2.2.3. Система однофазного переменного тока промышленной частоты (50 Гц)

Мировой опыт применения различных систем электрической тя­ги постоянного и переменного тока свидетельствует о преимущественном использовании системы переменного тока про­мышленной частоты 50 Гц. Подтверждает это и мно­голетний опыт эксплуатации электрифицированных железных до­рог России.

Капитальные затраты на электрификацию железнодорожных линий при переменном токе ниже на 15–18 %, чем при постоянном. А число тяговых подстанций меньше в 2–3 раза. Тяговые подстанции существенно проще, в результате чего значительно ниже расходы на их техническое обслуживание. Легче контактная подвеска – эко­номия меди составляет более 2 т на 1 км. Полностью снимается проб­лема износа контактных проводов и их периодической замены, ис­ключается электрокоррозия опор контактной сети и подземных со­оружений [2].

Опыт ОАО «РЖД» показывает, что электрифицированные участки пере­менного тока имеют более высокую энергетическую эффективность, меньшие на 5–6 % суммарные потери энергии на тягу; на них прак­тически не ограничивается весовая норма поездов. При равных объе­мах работы на участках переменного тока требуется на 15–20 % мень­ше локомотивов и локомотивных бригад. В результате себестоимость перевозок на участках пере­менного тока почти на 20 % меньше, чем при электротяге постоянно­го тока [8].

Система переменного тока обеспечивает большие преимущества в поэтапном наращивании энергетических возможностей электричес­кой тяги, а при необходимости и в их понижении, например, при спа­де объемов перевозок. Существующие варианты системы снабжения переменного тока напряжением 25 кВ и 2×25 кВ, много­проводные, с экранирующими и усиливающими проводами (ЭУП) и другие хорошо вписываются в идеологию «категорирования» линий по объемам перевозок (рис. 2.5).

Для каждой из названных систем тягового электроснабжения су­щест­вует своя «ниша» по объему перевозок (на рис. 2.5 они заштрихо­ваны), в которой перевозочный процесс реализуется с оптимальной энергетической эффективностью. Границы этих «ниш» зависят от многих факторов и прежде всего от стоимостных, но для каждого кон­кретного участка эти границы вполне определенны [8].

Рис. 2.5. Зоны применения различных систем тягового электроснабже­ния по условиям оптимальной энергетической эффективности: T – критический грузооборот, при котором нецелесообразен перевод соответственно с теп­ловозной тяги на электрическую и с постоянного тока на переменный; S – среднегодовое по­требление электроэнергии на 1 км электрифицированной линии [8]

Исходя из очевидных преимуществ электрической тяги перемен­ного тока, не случайно в ряде стран начали переводить отдельные «старые» участки с постоянного тока на переменный (Франция, Ин­дия и др.). Пример подала Россия, где впервые в мировой практике в 1996 г. был осуществлен такой перевод протяженного магистраль­ного участка Транссибирской магистрали Зима–Слюдянка (длина 386 км), работающего в условиях высокой грузонапряженности. Уни­кальная технология перевода этого участка на переменный ток до­стойна внимания специалистов.

Протяженность дорог переменного тока в России составляет около 24,4 тыс. км, это 59 % электрифицированных дорог.

Система однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ

На ЭПС переменного тока 25 кВ устанавливаются понижающие транс­форматоры с регулируемым напряжением. Кроме того, для решения проблем коммутации ТЭД прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный, точнее пульсирующий, имеющий значительную постоянную составляющую. С этой целью на ЭПС устанавливают выпрямитель. Ранее, начиная с опытного образца 1940-х гг. и вплоть до начала 1970-х гг., эти выпрямители строились на ртутных преобразователях, а позже на полупроводниковых диодах. В настоящее время на ЭПС устанавливают управляемые выпрямители – статические электрические аппараты, обладающие обратимостью действия – в режиме тяги, работающие как выпрямитель, а при рекуперации как аппарат, преобразовывающий энергию постоянного тока, вырабатываемую ТЭД в генераторном режиме, в энергию переменного тока.

