Лекции электроснабжения ЖД.

ВВЕДЕНИЕ

Содержание дисциплины включает в себя все основные вопросы теории, расчета, выбора наивыгоднейших параметров, а также определение конкретных показателей работы системы электроснабжения электрических железных дорог.

Цель изучения дисциплины – установить взаимосвязь режимов работы последовательной цепи элементов системы электроснабжения при реализации технологического процесса перевозки грузов, определить ее оптимальные параметры, методы эксплуатации и управления.

Основными поставщиками электрической энергии (ЭЭ) для железнодорожного транспорта являются энергосистемы, входящие в российское акционерное общество «Единая энергетическая система России» (РАО «ЕЭС России»), электростанции независимых производителей электроэнергии (как правило, это электростанции крупных промышленных предприятий) и собственные электростанции открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») .

Вся совокупность устройств, начиная от генератора электрической станции и кончая тяговой сетью, линиями электропередач, составляет систему электроснабжения железной дороги, обеспечивающую питание электрической энергией как электрической тяги, так и нетяговой нагрузки.

Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги. При этом необходимо обеспечить мощность всех элементов системы такой, чтобы удовлетворялась потребность мощности каждого локомотива в любых условиях работы. Питание различных стационарных потребителей, а также прилегающих к железной дороге районов осуществляется от одной и той же системы электроснабжения

1. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги

Система электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги состоит:

из внешней части системы электроснабжения, включающей в себя устройства выработки, распределения и передачи электрической энергии до тяговых подстанций (исключительно);

тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций линейных устройств и тяговой сети.

Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии и контактной подвески непосредственно или через специальные автотрансформаторы.

Основным потребителем электрической энергии в тяговой сети является локомотив. Кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезд, на локомотивах имеются вспомогательные машины, выполняющие различные функции. Производительность этих машин также связана с уровнем напряжения на их зажимах. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.

 

Рис. 1.3. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной     железной дороги: 1 – районная электрическая станция; 2 – повышающая   трансформаторная подстанция; 3 – трехфазная линия электропередачи;              4 – тяговая подстанция; 5 – питающая линия (фидер); 6 – отсасывающая         линия (фидер); 7 – контактная сеть; 8 – электрический локомотив;                       9 – рельсы

Внешняя система электроснабжения (I) включает в себя электрическую станцию 1, трансформаторную подстанцию 2, линию электропередачи 3. Тяговая система электроснабжения (II) содержит тяговую подстанцию 4, питающие фидеры 5, отсасывающий фидер 6, контактную сеть 7 и тяговый рельс 9 (см. рис. 1.3), а также линейные устройства.

Электроснабжение железных дорог осуществляется по линиям 35, 110, 220 кВ, 50 Гц. Система тягового электроснабжения может быть как постоянного, так и переменного тока.

Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы. 

Обычно линия электропередачи частотой 50 Гц получает питание от энергосистемы и расположена вдоль железной дороги.

Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (ЭПС). Оно же является номинальным напряжением  в контактной сети, напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10 % выше этого значения.

На рис. 1.7 обозначено: 1 – энергосистема; 2 – линия электропередачи; 3 – тяговые подстанции (с выпрямителями подстации постоянного тока и трансформаторные – переменного); 4 – контактная сеть; 5 – рельсы; 6 – электровоз.

 

Рис. 1.7. Принципиальная схема питания железной дороги переменного тока

Электрифицированные железные дороги относятся к потребителям первой категории. Для таких потребителей предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции – районной или тяговой. Поэтому схема питания тяговых подстанций от энергосистемы должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы быть причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции. Достичь этого можно путем выбора рациональной схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы.

На железных дорогах России распространение получили система электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ и система электроснабжения переменного тока с напряжением в контактной сети    25 кВ и 2 × 25 кВ, частотой 50 Гц.

2. Система тягового электроснабжения постоянного тока                       напряжением 3 кВ

Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка       железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ

Питание тяговой сети в большинстве случаев осуществляется от шин   110 (220) кВ через понизительный трансформатор, который обеспечивает снижение напряжения до 10 кВ. К шинам 10 кВ подключен преобразователь, который состоит из тягового трансформатора и выпрямителя. Последний обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный напряжением на шинах 3,3 кВ. Контактная сеть подключается к «плюс шине», а рельсы – к «минус шине».

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока – электрическая связь тягового двигателя с контактной сетью, т. е. имеется контактная система токосъема. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Достоинство системы постоянного тока определяются качеством сериесного двигателя постоянного тока, характеристика которого в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока:

–коэффициент полезного действия (КПД)  22 %;

–расстояние между тяговыми подстанциями равно 20 км и менее, что определяет высокую стоимость системы электроснабжения и большие эксплутационные расходы;

– большие токовые нагрузки определяют необходимость иметь контактную подвеску большего сечения, что вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов;

–система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов;

–при электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт-       ной сети.

3. Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц

На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, наибольшее распространение получила система электроснабжения напряжением  25 кВ, частотой 50 Гц. Принципиальная схема питания электрифицированного участка показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Принципиальная схема питания электрифицированного участка       железной дороги переменного тока напряжением в контактной сети 25 кВ,        частотой 50 Гц

Питание тяговой сети осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный (тяговый) трансформатор. Он имеет три обмотки:

I – обмотка высокого напряжения 110 (220) кВ;

II – обмотка низкого (среднего) напряжения 27,5 кВ для питания контактной сети;

III – обмотка среднего (низкого) напряжения 35, 10 кВ для питания нетяговых потребителей.

К шинам 27,5 кВ подключены фидеры контактной сети. При этом фазы А и В питают разные плечи тяговой подстанции. Для разделения фаз на контактной сети устраивается нейтральная вставка. Фаза С подключается к рельсам.

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения переменного тока – электромагнитная связь тягового двигателя с контактной               сетью – обеспечивается посредством трансформатора электровоза.

Достоинства системы:

–установлены независимые режимы напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе при сохранении тягового двигателя постоянного тока;

–повышено напряжение в контактной сети до 25 кВ переменного тока. Вследствие этого уменьшается ток нагрузки при одинаковой передаваемой мощности; уменьшаются потери напряжения и мощности;

–увеличено расстояние между тяговыми подстанциями и уменьшено их число (в два – три раза);

–уменьшен срок строительства и повышены темпы электрификации;

сокращен расход цветных металлов.

Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока:

–несимметричный режим работы трехфазных трансформаторов (на двухплечевую нагрузку) и, как следствие, ухудшение показателей качества электрической энергии и значительное снижение их располагаемой мощности. –несинусоидальность системы потребляемых токов и также ухудшение качества электрической энергии в питающей системе электроснабжения (в кривой потребляемого электровозами тока при установленной на них двухпульсовой выпрямительной установке содержатся негативные высшие гармоники 3, 5, 7… с большим численным значением);    

–низкий коэффициент мощности электровозов переменного тока. Коэффициент полезного действия системы электрической тяги в целом оценивается равным  26 %;

–тяговая сеть переменного тока является источником электромагнитного влияния на смежные устройства, в том числе на линии связи, что определяет необходимость применения специальных мер, направленных на снижение электромагнитного  влияния;

–наличие при двухсторонней схеме питания тяговой сети переменного тока уравнительных токов, а следовательно, дополнительных  больших потерь электрической энергии.

4. Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям 

электропередачи

Схема питания тяговых подстанций от ЛЭП показана на рис. 1.8.

Рис 1.8. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от  двухцепной    линии электропередач

В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и др. Во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двухстороннего питания тяговых подстанций (см. рис. 1.8). На рис. 1.8. обозначено: 1 – опорная тяговая подстанция (не менее трех вводов высоковольтных линий). Оснащается комплексом высоковольтных коммутационных аппаратов и устройств автоматической защиты от повреждений; 2 – промежуточная отпаячная подстанция. Высоковольтные выключатели не устанавливаются, за счет чего удешевляется система электроснабжения;       3 – промежуточная транзитная подстанция, обеспечивается секционирование высоковольтных линий для ремонта или отключения при повреждениях.

Обеспечение надежности системы электроснабжения достигается:

использованием двухцепной линии высокого напряжения, обеспечением двухстороннего питания каждой сети ЛЭП, секционированием ЛЭП на транзитных подстанциях, наличием быстродействующей автоматической защиты на опорных, транзитных тяговых и районных подстанциях.

Обеспечение экономичности системы электроснабжения достигается сокращением высоковольтной аппаратуры. При питании от одноцепной линии передачи присоединение подстанций на отпайках не допускается. Все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой подстанции промежуточные линии передачи секционируются выключателем.

.5.  Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока

промышленной частоты

На дорогах однофазного переменного тока питание тяговой сети осуществляется от трехфазной линии передачи электрической энергии через трансформаторы, обмотки которых соединены в ту или иную схему.

На отечественных железных дорогах применяют в основном трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по схеме «звезда – звезда – треугольник», типа ТДТНГЭ (трехфазный, масляный, с принудительным охлаждением – дутьем, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, для электрической тяги) мощностью 20, 31,5 и 40,5 МВ∙А. Первичное напряжение – 110 или 220 кВ, вторичное на тягу – 27,5 кВ, для районных потребителей – 38,5 и 11 кВ.

Для питания только тяговой нагрузки применяют трехфазные двухобмоточные трансформаторы типа ТДГ и ТДНГ со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник » (–11). Мощность указанных трансформаторов  такая же, как и у трехобмоточных. Соединение тяговой обмотки «треугольником» позволяет получить более пологую внешнюю характеристику. Одну вершину «треугольника» присоединяют к рельсам, а две другие – к разным секциям контактной сети.

Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда – треугольник» показана на рис. 1.9.

