2.2. Системы электрической тяги
электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, которая передается на большие расстояния по проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.
Для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Но в этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Устройство контактной сети при этом оказалось очень сложным, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода при высоком напряжении нужно располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии. Но в дальнейшем широкого распространения она так и не получила.
2.2.1. Система постоянного тока
Требованиям, связанным с условиями тяги электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритах развивают необходимую мощность. Поэтому в СССР, как и во многих других странах, долгое время осуществлялась электрификация железных дорог по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. В настоящее время в России и СНГ все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. На постоянном токе, но более низкого напряжения, работают также трамвай, троллейбус и метрополитен.
Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называются электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, где они работают, – электрифицированными железными дорогами постоянного тока или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока (рис. 2.2).
Существуют разные модификации систем тяги постоянного тока, различающихся в основном уровнем подводимого к ЭПС напряжения – от 750 до 3000 В. На рис. 2.2 приведена принципиальная схема наиболее распространенной системы тяги постоянного тока.
Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока 3 кВ с первичным напряжением 110(220) кВ и РУ 35 кВ для питания районных потребителей. Основные функциональные узлы тяговой подстанции (рис. 2.2): РУ110(220) кВ; понижающий трансформатор; РУ 35 кВ; РУ 10 кВ; преобразовательный трансформатор; выпрямители; РУ 3,3 кВ. Через вводы трехфазное напряжение 110(220) кВ, передаваемое по трем проводам, подается в РУ110(220) кВ, откуда по присоединениям – к понижающим трансформаторам. Эти трансформаторы трехобмоточные и поэтому они обмотками ВН и НН понижают первичное напряжение до 10 кВ, а обмотками ВН и СН – до 35 кВ. Напряжение 10 кВ поступает в РУ 10 кВ, а напряжение 35 кВ – в РУ 35 кВ. От РУ 35 кВ питаются трансформаторные подстанции района, от РУ 10 кВ – нетяговые железнодорожные потребители по воздушной линии, которая обычно размещается с полевой стороны на опорах контактной сети.
Рис. 2.2. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения 3 кВ
От того же РУ 10 кВ получают трехфазное напряжение преобразовательные трансформаторы. Они понижают напряжение до 2,63 кВ. Это напряжение подается на выпрямители, которые преобразуют его в напряжение постоянного тока 3,3 кВ. Поэтому от выпрямителей в РУ 3,3 кВ идут уже всего два провода (две шины).
Через РУ 3,3 кВ и питающую линию (фидер) контактной сети потенциал шины (+) подается на участок контактной сети, а обратный фидер (отсос) с потенциалом (–) – на рельсы.
Особенности системы электротяги. Между любым участком контактной сети и рельсами разность потенциалов (напряжение) составляет 3 кВ. На шинах питающего контактную сеть РУ напряжение на 10 % должно быть выше, чем в контактной сети, т. е. 3,3 кВ. это связано с потерями напряжения до электроподвижного состава. Расстояние между тяговыми подстанциями составляет 15–20 км. На участках электрифицированных железных дорог с большими нагрузками расстояние между ТП составляет не более 5–7 км.
Преимущества и недостатки системы тяги постоянного тока 3 кВ.
Достоинствами системы тяги постоянного тока являются:
1) слабое электромагнитное влияние на смежные устройства электрических железных дорог;
2) отсутствие реактивных потоков по тяговым сетям и, вследствие этого, исключение необходимости использования средств компенсации реактивной мощности;
3) простота и надежность электроподвижного состава из-за отсутствия понижающих трансформаторов и выпрямительных установок;
4) равномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы, питающая тяговую подстанцию.
К основным недостаткам следует отнести:
1) низкий уровень напряжения в тяговой сети и малые расстояния между тяговыми подстанциями (в среднем 15 км);
2) значительное гальваническое влияние на подземные коммуникации (оболочки кабелей, трубопроводы и др.), устройства пути (крепежные элементы), и арматуру контактной сети, что приводит к их коррозии;
3) относительно большое сечение подвески контактной сети (500–600 мм2), требующее большого расхода цветного металла (5–6 тонн на 1 км);
4) потери напряжения, которые в среднем составляют до 15 % от номинального уровня напряжения;
5) сложность тяговых подстанций;
6) наличие пусковых реостатов на электроподвижном составе, приводящее к значительным потерям при пуске. Это особенно проявляется на ЭПС пригородного сообщения с частыми остановками.