечения контактных проводов разных фаз. Поэтому, несмотря на простоту трехфазных трансформаторных тяговых подстанций и надежность работы бесколлекторных асинхронных двигателей на электровозах, система трехфазного тока для тяги распрост­ранения не получила. На дорогах Италии она заменена системой 3000 В постоянного тока.

Система тяги на однофазном токе с применением тяговых коллекторных двигателей на электрическом подвижном составе возникла в начале XX в. При этом в первое время применяли пониженную, а в дальнейшем промышленную (нормальную) частоту питающего тока. На ряде участков электрифицирован­ных железных дорог Франции, Турции и Конго эксплуатируются коллекторные двигатели переменного тока, работающие на частоте 50 Гц. Однако они являются более дорогими и менее надежными, чем двигатели постоянного тока, вследствие чего такие двигатели применяют преимущественно на пассажирском электроподвижном составе. Использование пониженной частоты было вызвано необ­ходимостью обеспечить удовлетворительную работу коллекторных двигателей.

Однако в этом случае требуется сооружение специальных электрических станций для питания ЭПС или дорогостоящих преобразовательных подстанций. В первом случае тяговые под­станции представляют собой простейшие трансформаторные уста­новки. По этому пути развивалась электрификация железных дорог в Германии, Австрии, Швейцарии и Норвегии, где железные дороги имеют собственные электрические станции, вырабатывающие электрическую энергию при частоте 16²/₃ Гц, и в США, где используется электроэнергия частоты 25 Гц. Питание электрических дорог от общих трехфазных систем через специаль­ные тяговые подстанции, преобразующие трехфазный ток нор­мальной частоты в однофазный ток пониженной частоты, приме­нено в Швеции.

Электрификация железных дорог СССР начиналась на посто­янном токе с напряжением в контактной сети 1,2 – 1,5 кВ на пригородных участках и 3 кВ на магистральных. В последние десятилетия развитие электрификации в основном осуществляет­ся на однофазном переменном токе с напряжением в контакт­ной сети 25 кВ, а теперь еще и по системе 2х25 кВ. Линии постоянного тока, работавшие при более низком напряжении, переведены на 3 кВ, за исключением узкоколейного участка от Боржоми до Бакуриани (42 км), где используются импорт­ные электровозы, рассчитанные на питание от сети напряжением 1,5 кВ.

В бывшем СССР осуществлялась комплексная электрификация, т. е. электрификация не только железных дорог, но и прилегающих районов. Поэтому сооружать специальные электрические станции или преобразовательные подстанции для получения тока понижен­ной частоты экономически нецелесообразно.

При тяге на однофазном токе промышленной частоты на сооружение устройств электроснабжения железных дорог тре­буются наименьшие капиталовложения по сравнению с другими системами тока, но возникают трудности с созданием простых и надежно работающих электровозов. Преодоление этих труднос­тей, заключающихся в большой сложности устройств преобразо­вания энергии на ЭПС для питания тяговых двигателей, шло по пути разработок электровозов однофазного тока со статическими преобразователями.

Технико-экономический анализ и опыт эксплуатации элек­тровозов однофазного тока различных типов показали, что наиболее экономичным и надежным является электровоз со статическими преобразователями переменного тока в постоянный (пульсирующий) для питания тяговых двигателей. Поэтому та­кую систему тяги называют также системой однофазно-постоян­ного (пульсирующего) тока, подчеркивая условия работы тяговых двигателей.

Статические ртутные преобразователи использовались на ЭПС примерно до середины ХХ столетия. Затем они усту­пили место силовым кремниевым полупроводниковым преобразо­вателям.

Термин полупроводники – исторически сложившаяся условность и никак не отражает свойств этих элементов. Дело в том, что долгое время материа­лы делили на две группы – проводники электрического тока и диэлектрики, т. е. непроводники, изоляторы. Сравнительно недавно (в первой половине ХХ столетия) было установлено, что такие элементы, как германий, кремний и т. п., обладают удивительным свойством – пропускают переменный ток в одном направлении и не пропускают его в направлении, противополож­ном (обратном) из-за ничтожной проводимости. Их-то и назвали полупровод­никами с тем, чтобы не менять уже сложившееся деление материалов на группы проводников и диэлектриков.

Установки, собранные из полупроводниковых элементов, часто называют из-за их односторонней проводимости выпрямительными, хотя в действитель­ности они никакого «выпрямления» переменного напряжения и тока не производят.