При питании тяговой нагрузки от трех фаз секции тяговой сети слева и справа от подстанции должны питаться от разных фаз. Следовательно, они имеют напряжения, не совпадающие по фазе друг с другом.

 

Рис. 1.9. Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока                 от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда – треугольник»

Токи в фазах можно получить непосредственно из уравнений Кирхгофа. Если в рассматриваемый момент времени слева от подстанции нагрузка I_л и справа I_п (см. рис. 1.9), то можно записать:

Ток в фазах вторичного «треугольника» и соответственно в фазах первичной обмотки также можно найти, построив векторную диаграмму.

Для построения векторной диаграммы принимается, что токи фидерных зон I_л и I_п, под  которыми подразумеваются суммарные токи фидеров, отходящие от подстанции соответственно влево и вправо, распределяются между вторичными обмотками трансформатора. Иными словами – нужно определить долю участия вторичной обмотки трансформатора в питании обеих фидерных зон.

При соединении обмоток трансформатора по схеме Y/A и отсутствии токов нулевой последовательности в замкнутом контуре «треугольника» каждую фазу можно рассматривать независимо от другой, т. е. как однофазный трансформатор. В этом случае распределение нагрузок на вторичной стороне между фазами определяется только соотношением значений сопротивления обмоток. Левая фидерная зона с током I_л питается от напряжения U_ac. Это напряжение генерируется как в обмотках «ах», так и в обмотках «bу» и «cz». Сопротивление обмоток «ах» в два раза меньше сопротивления двух других обмоток, соединенных последовательно. Следовательно, ток I_л разделяется между этими генерирующими напряжение U_ac обмотками в соотношении 2:1. Аналогичным образом делится ток I_п.

Построим векторную диаграмму для определения токов фаз трехфазного трансформатора (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Векторная диаграмма для определения токов фаз трехфазного    трансформатора

Изобразим на диаграмме векторы напряжений и токов I_л, I_п. Ток в обмотках «ах», исходя из изложенного, должен равняться сумме 2/3I_л и 1/3I_п. Отложив на векторе I_л величину, равную 2/3 его длины, на векторе I_п  1/3  его длины, найдем I_ac как сумму этих частей. Ток в фазе А «звезды» первичной обмотки (если принять коэффициент трансформации равным единице, а ток холостого хода равным нулю) будет равен току I_a.

Аналогично ток в обмотке «cz» складывается из 2/3I_п  и –1/3I_л. Сложив их, получим ток I_c. Соответственно I_c = I_C.

Нагрузка в обмотке «by» составляется из суммы –1/3I_л и 1/3_п. Сложив векторы, получим нагрузку третьей наименее нагруженной фазы I_b = I_В. Заметим,  что наименее нагруженной фазой является та фаза «треугольника», которая непосредственно не соединена с рельсами.

На диаграмме рис. 1.10 показаны углы сдвига фаз Y_А, Y_В, Y_С   между током I_А, I_В, I_С и напряжением U_А, U_В, U_С. Заметим, чтоY_А > Y_Л, а Y_С < Y_П,  т. е. углы сдвига Y_А и Y_С для двух наиболее загруженных фаз оказываются разными (даже для Y_Л  = Y_П). У «опережающей» (по ходу вращения векторов) С угол меньше, чем у «отстающей» фазы А. Это существенно влияет на потери напряжения в трансформаторе.

Для обеспечения равномерной загрузки фаз ЛЭП осуществляется их чередование при подключении к тяговым подстанциям.

6. Схемы фазировки  группы  тяговых подстанций  при подключении к линии электропередач

Требования к схеме подключения предъявляются следующие

обеспечение возможности параллельной работы на контактную сеть смежных тяговых подстанций;

создание равномерной загрузки линии электропередачи.

Если питание ЛЭП одностороннее, то цикл из трех подстанций с разным чередованием фаз обеспечивает их равномерную нагрузку на участке между источником электрической энергии и первой подстанцией. Генераторы электрической станции будут работать в нормальном режиме симметричной нагрузки. Потери мощности напряжения ЛЭП уменьшаются из-за уменьшения неравномерности нагрузки.

Рассмотрим схемы подключения тяговых подстанций  к ЛЭП (см.        рис. 1.11).

Подстанция № 1. В данном случае зажим трансформатора «А_т» присоединяется  к фазе А, а два других – «В_т» и «С_т» – к фазам В и С соответственно. При таком подключении подстанция обозначается I типа. Построим векторную диаграмму для этой подстанции (рис. 1.12).

Отстающая фаза Y_ас > Y_а. Следовательно, ток I_ас сдвинут током I_b соседнего плеча  в сторону отставания. Потребление реактивной мощности увеличивается  (по отстающей фазе), что приводит к уменьшению напряжения в ней.

Опережающая фаза Y_cb < Y_b. Следовательно, ток I _a сдвигает вектор тока I _cb  в сторону опережения. Потребление реактивной мощности снижается, напряжение увеличивается.

