СИСТЕМЫ ПЕРВИЧНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ. НЕТЯГОВЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ
- Схема электроснабжения электрифицированных дорог
Электровозы и моторные вагоны электрифицированных железных дорог не являются автономными локомотивами. Они, находясь на линии, потребляют электроэнергию от энергосистемы общего пользования.
Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанции 1 (рис. 1), поступает на повышающую трансформаторную подстанцию 2 и далее по воздушным линиям электропередачи (ВЛ) высокого напряжения 3 передается на тяговые подстанции 4, расположенные вдоль железной дороги. На тяговых подстанциях трехфазный переменный ток преобразуется в ток соответствующего рода и напряжения для питания устройств электрической тяги и районных потребителей. Питание электрических локомотивов 9 осуществляется от контактной сети 7 через токоприемники. Рельсовая цепь 8 является вторым проводом тяговой сети.
Электрические станции, подстанции и ВЛ до тяговых подстанций называют первичной, или внешней частью системы электроснабжения. Тяговая подстанция, контактная и рельсовая сеть, а также питающие 5 и отсасывающие 6 линии образуют тяговую часть этой системы. На электрических станциях вырабатывается трехфазный переменный ток частотой 50 Гц и напряжением 6,3; 10,5; 21 кВ. Электроэнергия поступает на расположенную рядом трансформаторную подстанцию, где напряжение повышается до 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ, при этом значении напряжения электроэнергия передается на большие расстояния.
Передача электроэнергии на большие расстояния более экономична при высоком напряжении. Принято считать, что экономически выгодно передавать 1 кВ на 1 км (например, 35 кВ выгодно передавать на 35 км, но не более 50 км). С повышением напряжения ток уменьшается, и от него зависит площадь сечения проводов, следовательно, затраты металла на них и стоимость линии. С уменьшением тока снижаются также потери энергии в электрических сетях.
Рис. 1. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги:
1 — внешнее электроснабжение; 2 — тяговое электроснабжение
Уровень напряжения определяет изоляцию ВЛ. Экономически выгодное напряжение для передачи в каждом отдельном случае находят выполняя соответствующий технико-экономический расчет.
Для бесперебойного электроснабжения потребителей, лучшего использования установленного электрооборудования на электростанциях и подстанциях и лучшего качества энергии электрические станции и подстанции одного района соединяют линиями передачи и таким образом создают энергетическую систему. Все электрифицированные дороги СССР питаются от энергосистем.
На железных дорогах СССР применяют две системы электрической тяги:
Показателями качества электроэнергии являются в сетях переменного тока отклонения и колебания частоты и напряжения, несимметрия напряжения, несинусоидальность формы его кривой, а в сетях постоянного тока — отклонение и колебание напряжения и коэффициент пульсации напряжения.
постоянного тока с номинальным напряжением в тяговой сети 3 кВ;
однофазного переменного тока 50 Гц с номинальным напряжением 25 кВ.
На зарубежных дорогах, помимо этого, применяют систему переменного тока пониженной частоты 16-2/3 и 25 Гц.
В качестве преобразователей переменного тока в постоянный на подстанциях дорог постоянного тока используют экономичные и надежные в эксплуатации полупроводниковые преобразователи. На подстанциях дорог переменного тока 50 Гц преобразователями являются трансформаторы промышленного или специального типа.
Тяговые подстанции используют также для питания промышленных, сельскохозяйственных и нетяговых железнодорожных нагрузок. Для этого на подстанциях устанавливают дополнительные трансформаторы. Тяговые подстанции расположены вдоль железной дороги через 15—20 км на дорогах постоянного тока и через 40—60 км на дорогах переменного тока.
Контактная сеть служит для подведения электроэнергии к электроподвижному составу (э. п. с.) и может быть выполнена в виде воздушной подвески или дополнительного контактного рельса (на метрополитенах). Контактная и рельсовая сети соединены воздушными или кабельными линиями с шинами тяговой подстанции.
Питание подстанций осуществляется по двум ВЛ, каждая из которых рассчитана на полную мощность тяговых подстанций. Основное оборудование тяговых подстанций (выпрямительные агрегаты, трансформаторы, выключатели) резервируется. Помимо этого, предусматривают передвижные тяговые подстанции, которые могут заменить стационарные при их отключении или выходе из строя.
Надежность контактной сети обеспечивается повышенным запасом прочности ее элементов и секционированием, т. е. разделением контактной сети на секции, изолированные друг от друга и нормально соединяемые с помощью разъединителей или выключателей. Питание секций осуществляется от тяговых подстанций по самостоятельным питающим линиям (фидерам).
Все потребители электроэнергии Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) разделены на три категории. К 1-й категории относятся наиболее ответственные потребители, ие терпящие прекращения подачи электроэнергии. Питание таких потребителей осуществляется от двух и более источников, резервное питание включается автоматически. Для потребителей 2-й категории (также ответственных) допускаются перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения питания дежурным персоналом. К 3-й категории относят все остальные потребители. Для них допускается перерыв в электроснабжении на время, необходимое для ликвидации повреждения, сроком до одних суток. В соответствии с категорией потребителя принимают схемы внешнего электроснабжения и первичной коммутации установок. Электрифицированные железные дороги относят к потребителям 1-й категории.
В последние годы разработаны новые системы электроснабжения. С увеличением объема перевозок, повышения скоростей движения и массы поездов все в большей степени выявляются недостатки систем постоянного 3 кВ и переменного тока 25 кВ, ограничивающих провозную способность и экономичность линий.