Полупроводники, обладая свойством односторонней проводимости, способство­вали бурному развитию преобразовательной техники, открыли совершенно новые возможности использования электрической энергии вообще и в системах электрической тяги в частности.

На базе второго поколения полупроводников – управляемых силовых кремниевых элементов, называемых тиристорами, были созданы импульсные системы управления режимами работы ЭПС. В таких системах электрическая энергия поступает к тяговым двигателям не непрерывно, а отдельными быстро сле­дующими друг за другом короткими порциями – импульсами, что существенно расширяет регулировочные возможности ЭПС.

Наиболее совершенные из этих систем построены на базе микропроцессорной техники, т. е. программно-управляющих уст­ройств, содержащих требуемый набор микрокоманд, которые определяют заданную последовательность выполнения элементар­ных операций. Эти устройства позволяют значительно повысить тягово-энергетические показатели ЭПС и электрической тяги в целом.

К 1 января 1988 г. электрифицированные железные дороги эксплуатировались в 52 государствах.

Электрификация железных дорог, являясь составной частью электрифи-

кации всего народного хозяйства, увеличивает пропуск­ную и провозную способность железнодорожных линий, улучшает топливно-энергетический баланс страны, повышает производительность труда и общую культуру работы железнодорожников. Особенно ярко достоинства электрической тяги проявляются при её реализации на большом протяжении.

В странах СНГ протяжен­ность железных дорог, электрифи­цированных по обеим системам то­ка, превышает 53 тыс. км. Уста­новлен номинальный уровень напря­жения на токоприемниках ЭПС: 3 кВ при постоянном и 25 кВ при переменном токе.

Основными параметрами системы электроснабжения электрифициро­ванных железных дорог являются мощности тяговых подстанций, рас­стояние между ними и площадь сечения контактной подвески. На­грузочная способность важнейших элементов электроснабжения (тран­сформаторов, выпрямителей, кон­тактной сети) зависит от допускае­мой температуры их нагрева, опре­деляемой значением и длитель­ностью протекающего тока.

Тяговые подстанции на электри­фицированных дорогах постоянного тока выполняют две основные функ­ции: понижают напряжение подво­димого трехфазного тока и преобра­зуют его в постоянный ток. Для этой цели используют трансформа­торы, выпрямители и другое обору­дование. Широко применяют полу­проводниковые выпрямители, кото­рые обладают высокой надежностью, простотой устройства, обслуживания и управления, компактностью. Все оборудование переменного тока раз­мещают на открытых площадках тяговых подстанций, а выпрями­тели и вспомогательные агрегаты – в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергию по питающим линиям подают в контакт­ную сеть. Относительно низкое на­пряжение (3 кВ) является основ­ным недостатком системы постоян­ного тока, вследствие чего по кон­тактной сети к электроподвижному составу подводится мощность (равна произведению напряжения на ток) с большим тяговым током. Для поддержания нужного уровня напря­жения на токоприемниках локомоти­вов тяговые подстанции размещают близко друг от друга (10–20 км), а для передачи больших токов при­ходится увеличивать площадь сече­ния проводов контактной подвески.

При росте грузооборота строят дополнительные тяговые подстанции, увеличивают площадь сечения кон­тактной сети (подвешивают усили­вающие провода и др.), чтобы повы­шение числа и массы поездов не вызывало резкого падения напря­жения и, следовательно, скоростей движения поездов. Радикальным способом устранения недостатков электроснабжения постоянного тока является создание системы регули­рования напряжения в контактной сети.

Увеличение мощности в контакт­ной сети за счет значительного повышения напряжения постоянного тока требует изготовления и эксплуа­тации тяговых двигателей, рассчи­танных на более высокое напряже­ние, что связано с большими трудностями (сильно усложняется изо­ляция электрического оборудования, возникает опасность пробоя ионизи­рованного слоя воздуха и др.).

Система однофазного тока напря­жением 25–28 кВ широко приме­няется для тяги поездов на желез­ных дорогах стран СНГ. Переменный ток дает возможность значительно повы­сить технико-экономические показа­тели электрической тяги благодаря тому, что по контактной сети пере­дается мощность при меньших токах по сравнению с системой постоян­ного тока, и обеспечивает движение тяжеловесных поездов с установлен­ными скоростями при высокой грузо­напряженности линий. Тяговые под­станции в этом случае размещают на расстоянии 40–60 км друг от друга. Они являются по существу трансформаторными подстанциями, понижающими напряжение с 110– 220 до 25 кВ. Поскольку на этих подстанциях переменный ток не пре­образуют в постоянный, то они не имеют выпрямительных агрегатов и связанного с ними вспомогательного оборудования. Их устройство и обслуживание значительно проще и де­шевле тяговых подстанций постоян­ного тока. Все оборудование таких подстанций размещают на открытых площадках, но электроподвижной состав переменного тока слож­нее.