Из сказанного следует, что из трех фаз менее нагружена одна –           средняя – В.

Подстанция № 2. Зажим трансформатора «В_т» будет присоединен не к одноименной фазе, а к фазе С, которая и будет фактической фазой. Все фидерные зоны получат питание от точек «а» и «b», но в выборе фазы для питания мы уже не свободны после того, как выбрали схему питания от первой тяговой подстанции.

Построим векторную диаграмму (рис. 1.13). У второй подстанции изменилась последовательность фаз. Если у первой подстанции она была АВС (подстанция I типа), то у второй стала АСВ (подстанция II типа). Теперь менее загруженной фазой  будет фаза С.

Подстанция № 3. Питание третьей зоны от подстанции № 2 возможно только от точки «b» (см. рис. 1.11). От подстанции № 3 питание этой зоны также должно быть от точки «b». Следовательно, все нечетные зоны будут получать питание от точек «b» и все четные – от точек «а».

Построим векторную диаграмму (рис. 1.14). Напряжение между контактными проводами и рельсами будет положительным на четных участках, а на нечетных – отрицательным, т. е. либо совпадающим по фазе с напряжением одной из фаз ЛЭП, либо противоположным ему. Для подстанции № 3 менее загруженной фазой оказывается фаза А. Последовательность фаз будет САВ (подстанция III типа).

Рис. 1.12. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 1

Порядок чередования наименее загруженных фаз ЛЭП будет определяться количеством подстанций на участке  и схемой питания тяговой сети.                        

При двухстороннем питании ЛЭП используются циклы, кратные трем (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Подключение к ЛЭП тяговых подстанций разных типов

при двухстороннем питании

К сожалению, подключение группы тяговых подстанций к линии электропередачи с использованием чередования фаз не решает всей проблемы несимметрии тока и напряжения

7. Трехпроводная система тягогового электроснабжения

переменного тока 2х25 кВ

Указанная система является разновидностью системы электроснабжения переменного тока промышленной частоты, поскольку локомотив в этом случае остается таким же. В качестве примера рассмотрим систему тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ частотой 50 Гц.

Схема питания электрифицированного участка железной дороги по системе тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ показана на        рис. 1.16.

Рис.1.16. Схема питания электрифицированного участка железной дороги по системе тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ:

1 – понизительные трансформаторы подстанции №1 и 2 (однофазные)

220/25 кВ; 2 – линейные автотрансформаторы 50/25 кВ мощностью 16 мВ∙А,                     устанавливаемые между подстанциями через 10 – 20 км; 3 – подключение   рельсов в средней точке понизительного трансформатора и линейного             автотрансформатора (ЛАТ); 4 – поток мощности при U = 50 кВ; 5 – при             U = 25 кВ; 6 – электровоз

Расстояние между подстанциями составляет 60 – 80 км.

Достоинства системы можно назвать следующие:

за счет передачи мощности к ЛАТ при более высоком напряжении (50 кВ) в тяговой сети уменьшаются потери мощности и напряжения;

экранирующее действие питающего провода 50 кВ позволяет снизить влияние контактной сети на смежные линии.

Названные преимущества рассматриваемой системы определяют ее применение на железных дорогах с большой грузонапряженностью и высокоско-ростным пассажирским движением.

К недостаткам системы можно отнести

удорожание электрификации за счет установленной мощности ЛАТ;

усложнение обслуживания контактной сети;

сложность регулирования напряжения.

Впервые трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока была применена в Японии в 1971 г. В странах содружества в 1979 г. был смонтирован первый участок Вязьма – Орша Белорусской железной дороги.

В настоящее время по этой системе электрифицировано более 2 тыс. км на Московской, Горьковской и бывшей Байкало-Амурской железных дорогах.

8. Схемы питания контактной сети на однопутных и двухпутных участках

В зависимости от количества питающих путей схемы питания контактной сети могут быть одно- и многопутные. При этом возможно использование как одностороннего, так и двухстороннего питания.

На однопутных участках получили распространение схемы одностороннего раздельного, консольного и встречно-консольного питания. Используется также и двухстороннее питание.

На двухпутных участках – схемы раздельного, узлового, встречно-консольного, встречно-кольцевого и параллельного питания.

Выбор способа питания контактной сети связан с конкретными показателями ее работы – надежностью и экономичностью. Обеспечение надежности достигается  секционированием контактной сети и автоматизацией сборки схем, экономичности – уменьшением потерь электрической энергии и равномерной нагрузкой контактной сети отдельных участков и путей.

Схемы питания контактной сети показаны на рис.1.17 и 1.18.

Однопутный участок (см. рис. 1.17). Контактная сеть делится на две секции (изолирующим сопряжением или нейтральной вставкой), и каждая секция питается от подстанции через свой питающий фидер. При повреждении какой-либо секции отключается только эта секция (рис. 1.17,а). При консольной схеме (рис. 1.17,б) участок питается от одной подстанции с одной стороны. При повреждении питание снимается со всего участка. При встречно-консольной схеме (рис. 1.17,в) участок питается от одной подстанции с одной стороны. На каждом участке – свой питающий фидер. В случае отключения одной из подстанций участок оказывается без питания.