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники в последние годы за рубежом появились электровозы переменного тока 25 кВ с преобразователями энергии переменного тока 25 кВ промышленной частоты в энергию переменного тока регулируемой частоты с напряжением, необходимым для непосредственного питания тяговых двигателей. При этом становится возможным использование самого надежного на сегодняшний день двигателя – асинхронного.

По этой системе электрической тяги электрифицируются участки в России, Японии, Франции. Протяженность Дальневосточной железной дороги, электрифицированной на переменном токе 25 кВ, составляет 1720 км.

Схема электроснабжения электрифицированной железной дороги на переменном токе представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения переменного тока напряжением 25 кВ: А, В, С – фазы питающей ЛЭП; ВН – обмотка высокого напряжения; НН – обмотка низкого напряжения для питания районных потребителей; СН – обмотка среднего напряжения для питания тяговой нагрузки; ЭПС – электроподвижной состав

Схема соединения обмоток тяговых трансформаторов обычно «звезда – треугольник» (рис. 2.6). Тяговые однофазные нагрузки получают от обмотки СН трансформатора. Вывод «с» трансформатора подключен в рельсовую цепь, а выводы «а» и «b» – к правому или к левому плечу контактной сети. Поэтому контактная сеть справа и слева от подстанции питается от разных фаз. Во избежание короткого замыкания между ними монтируется нейтральная вставка (рис. 2.6).

Между контактной сетью и рельсами напряжение составляет 25 кВ, а на питающих шинах – 27,5 кВ. Расстояние между подстанциями в среднем 40–60 км.

Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 25 кВ с первичным напряжением 110(220) кВ и РУ 10(35) кВ для питания районных потребителей изображена на рис. 2.7 [9].

Рис. 2.7. Структурная схема системы тягового электроснабжения переменного тока напряжением 25 кВ

Рассмотрим структурную схему тяговой подстанции переменного тока. Основные функциональные узлы подстанции (рис. 2.7): РУ 110(220) кВ; понижающие трехобмоточные трансформаторы; РУ 10 кВ; РУ 27,5 кВ. Для электроснабжения потребителей, расположенных вдоль железных дорог, применяется система ДПР (два провода-рельс), питающаяся от шин РУ 27,5 кВ. От РУ 10 кВ получают питание районные или нетяговые потребители.

Преимущества и недостатки системы тяги переменного тока напряжением 25 кВ.

К достоинствам системы электрической тяги следует отнести:

1) сокращение использования меди на сооружение контактной сети примерно в 2–3 раза по сравнению с системой тяги постоянного тока, сечение в среднем составляет 120–130 мм²;

2) уменьшение потерь напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения (доля потерь составляет до 5 % от номинального уровня);

3) отсутствие электрокоррозии на подземных коммуникациях, что освобождает от применения мер по их защите;

4) простоту подстанции (ТП) по наличию силового электрооборудования, по сравнению с ТП на постоянном токе;

5) расстояние между тяговыми подстанциями в среднем 40–60 км.

Недостатки системы переменного тока 25 кВ промышленной частоты:

1) сильное электромагнитное влияние тяговой сети переменного тока на все низковольтные линии и металлические коммуникации, расположенные вблизи железных дорог;

2) низкий коэффициент мощности, определяемый большим реактивным электропотреблением;

3) искажение форм кривых тока и напряжения, обусловленное применением преобразователей на электроподвижном составе, приводящее к дополнительным потерям и вызывающее помехи в линиях связи, расположенных вблизи железных дорог;

4) несимметричное потребление энергии от отдельных фаз питающей системы;

5) низкая степень использования трансформаторов тяговых подстанций (всего на 68 % от их номинальных значений);

6) более низкие показатели надежности электроподвижного состава на переменном токе, чем на постоянном токе, это связано с дополнительной установкой силового оборудования (трансформатор, выпрямитель для двигателя постоянного тока) внутри локомотива.

Система тяги переменного тока напряжением 2×25 кВ.

