Системы электрификации железных дорог

В СССР существуют две системы электрификации железных дорог — постоянного токи напряжением 3 кВ и однофазного тока частотой 50 Гц и напряжением 25 кВ.

Общая протяженность электрифицированных линий к концу де­сятой пятилетки составит свыше 43 тыс. км. На постоянном токе будет электрифицировано свыше 25 тыс. км, а на переменном — около 18 тыс. км. Практически весь остальной полигон железных дорог (около 100 тыс. км) будет обслуживаться тепловозной тягой. Электрифицированный транспорт выполнил в 1979 г. около 53,6% всей грузовой работы.

Штриховыми линиями на рис. 1.7 показаны возможные электри­ческие связи с другими элементами энергосистемы. Схемы комму­тации подстанции, расстояние, между подстанциями, тяговая сети при различных системах электрической тяги неодинаковы

Система постоянном тока и СССР была первой систе­мой, по которой началась электрификация железных дорог. При этой системе энергия трехфазного тока поступает от электрических, сетей энергосистемы на тяговые подстанции напряжением 6; 10; 35: 110 пли 220 кВ, трансформируется, полупроводниковыми преобразователями выпрямляется и напряжение 3,3 кВ постоянно­го тока подается в тяговую сеть. На электровозах или моторных вагонах электропоездов при этой системе применяются коллектор­ные двигатели постоянного тока с последовательным возбужде­нием, включаемые на напряжение тяговой сети без промежуточно­го преобразования энергии (не менее, чем два двигателя последо­вательно).

Рассмотрим зависимость частоты вращения двигателя последо­вательного возбуждения от его тока (рис. 1.7). Эта зависимость име­ет гиперболический характер во всем диапазоне нагрузок двигателя до насыщения магнитной системы при больших токах. При такой зависимости для любой нагрузки двигателя произведение его тока на частоту вращения есть величина постоянная, т. е. . Частота вращения двигателя связана с его э. д. с. зависимостью

Рис. 1.7. Принципиальная схема элект­роснабжения электрической тяги: 1 — электростанция; 2 — электрическая сеть энергосистемы; 3 —тяговая подстан­ция. 4 — контактная сеть; 5 — электровоз или электропоезд; 6 — ходовые рельсы

Рис. 1.8. Скоростная характеристика двигатели с последовательным возбуждением

(здесь — по­стоянный коэффициент для дан­ного типа двигателя; — магнит­ный поток одного полюса). Это означает, что пропорционально и тогда из рис. 2 следует, что мощность, потребляемая двигате­лем .

Постоянство потребляемой мощности двигателями электро­возов в условиях резко переменного профиля пути и различных весов поездов является важней­шим преимуществом двигателей с последовательным возбуждением, определившим широкое их при­менение в электрической тяге.

Современный уровень техники в области электромашинострое­ния позволяет изготовлять тяго­вые двигатели для напряжения до 1500—1650 В, что дает воз­можность выполнять тяговую сеть этой системы напряжением 3— 3,3 кВ. Проводились исследова­ния по повышению напряжения в тяговой сети до 4—4,5 кВ при тех же двигателях и по созданию си­стемы постоянного тока 6 кВ. Однако широкого распростране­ния эти предложения не полу­чили.

Низкое напряжение в тяговой сети при этой системе ограничи­вает расстояния между тяговыми подстанциями до 20 км, а на особо грузонапряженных участках до 15—18 км. Площадь сечения проводов контактной сети в медном эквиваленте в связи с большой мощностью электровозов и низким напряжением в тяговой сети достигает 400—600 мм² на одни путь, а опоры контактной сети, па которых подвешиваются эти провода, получаются тяжелыми и дорогими.

Следует также отметить, что схема соединений двигателей элек­тровоза постоянного тока получается сложной, так как в процессе пуска двигатели необходимо переключать с последовательного на последовательно-параллельное соединение и вводить пусковые ре­зисторы, в которых непроизводительно расходуется электрическая энергия. Этот недостаток особенно ощутим на электропоездах при­городного сообщения, где потерн, связанные с пуском поездов составляют до 12—15% общего расхода энергии на тягу поездов.

При питании тяговых подстанций от электрических сетей 110 кВ напряжение с помощью промежуточных трансформаторов пони­жается до 10 кВ. Затем энергия переменного тока с помощью пре­образовательных агрегатов (преобразовательный трансформатор и полупроводниковый выпрямитель) трансформируется и преобра­зуется в энергию выпрямленного тока п на напряжении 3,3 кВ постоянного тока подастся в тяговую сеть.