Рис.1.17. Схемы питания контактной сети однопутного участка

Двухпутный участок (см. рис. 1.18). Раздельная схема питания            (рис. 1.18,а) обеспечивает питание каждого пути независимо друг от друга. В связи с этим уменьшается общее сечение контактной подвески, что приводит к увеличению потерь электрической энергии. В то же время надежность данной схемы питания выше по сравнению с другими схемами. Узловая схема питания (рис. 1.18,б) выполняется с помощью постов секционирования. В этом случае потери электрической энергии уменьшаются за счет возможного увеличения сечения контактной подвески. При повреждении контактной сети исключается из работы не вся межподстанционная зона, а лишь поврежденный участок между подстанцией и постом секционирования.

Рис.1.18. Схемы питания контактной сети двухпутного участка

Консольная схема (рис.1.18,в) обеспечивает питание каждого пути отдельно от разных подстанций. Недостатки здесь те же, что и в аналогичной схеме однопутного участка. Встречно-консольная схема (рис.1.18,г) дает возможность разделить межподстанционную зону на участки, которые электрически между собой не связаны. Каждый путь питается своим фидером. При отключении фидера участок оказывается без напряжения. Увеличиваются потери электрической энергии. Встречно-кольцевая схема (рис.1.18,д) позволяет питать участки по кольцу от двух подстанций, что снижает потери электрической энергии и повышает надежность. Параллельная схема (рис.1.18,е) питания получила наибольшее распространение. При такой схеме контактная сеть питается от двух подстанций с двух сторон. Поскольку контактная подвеска обоих путей электрически связана между собой, ее сечение увеличивается, что приводит к снижению потерь электрической энергии. Вместе с тем параллельная схема питания отличается высокой надежностью по сравнению с другими схемами.

На отечественных железных дорогах схема параллельного питания принята как основная.

             9.Стыкование участков с различным напряжением в тяговой сети

или с различными системами тока

Для стыкования участков с различным напряжением и разным  родом тока возможно

использование автономного локомотива (тепловоза);

применение электровоза с двумя системами тока (электровоз двойного питания);

снабжение электрической энергией электровозов разных систем тока посредством подвески двух контактных проводов для каждого приемоотправочного пути стыковой станции (один провод над осью пути, а другой – сбоку, в междупутье);

сооружение станций стыкования с секциями, переключаемыми на разное напряжение.

На отечественных железных дорогах, как правило, используются станции стыкования. При этом способе контактная сеть приемоотправочных путей грузовых и пассажирских поездов и соответствующих горловин делится на секции посредством секционных изоляторов. Каждую секцию при помощи двух разъединителей можно подключить к питающим линиям постоянного или переменного тока. Секция может быть также отключена от обеих систем и находиться без напряжения. Разъединители контактной сети блокируются с соответствующими стрелками и сигналами стыковой станции. С установкой стрелочного маршрута переключаются и разъединители.

10. Зарубежные системы тягового электроснабжения

К числу основных систем электроснабжения электрических железных дорог зарубежных стран следует отнести системы электроснабжения постоянного тока напряжением 1,5 и 3 кВ; переменного тока напряжением 25 и 50 кВ, частотой 50 и 60 Гц; переменного тока напряжением 11–15 кВ, частотой 16 ²/₃            и 25 Гц.

11. Электроснабжение нетяговых потребителей

Питание районных потребителей осуществляется либо специальными линиями электропередачи 10 – 35 кВ непосредственно от тяговой подстанции, либо от ЛЭП продольного электроснабжения, т. е. от линии передачи, подвешенной на опорах контактной сети, также получающей питание от тяговой подстанции. Такая система позволяет закрыть мелкие электрические станции, выработка энергии на которых всегда сопряжена со значительными расходами.

При электрификации на постоянном токе, где расстояние между подстанциями небольшое, принимают напряжение в продольной ЛЭП 10 кВ. На этих подстанциях при двойной трансформации используется вторичное напряжение тех же трансформаторов, от которых получают питание и преобразовательные агрегаты. В тех случаях, когда для района желательно иметь и 35, и 10 кВ, в качестве понижающих применяются трехобмоточные трансформаторы. Третья обмотка в этом случае имеет напряжение 35 кВ и обеспечивает питание нетяговых потребителей.

При электрификации на однофазном токе продольная линия электропередачи имеет напряжение 25 кВ (рис. 1.25). Она обслуживает электропотребителей, расположенных в полосе до 30 – 50 км от железной дороги. Осуществляется такая линия передачи на дорогах однофазного тока путем подвески двух дополнительных (к контактной подвеске)  проводов на опорах контактной сети и с использованием рельсов как третьего провода трехфазной сети (см. рис. 1.25), такую линию принято называть линией ДПР (два провода – рельсы).