Увеличение скорости сопровождается резким увеличением мощности, необходимой для тяги поездов. Кроме того, мощности на тягу возрастают и по причине тенденции к увеличению весов поездов. В этом случае рассмотренные выше системы не могут обеспечить требуемой нагрузочной мощности, поэтому встает вопрос о поисках путей решения этой проблемы. Одним из таких направлений является система напряжением 2×25 кВ. Прототипом этой системы следует считать автотрансформаторную систему 11/44 кВ, которая стала использоваться в США с 1913 г. Ее отличие от описываемой заключается в другом соотношении напряжений между отдельными элементами тяговой сети. В системе 11/44 кВ напряжение в контактной сети 11 кВ, а между питающим проводом и контактной сетью – 44 кВ, в то время как у анализируемой системы соответствующие напряжения равны 25 и 50 кВ. Известно, что потери электроэнергии уменьшаются при увеличении уровня напряжения в ЛЭП в квадратичной зависимости [3].

Если одну и ту же мощность передавать, например, при вдвое большем напряжении, то потери электроэнергии уменьшатся в четыре раза. Поднять напряжение в контактной сети не позволяет действующий электроподвижной состав, рассчитанный на номинальное напряжение, равное 25 кВ. Однако если с полевой стороны опор контактной сети подвесить однофазную ЛЭП с номинальным напряжением, например 55 кВ, то можно посредством автотрансформаторов отбирать через определенные расстояния электроэнергию из этой линии и передавать ее в контактную сеть, преобразуя в энергию с уровнем напряжения 50 кВ в электроэнергию с уровнем напряжения в контактной сети 25 кВ. Более того, схема может быть упрощена посредством использования в качестве второго провода такой ЛЭП контактной подвески и заменой трансформаторов автотрансформаторами. Принцип действия такой системы тяги можно проанализировать по схеме (рис. 2.8).

На схеме приведен однопутный участок электрифицированной железной дороги с тремя ТП, расстояние между которыми достигает 100–125 км. На каждой ТП установлено по два силовых трансформатора. Дополнительно система 2×25 кВ включает в себя автотрансформаторы, устанавливаемые на расстоянии 7–25 км, а также питающий провод напряжением 25 кВ.

Система 2×25 кВ широко применяется в Японии и Франции, имеющих электрифицированные линии 25 кВ. В России эта система применена на Московской, Красноярской, Горьковской, Восточно-Сибирской дорогах, а также в Белоруссии.

Питание КП осуществляется с помощью тяговых трансформаторов, установленных на тяговых подстанциях ТП, имеющих первичные обмотки, две одинаковые вторичные обмотки с номинальным напряжением 25 кВ. Эти обмотки соединяют последовательно, а их общая точка подключается к рельсам Р. Вывод одной вторичной обмотки подключается к проводам контактной сети КП, а другой обмотки – к питающему (дополнительному) проводу П, который подвешивается на опорах контактной сети. Таким образом, шины контактной сети и питающего провода находятся под напряжением 25 кВ по отношению к земле, а между ними напряжение равно 50 кВ.

Рис. 2.8. Схема участка железной дороги, электрифицированной по системе переменного тока 2×25 кВ: А, B, С – фазы питающей ЛЭП; КП – подвеска контактной сети; Р – рельс; П – питающий провод; АТ – автотрансформатор; ТП –тяговая подстанция

Автотрансформаторы имеют коэффициент трансформации, близкий к двум. Выводы подключают к проводам контактной сети и питающему проводу. Средняя точка автотрансформаторов присоединяется к рельсам.

В автотрансформаторной системе энергия к электровозам подается по цепи: от ТП по проводам контактной сети КП и питающему проводу П к автотрансформаторам АТ при номинальном напряжении 50 кВ. Автотранс­форматоры понижают это напряжение до 25 кВ и подают его в КП, от которой питаются электровозы. Таким образом, при движении поезда по участку автотрансформаторы по очереди принимают нагрузку электровоза, но ток его без трансформации течет по тяговой сети только до ближайших автотрансформаторов. На большем расстоянии (от подстанции до автотрансформаторов) ток в тяговой сети вдвое меньше, в результате чего уменьшаются потери напряжения и энергии во всей системе электроснабжения.

Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 2×25 кВ.

Тяговая подстанция является составной частью системы тягового электроснабжения переменного тока 2×25 кВ, с помощью которой реализуется система тяги 25 кВ. Поэтому, кроме самой схемы тяговой подстанции (рис. 2.9), рассмотрены и особенности ее присоединения к тяговой сети (рис. 2.10).

Рис. 2.9. Структурная схема тяговой подстанции системы переменного тока напряжением 2×25 кВ

Подстанции системы переменного тока 2×25 кВ также получают питание от ЛЭП 110(220)кв.

Основные функциональные узлы тяговой подстанции (рис. 2.9): РУ 110 (220) кВ; понижающие однофазные трансформаторы; ОРУ 2×27.5 кВ; районные трансформаторы; РУ 10(35) кВ для питания нетяговых и районных потребителей железной дороги и сторонних потребителей.

Снабжение электрической энергией нетяговых железнодорожных потребителей осуществляется от линий ДПР, напряжение на которые подается через фидеры ДПР, и рельсов, т. е. так же, как и при системе переменного тока напряжением 25кВ.

По вводам трехфазное напряжение 110(220) кВ подается в ОРУ 110(220) кВ. Двухфазными присоединениями к этому РУ подключены одинаковые по конструкции однофазные трансформаторы. Их первичные обмотки включены на междуфазное напряжение. Вторичная обмотка каждого трансформатора состоит из двух секций, напряжение каждой из них 27,5 кВ, при последовательном соединении между выводами а1-х2 напряжение составляет 55 кВ (см. рис. 2.5). При таком соединении секций три вывода на вторичной стороне присоединяют к тяговой сети следующим образом: средний вывод а2-х1 – к рельсовой цепи, крайний вывод а1 – к контактным подвескам путей, вывод х2 – к специальному питающему проводу, подвешенному на опорах контактной сети вдоль железно­дорож­ных путей. Напряжение в тяговой сети между контактным проводом и рельсами составляет 25 кВ, напряжение между контактным проводом и питающим проводом (фидером) – 50 кВ [1].

Рис. 2.10. Схема питания тяговой сети напряжением 2×25 кВ

Преимущества и недостатки системы тяги переменного тока напряжением 2×25 кВ.

Достоинствами существующей системы электроснабжения 2×25 кВ по сравнению с системой переменного тока 25 кВ являются:

1) применение стандартного типа ЭПС и обычного силового электрооборудования на тяговой подстанции;

2) увеличенное расстояние между подстанциями в 1,5–2,2 раза;

3) снижение суммарных потерь энергии в 1,7 – 1,9 раза при одних и тех же расстояниях между подстанциями системы 25 кВ;

4) относительно небольшое сечение контактной подвески 250 мм² (вместе с питающим проводом);

5) пониженное электромагнитное влияние на линии, находящиеся вблизи железных дорог.

К недостаткам этой системы можно отнести:

1) усложнение эксплуатации системы тягового электроснабжения из-за дополнительных элементов системы тягового электроснабжения;

2) значительное удорожание системы электроснабжения при наличии автотрансформаторов.

Система однофазного переменного тока с экранирующим и усиливающим проводами (ЭУП).

Система электроснабжения на переменном токе характеризуется проявлением значительной индуктивности воздушных линий, в том числе и тяговой сети. Это приводит к заметным потерям напряжения и потерям электрической энергии от подстанций до электроподвижного состава. Уровень напряжения снижается и в ряде случаев не обеспечивает соблюдение требований нормативных документов, регламентирующих уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава дорог переменного тока не менее 21 кВ. Этому показателю уделяется большое внимание, поскольку уровень напряжения определяет пропускную способность электрических железных дорог.