Низкое напряжение, в тяговой сети этой системы и непрерывно возрастающие мощности электровозов приводят к повышенным потерям энергии и напряжения в тяговой сети, снижению пропуск­ной и провозной способности дороги и определяют необходимость поиска рациональных способов усиления существующей пли разра­ботки новых систем постоянного тока. Работы в атом направлении продолжаются.

Система однофазного тока п р о м ы ш л е н н о й ч а с тоты получила широкое распространение во всем мире после вто­рой мировой войны. По этой системе электрифицировано около 25% общей протяженности электрических железных дорог мира.

В СССР эту систему применяют с напряжением 25 кВ в тяговой сети. В некоторых странах имеются дороги, электрифицированные но этой схеме напряжением 20; 16; 6,25 кВ. Переход в тяговой сети па переменный ток напряжением 25 кВ вместо постоянного тока напряжением 3 кВ означает, что при одной и той же переда­ваемой па электровозы активной мощности и увеличенном в два раза расстоянии между подстанциями тяговый ток и падение напряжения в контактной сети снижаются в 3,3 раза, а потери энер­гии — в 11 раз.

В большинстве стран в качестве тяговых единиц используют электровозы с двигателями постоянного тока с последовательным возбуждением.

Для питания этих двигателей па электровозах устанавливают преобразовательные агрегаты, состоящие из понижающих транс­форматоров и однофазных статических полупроводниковых преоб­разователей.

Тяговые подстанции при этой системе превращаются в простые трансформаторные понижающие подстанции, контактная есть — в линию электропередачи повышенного напряжения (напоминаю­щую собой линию передачи 110 или 220 кВ городской подстанции глубокого ввода), а сам электровоз — в такую подстанцию глубо­кого ввода (см. гл. III).

Преобразовательный агрегат перемешают с подстанции на элек­тровоз, что, с одной стороны, усложняет электровоз, а с другой стороны, позволяет исключить пусковые резисторы и коммутацион­ную аппаратуру для переключения двигателей при пуске Двигатели включаются параллельно друг другу. Пуск электровоза обеспечи­вается регулированием на трансформаторе напряжения, подаваемого на двигатели, без пусковых резисторов. Контактная сеть и опоры оказываются легкими. Па тяговых подстанциях устанавливают, как правило, трехобмоточные трансформаторы. Одна из вто­ричных обмоток таких трансформаторов выполняется напряжением 27,5 кВ и предназначена для питания тяговых нагрузок, а вторая — напряжением 35; 10 или 6 кВ и предназначена для питания район­ных нетяговых потребителей.

Следовательно, при этой системе электрификация железной дороги удобно совмещается с электрификацией прилегающих к же­лезной дороге районов.

Накопленный опыт эксплуатации дорог переменного тока про­мышленной частоты подтвердил технико-экономические преимуще­ства этой системы электрификации по сравнению с системой по­стоянного тока 3 кВ.

Система однофазного тока промышленной час­тоты 2х25 кВ является вариантом усиления обычной двухпро­водной системы однофазного тока 25 кВ, в которой дополнительно к контактной подвеске 25 кВ на опорах контактной сети проклады­вают питающий провод 50 кВ. Питание такой трехпроводной си­стемы (ходовые рельсы, контактная подвеска, питающий провод) может осуществляться на тяговых подстанциях от трехфазных трансформаторов, собранных по каскадной схеме, либо от однофаз­ных трансформаторов со вторичным напряжением 50 кВ. При этой системе используют те же электровозы, которые применяют при обычной системе однофазного тока 25 кВ.

Контрольные вопросы

1. Общие сведения о системах тягового электроснабжения, этапы их развития.

2. Чему равно номинальное напряжение контактной сети переменном токе?

3. Чему равно номинальное напряжение контактной сети постоянном токе?

4. Год, в котором началось электрификация железных дорог в Казахстане.

5. Первый электрифицированный участок в Казахстане.

6. Общая длина электрифицированных дорог Казахстана.

7. Какой документ является основным, регламентирующим работу ж.д.?

8. Значение железнодорожного транспорта и основные показатели его работы.

9. Какое место занимает железнодорожный транспорт в транспортной системе страны?

10. В чем заключается преимущество железных дорог перед другими видами транспорта?

Литература

1.Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Марквард К.Г. М.Транспорт.1986 г.

2. Электроснабжение электрифицированных дорог. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. М.Транспорт.1989 г.

3. Автоматизированные системы управления устройствами электроснабжения железных дорог. Почаевец В.С. М.Маршрут, 2006 г.

4. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2012.

5. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2013.

Дата добавления: 2015-05-26