Линия ДПР получает питание с одной стороны консольно во избежание перетоков энергии по этой относительно маломощной линии или из-за того, что смежные подстанции на вторичной стороне имеют разные фазы.

Рис. 1.25. Схема питания нетяговых потребителей по линии ДПР

(два провода – рельс): 1 – тяговый трансформатор; 2 – понизительный

трансформатор потребителя; 3 – линия питания нетяговых потребителей; 4 – контактная сеть; 5 – рельсы

Отбор мощности от таких линий передачи осуществляется обычно при помощи комплектных трансформаторных подстанций. При мощных потребителях напряжение этой линии может быть увеличено до 35 кВ (рис. 1.26). 

Рис. 1.26. Схема питания нетяговых потребителей от трёхфазной ЛЭП

35 кВ: 1 – тяговый трансформатор; 2 – понизительный трансформатор

потребителя; 3 – линия питания нетяговых потребителей;

4 – контактная сеть; 5 – рельсы.

12. Электрические характеристики элементов системы тягового

электроснабжения

Трансформаторы тяговых подстанций предназначены для преобразования электрической энергии с одного уровня напряжения на другой и питания контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока 25 и      2 × 25 кВ, инверторно-выпрямительных агрегатов на тяговых подстанциях постоянного тока 3 кВ, собственных нужд, устройств автоблокировки, а также прилегающих к железной дороге районов.

В паспортах трансформаторов приводятся электрические характеристики, показывающие потери в них электрической энергии и напряжения: потери холостого хода при мощности P_х.х, кВт; потери короткого замыкания при мощности P_к.з, кВт; напряжение короткого замыкания u_к.з, %.

         Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется для каждого конкретного изделия на заводе-изготовителе. При закорачивании одной обмотки во время испытаний определяется напряжение в долях от номинального, при котором ток достигает номинальной величины. Это напряжение и является напряжением короткого замыкания в относительных или процентных соотношениях от номинального.

         Индуктивное сопротивление одной фазы трансформатора, Ом,

 

где  U_ном – номинальное напряжение, кВ.

         Выпрямители в общем случае состоят из преобразовательного трансформатора, выпрямительной схемы (установки), сглаживающего фильтра, устройств управления и защиты, автоматического регулирования.

         Внешняя характеристика выпрямителя представляет собой зависимость среднего выпрямленного напряжения от среднего выпрямленного тока U_d (I_d). Она отражает все режимы работы: от холостого хода до номинальной нагрузки. С увеличением тока нагрузки выпрямленное напряжение снижается.

         Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя можно представить как

         У многопульсовых выпрямителей напряжение на выходе более стабильно, что является их важным преимуществом, поскольку скорость электрического подвижного состава прямо зависит от уровня напряжения на токоприемнике.

         Величина напряжения на шинах самой тяговой подстанции зависит от нагрузки и может быть представлена внешней характеристикой.

         Подстанция постоянного тока. Напряжение на шинах

U_dш = U_d0 – I_dr,                                              (2.5)

где r – внутреннее сопротивление подстанции, Ом.

         Внешняя характеристика подстанции постоянного тока показана на     рис. 2.1.

 

         Подстанция переменного тока с однофазными трансформаторами. Напряжение на шинах

U_ш = U₀ – ΔU_т = U₀ – Ix_т,                                   (2.6)

где U₀ – напряжение холостого хода, кВ;

       I – ток нагрузки, кА;

       x_т – сопротивление трансформатора, Ом.

         Внешняя характеристика подстанции переменного тока показана на     рис. 2.2.

          Подстанция переменного тока с трехфазными трансформаторами. В этом случае потери напряжения определяются для каждой фазы. Здесь можно подчеркнуть следующую особенность режима напряжения в плечах питания:

       в плече с отстающей фазой ток соседнего плеча увеличивает потерю нап-ряжения;

       в плече с опережающей фазой ток соседнего плеча уменьшает потерю нап-ряжения.

       Таким образом, даже при одинаковой нагрузке плеч величина их напряжения будет различной. Это вызывает появление уравнительных токов и дополнительных потерь в контактной сети и затрудняет регулирование напряжения в плечах.

       Тяговая подстанция является одной из важнейших частей системы тягового электроснабжения. Другую ее часть представляет тяговая сеть. Она состоит из контактной сети и рельсового пути. Рельсы являются обратной электричес-кой цепью для тягового тока. Одновременно они обеспечивают работу автоблокировки.

13. Тяговые рельсовые цепи

         К рельсовой цепи предъявляются требования обеспечения наименьшего:

         сопротивления рельсов;

         потенциала рельсов относительно земли;

         тока утечки в землю для снижения блуждающего тока.

         Кроме того, должно быть обеспечено разделение с цепями автоблокировки.         Рельсовая цепь при двухниточном исполнении (рис. 2.3) обеспечивает протекание тягового тока и тока автоблокировки по обеим ниткам одновременно. В этом случае на участках постоянного тока для автоблокировки используют переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц или частотой 25 Гц, а на участках переменного тока – только частотой 25 Гц.