Основная идея рассматриваемой системы заключается в том, чтобы часть возвращаемого от ЭПС к подстанции тока пропускать по дополнительному экранирующему проводу. Тем самым уменьшается величина блуждающих токов (токи, протекающие в земле), так как увеличивается суммарное сечение обратного проводника (рельсы, экранирующий провод). Экранирующий провод располагают как можно ближе к подвеске контактной сети, для чего используют усиливающий провод, который имеет одинаковый потенциал с подвеской контактной сети (рис. 2.11).

Экранирующий и усиливающий провода расположены на минимально допустимом расстоянии 1 м. Это способствует уменьшению индуктивного сопротивления, поскольку магнитное поле контактной подвески максимально компенсируется магнитным полем экранирующего провода, ток в котором протекает в противоположном направлении. Схема системы тяги с экранирующим усиливающим проводом приведена на рис. 2.12. Вторым преимуществом этой системы является малое электромагнитное влияние на смежные электрические линии.

Особенности системы ЭУП. Расстояние между подстанциями составляет 70–80 км. На опоре контактной сети дополнительно размещаются с полевой стороны два провода: экранирующий (ЭП) и усиливающий (УП). УП подключен к фидеру тяговой подстанции и соединяется с контактной подвеской параллельно через каждые 200–250 м. ЭП подключен к контуру заземления тяговой подстанции и соединяется с рельсами через каждые два изолированных стыка (ИС) на третьем (рельсовые цепи сигнализации отделены друг от друга изолирующими стыками) [3].

Рис. 2.11. Система тягового электроснабжения с экранирующим и усиливающим проводами

Р азработанная в РГУПСе (РИИЖТе) совместно с Северо-Кавказской желез­ной дорогой в 1975 г. эта система в даль­нейшем была усовершенствована сотрудниками ВНИИЖТа, МИИТа, Транс­­электропроекта. В 1990 г. было оборудовано системой ЭУП 560 км на Северо-Кав­казской и Горьковской железных дорогах. Опыт эксплуатации подтверждает достоинства системы. Осо­­бенно велика эффективность системы ЭУП для высокоскоростных магистралей. С начала 90-х гг. ХХ в. такая система стала использоваться за рубежом (Германия, Испания). Особенно интенсивно она внедряется в Германии на линиях Ганновер–Вюрц­бург и Мангейм–Штутгарт с высокоскоростными экспрессами IСЕ.

В 2003 г. по системе ЭУП электрифицировано более 200 км Дальневосточной железной дороги.

Система (ЭУП) для железных дорог России выгодна не только применительно к скоростным пассажирским магистралям (Санкт-Петербург–Москва и др.), но и как энергосберегающая – на железных дорогах с грузовым движением.

Преимущества и недостатки системы однофазного переменного тока с экранирующим и усиливающим проводами.

Достоинства рассматриваемой системы:

1) значительное снижение (в два раза) потерь напряжения и электроэнергии по сравнению с системой переменного тока 25 кВ (энергосберегающая система электрической тяги);

2) уменьшение влияния на смежные электрические цепи, металлические сооружения, находящиеся в близи железных дорог;

3) возможность внедрения системы ЭУП как на новых участках, так и для усиления ранее электрифицированных участков переменного тока;

4) все преимущества системы переменного тока 25 кВ.

Недостатки системы однофазного переменного тока с экранирующим и усиливающим проводами:

1) усложняется эксплуатация подвески контактной сети из-за подвешивания двух дополнительных проводов;

2) увеличено сечение проводов контактной подвески, вместе с экранирующим проводом оно в среднем составляет 370 мм².

Система тяги переменного тока 50 кВ. Одной из разновидностей системы тяги переменного тока является система тяги промышленной частоты 50 Гц с напряжением в контактной сети 50 кВ. В этом случае принципиальная схема системы тяги такая же, как и в случае системы тяги 50 Гц 25 кВ. Однако отличительным признаком такой системы является специальный электроподвижной состав, имеющий номинальное напряжение 50 кВ. Поскольку при прочих равных условиях энергия к ЭПС передается вдвое большим напряжением, то потери электроэнергии и напряжения в такой системе заметно ниже, чем в системе электрической тяги 50 Гц 25 кВ. Такие системы эксплуатируются на рудовозных направлениях в США и ЮАР.