Это вызывает необходимость усиления систем. К недостаткам системы постоянного тока относятся сравнительно низкое напряжение (3 кВ), большая площадь сечения проводов контактной сети (400—600 мм2), большие потери напряжения и энергии в тяговой сети, малое расстояние между тяговыми подстанциями (15—20 км), наличие блуждающих токов, вызывающих электрокоррозию металлических подземных сооружений. Недостатком являются также большие потерн энергии в пусковых реостатах э. п. с. при разгоне поезда.
Наиболее эффективным средством усиления этой системы является повышение напряжения в тяговой сети до 6 кВ с использованием электровозов, оборудованных импульсными преобразователями постоянного тока. При этом контактная сеть на 3 кВ остается без изменения, прочность ее изоляции достаточна для напряжения 6 кВ. Такая система позволяет сократить потери энергии в тяговой сети в 3—4 раза, уменьшить опасность перегрева проводов и блуждающие токи; кроме того, напряжение на тяговых двигателях э. п. с. стабилизируется вследствие устранения жесткой связи между контактной сетью и тяговыми двигателями и увеличивается пропускная способность участка электроснабжения. Однако по ряду причин дальнейшая разработка системы 6 кВ приостановлена и в одиннадцатой пятилетке ее практическое использование не предусматривается.
Чем выше напряжение в тяговой сети, тем эффективнее и экономичнее система электроснабжения. Однако повышение напряжения в тяговой сети на более высокое чем 6 кВ (например, 12 кВ) нецелесообразно, так как это привело бы к удорожанию системы электроснабжения (переустройству контактной сети, замене преобразовательных агрегатов на подстанциях) и созданию нового более дорогого э. п. с. Сложным было бы стыкование с участками напряжением 3 кВ (см. параграф 25).
Усиление системы постоянного тока осуществляется посредством строительства промежуточных подстанций, постов секционирования и пунктов параллельного соединения, а также увеличением сечения контактной сети.
Система однофазного переменного тока 25 кВ частотой 50 Гц интенсивно развивается в СССР и за рубежом. Преимущества ее обусловлены высоким напряжением в тяговой сети, в результате чего контактная сеть имеет малую площадь сечения (150 мм2), простые трансформаторные подстанции и большое расстояние между ними (50 км) и др.
Однако этой системе присущи и недостатки: неравномерная нагрузка фаз питающей системы (см. параграф 12), вредные электромагнитные влияния на линии связи и смежные воздушные линии низкого напряжения, ухудшение качества энергии, отпускаемой потребителям, возможность искрообразования на подземных сооружениях, индуктивное влияние на контактные подвески соседних путей.
Для устранения этих недостатков и улучшения энергетических показателей разработана система 2x25 кВ с автотрансформаторами (АТ), позволяющая сохранить в тяговой сети 25 кВ существующее оборудование и э. п. с. на напряжение 25 кВ.
Рис. 2. Схема системы электроснабжения 2X25 кВ
В этой системе (рис. 2) энергия к э. п. с. подводится по контактной сети 25 кВ не только от тяговых подстанций, но и линейных понижающих автотрансформаторов (ATI, АТ2 и т. д.), установленных вдоль железной дороги через 10—15 км между тяговыми подстанциями. Автотрансформатор получает питание от тяговых подстанций по проводам контактной подвески К и дополнительному питающему проводу П напряжением 50 кВ, а по отношению к рельсам Р и земле эти провода имеют только 25 кВ. Питающий провод подвешивают на опорах контактной сети.
Такая система обеспечивает передачу энергии к э. п. с. при небольших расстояниях между автотрансформаторами напряжением 25 кВ, а на больших расстояниях — от подстанции к автотрансформаторам напряжением 50 кВ, что приводит к снижению потерь напряжения и энергии. Помимо этого, ток э. п. с. возвращается на подстанцию не по рельсам, а по питающему проводу, в результате чего уменьшается влияние тяговой сети на линии связи и можно применять более дешевый кабель связи.
На тяговой подстанции устанавливают однофазные трансформаторы ТР1 и ТР2, имеющие две вторичные обмотки с напряжением 27,5 кВ, соединенные последовательно. Их общая точка присоединена к рельсу. Вывод одной обмотки присоединяют к контактной сети, другой — к питающему проводу. Первичные обмотки подключают к разным фазам питающей ВЛ по схеме открытого треугольника. Однофазные трансформаторы позволяют осуществлять пофазное регулирование напряжения под нагрузкой и создать независимость напряжения каждого плеча питания от нагрузки другого, что повышает эффективность системы.
На подстанции устанавливают три однофазных тяговых трансформатора: два рабочих и один резервный, который может заменить любой рабочий. Для питания районных потребителей на подстанции устанавливают трехфазные трансформаторы. Потребители с небольшой нагрузкой могут получать питание от тяговых трансформаторов по системе ДПР (см. параграф 3).
Система 2X25 кВ позволяет увеличить расстояние между подстанциями до 100 км. Стоимость дополнительного оборудования в системе с автотрансформаторами покрывается за счет уменьшения расходов на подстанциях.
В процессе эксплуатации установлено, что на дорогах, электрифицированных по системе 2X25 кВ, электромагнитное влияние на цепи кабеля связи снижается в 7—11 раз, а опасное индуктированное напряжение — в 8 раз по сравнению с системой 25 кВ. Эта система применена на Московской и Белорусской дорогах и будет использована на БАМе и других железных дорогах страны.
Увеличение напряжения до 50 кВ в системе 25 кВ потребовало бы усиления изоляции контактной сети, применения нового силового и коммутационного оборудования на тяговых подстанциях и в тяговой сети, замены всего э. п. с.