         Параллельное соединение путей обеспечивается междупутными соединителями, которые устанавливаются между средними точками путевых дроссель-трансформаторов в местах присоединения отсасывающих линий и через два дроссельных стыка на третьем. При этом длина цепи по обходу между этими соединителями для сигнального тока должна быть не менее 10 км.

         

Рис. 2.3. Соединение рельсовых нитей на двухпутном участке

при двухниточных рельсовых цепях автоблокировки: 1 – изолирующий стык; 2 – стыковое соединение; 3 – дроссель-трансформатор;

4 – междупутный  соединитель; 5 – рельсы

         Участки переменного тока имеют разделение рельсовых цепей по частоте. В тяговой цепи протекает переменный ток частотой 50 Гц, а в цепях автоблокировки – 25 Гц.

         Дроссель-трансформатор 3 служит для разделения цепей. Для постоянного тягового тока сопротивление обмотки мало, а для переменного тока автоблокировки оно велико, поэтому шунтировки изолированного стыка не происходит. На переменном токе разное сопротивление обмотки обусловлено различной частотой тока.

         Стыковой соединитель 2 устанавливается в местах, где имеются рельсовые накладки, скрепляющие звенья рельсов. На станциях рельсовые цепи выполняются на главных путях, как и на перегоне по двухниточной схеме, а на приемоотправочных путях – по однониточной.

          Автоблокировка реализует интервальную систему управления движением поездов. Для этого рельсы секционируются изолированными стыками. Цепи тягового тока и тока автоблокировки делятся по рельсам, т. е. имеются тяговый рельс и рельс автоблокировки. Между тяговыми рельсами через 300 м устанавливаются междурельсовые соединители 3 (см. рис. 2.4).

         Тяговые подстанции к рельсовой цепи присоединяются с помощью отсасывающей линии. Отсасывающие линии выполняются как кабельными, так и воздушными с кабельной вставкой для присоединения к рельсам.

         С середины 90-х гг. прошлого столетия в системах железнодорожной автоматики начали использовать тональные рельсовые цепи (ТРЦ). В этих случаях рельсовые нити не имеют изолирующих стыков, что приводит к уменьшению числа дроссель-трансформаторов, а как следствие – к снижению отказов в работе тяговых рельсовых цепей.

14. Сопротивление тяговой сети постоянного тока

         Поскольку рельсы не изолированы от земли, то тяговый ток протекает и по земле. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на сопротивление тяговой сети.

         Модель протекания тока по рельсам и земле показана на рис. 2.5. Сопротивление рельсов представляется в виде последовательной цепи r_р, Ом/км. Переходное сопротивление «рельс – земля» представляется в виде цепочки параллельных элементов r_п, Ом∙км.

        

Рис. 2.5. Модель протекания тока по рельсам и земле (система                       электроснабжения постоянного тока): 1 – тяговая подстанция; 2 – нагрузка (электровоз); 3 – контактная сеть; 4 – рельсы; 5 – переходное сопротивление;    6 – проводник (с сопротивлением, равным нулю), заменяющий землю

        

          Сопротивление проводов контактной подвески (на 1 км) можно определить, Ом/км, как

                                 ,                                                     (2.20)

где r_к – удельное сопротивление контактного (или другого) провода, Ом×мм²/км;

         S – площадь поперечного сечения провода, мм².

         Сопротивление тяговой сети (на 1 км) принимается с учетом числа, материала, схемы соединения проводов и сопротивления рельсов.

         Сопротивление рельсов определяется по формуле (2.20). В этом случае нужно знать удельное сопротивление стали. Однако чаще это сопротивление рассчитывают в зависимости от веса одного погонного метра рельса следующим образом.

         Сначала определяется масса, кг/м,

                                     (2.21)

где S_р – площадь поперечного сечения, мм²;

      7,83 – удельная масса рельсовой стали, г/см³.

         Приняв удельное сопротивление рельсовой стали равным 210 Ом×мм²/км и подставив в формулу (2.20) значение S_p из выражения (2.21), получим сопротивление 1 км одиночного рельса (без учета сопротивления стыков), Ом/км:

                                  (2.22)

         Увеличив сопротивление рельсов за счет стыков на 20 % при длине рельса 12,5 м, Ом/км, получим:

                                             (2.23)

для двухпутного участка –

         15. Сопротивление тяговой сети переменного тока

         Специфическая особенность явления протекания тока по рельсам на линиях переменного тока состоит в наличии электромагнитной связи между отдельными контурами, составляющими тяговую сеть.

         Тговая сеть представляет собой ряд наложенных друг на друга контуров. Геометрические размеры всех контуров разные, разная индуктивность, сложная взаимоиндуктивная связь.

          Для упрощения картины протекания тока рассматривается модель с тремя контурами (рис. 2.10): «контактная подвеска – земля», «рельс – земля (вихревой ток)» и «контактная подвеска – рельс».