Повышение напряжения позво­лило бы уменьшить потери напря­жения и электроэнергии и увеличить расстояние между тяговыми подстан­циями, однако, это свя­зано с большими затратами на уси­ление изоляции, замену электро­подвижного состава и др. Для улуч­шения показателей электрификации на переменном токе разработана система 2х25 кВ с промежуточ­ными автотрансформаторами, раз­мещаемыми на расстоянии 8–15 км друг от друга. От тяговых под­станций к автотрансформаторам электроэнергия напря­жением 50 кВ подводится по контактной под­веске и дополнительному питаю­щему проводу. Далее от автотрансформаторов к электроподвижному составу энергия подается с напря­жением 25 кВ.

Применение системы электро­снабжения 2х25 кВ не вызывает изменений в электроподвижном сос­таве, но ее недостатком является необходимость подвески специаль­ного питающего провода.

На участках переменного тока работают локомотивы со статичес­кими преобразователями и двигате­лями пульсирующего тока. Созданы опытные образцы мощных электро­возов с бесколлекторными двига­телями – асинхронными и вентиль­ными.

Важным преимуществом подвиж­ного состава переменного тока является возможность его совер­шенствования за счет применения тиристорных преобразователей, электронных систем управления и др.

Переменный ток оказывает элект­ромагнитное влияние на металличес­кие сооружения и коммуникации, расположенные вдоль железнодо­рожных путей. В результате на них наводится опасное напряже­ние, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому приме­няют особые меры защиты сооруже­ний, а воздушные линии связи заме­няют на кабельные или радиорелейные и реконструируют автомати­ку. На это расходуется около 20–25 % общей стоимости электри­фикации. Неотъемлемой частью устройств электроснабжения элект­рифицированных железных дорог яв­ляются средства автоматики и теле­механики.

Стыкование линий, электрифи­цированных на постоянном и пере­менном токе, осуществляют по кон­тактной сети на специально оборудованных железнодорожных стан­циях стыкования или используют электровозы двойного питания, ко­торые работают и на постоянном и на переменном токе.

Тяговые подстанции. В систему тягового электро­снабжения входят многочисленные и разнообразные установки – тяговые подстанции, посты секционирования, пункты параллель­ного соединения контактных сетей двух путей, установки для компенсации реактивной мощности при переменном токе, устрой­ства для повышения напряжения при постоянном токе и др. Наиболее сложными из них являются тяговые подстанции. В со­ответствии с родом тока, подаваемого в контактную сеть, разли­чают подстанции постоянного и переменного тока. Иногда в местах стыкования участков, электрифицированных на различных систе­мах тока, располагают подстанции постоянно-переменного тока – стыковые подстанции.

Тяговые подстанции подключают к ЛЭП системы внешнего электроснабжения, имеющим различное напряжение (от 6 до 220 кВ). Они могут быть опорными, промежуточными (транзит­ными и отпаечными) и тупиковыми. Иногда тя­говые подстанции совмещают с подстанциями внешней энергоси­стемы, в некоторых случаях – с дежурными пунктами контактной сети. Как правило, тяговые подстанции строят стационарными с открытыми и закрытыми распределительными устройствами (РУ), однако бывают и передвижные подстанции, которые можно перемещать с одного места работы на другое.

На первых тяговых подстанциях постоянного тока в Закав­казье и на Урале устанавливали вращающиеся преобразовате­ли переменного тока в постоянный (мотор-генераторы). Впослед­ствии их повсеместно вытеснили статические преобразователи – ртутные выпрямители. Бурное развитие полупроводниковой тех­ники не обошло и электрические железные дороги. Начиная с 1964 г. громоздкие и недостаточно надежные ртутные выпрями­тели начали заменять на полупроводниковые; последний ртутный выпрямитель был демонтирован в 1972 г.

Тяговые подстанции имеют довольно сложные электрические цепи. Главные из них рассмотрим применительно к тяговой под­станции переменного тока 25 кВ (опорной) и тяговой подстанции постоянного тока 3 кВ (транзитной). Стыковые тяговые под­станции отдельно рассматривать не будем, так как их электричес­кие цепи включают в себя цепи подстанций постоянного и пере­менного тока.