        

Первый контур является эквивалентным I₂, I₃, I₄…I_n – ток протекает по контуру «контактная подвеска – земля».

        

Рис. 2.10. Упрощенная модель протекания тока по рельсам и земле:

I_и – индуктивный ток; I_з – ток земли

         Второй контур – контур индуктированного тока «рельс – земля», т. е. это вихревой ток в указанном контуре.

         Третий контур – контур, по которому протекает часть тягового тока электровоза и ток контура два – «вихревой» составляющей.

          Наибольшую сложность вызывает определение сопротивления контура. Если в сетях постоянного тока встречается только одно понятие сопротивления проводов, то при переменном токе вводятся понятия активного, реактивного и полного сопротивлений.

15.1. Полное сопротивление отдельных контуров

 тяговой сети переменного тока

         Полное сопротивление отдельных контуров тяговой сети переменного тока состоит из активного и реактивного (в данном случае индуктивного) сопротивления. Полное сопротивление рассматривается в качестве параметра тяговой сети, для любого контура его можно представить в комплексной форме как сумму трех слагаемых:

z = r_a + jx' + jx'',                                        (2.25)

где r_a – активное сопротивление, r_a = kr.

         Так как активное сопротивление проводов принимается равным омическому, то  в дальнейшем эта величина будет обозначаться так же, как и сопротивление постоянному току, т. е. kr, активное сопротивление рельсов – через r_p.a. Напомним, что r обозначает сопротивление постоянному току, а k – коэффициент, учитывающий поверхностный эффект, k >1 (зависит от материала провода и частоты);

         x' – индуктивное (внешнее) сопротивление за счет внешней индуктив-ности, x' = wL, Ом/км, где w – угловая частота, w = 2pf (f – частота тока);

         L – коэффициент самоиндукции (за счет внешнего магнитного поля),

Гн/км. Значение L зависит от коэффициента магнитной проницаемости m, геометрических размеров контура;

         x'' – внутреннее индуктивное сопротивление (индуктивное сопротивление за счет внутренней индуктивности, т. е. магнитного поля, действующего внутри сечения), Ом/км.

         Для двух магнитосвязанных контуров 1 и 2

z₁ = z₁₁ + z₁₂,                                              (2.26)

где z₁₁ – собственное сопротивление контура (активное и индуктивное);

      z₁₂ – сопротивление взаимной индукции, z₁₂ = jwM, где М – коэффициент взаимоиндукции, который характеризует долю магнитных силовых линий контура, пересекающих данный. За счет магнитных силовых линий соседнего контура индуктируется ЭДС взаимоиндукции, которая характеризуется z₁₂.

         Пусть направление токов в контурах совпадает. Магнитные линии взаимоиндукции усиливают собственное поле контура. Сопротивление взаимоиндукции в этом случае положительно, а индуктированное напряжение противоположно действующему в контуре.

         При противоположных направлениях тока контуров картина обратная (сопротивление отрицательно, ЭДС совпадает с действующим значением).

         Таким образом, всю совокупность проводов и рельсов можно заменить рядом контуров. Зная величину активного и реактивного сопротивления каждого контура и оценив их взаимное влияние, можно найти полное сопротивление тяговой сети, а также его активную и реактивную составляющие.

15.2. Полное расчетное сопротивление тяговой сети

         В качестве примера рассмотрим однопутный участок. Расположение проводов в этом случае показано на рис. 2.11. Примем следующие обозначения:   I_к.с – ток в контактной сети; Е – ЭДС взаимоиндукции; К – контактный провод; Т – несущий трос; Р – рельсы; Z₀ – расчетное сопротивление.

         Примем сопротивление взаимоиндукции Z_к.р равным Z_т.р. Ток в контак-тной сети

.                                           (2.27)

          Обозначим Z_р1р2 сопротивление взаимоиндукции между контурами первой и второй ниток рельсов.

        

Рис. 2.11. Расположение проводов тяговой

сети (однопутный участок)

        

         Полное расчетное сопротивление 1 км тяговой сети:

                                             (2.45)

            Полное расчетное сопротивление тяговой сети переменного тока необходимо для расчетов тока короткого замыкания (КЗ) и падения напряжения.

16. Составное и эквивалентное приведенное сопротивление тяговой сети

         Умножение полного сопротивления (Ом/км) тяговой сети (в комплексном виде) на ток (в комплексном виде) дает падение напряжения в тяговой сети на протяжении одного километра. Для большинства расчетов важным является не падение напряжение, а его потеря. Под падением напряжения понимают геометрическую разность, а под потерей напряжения – арифметическую разность между напряжением у подстанции и потребителя

         Рассмотрим схему питания тяговой нагрузки, показанную на рис. 2.13.

                                     

Рис. 2.13. Консольная схема питания тяговой нагрузки

         Потеря напряжения

,                         (2.47)

где Z_c – составное сопротивление, Z_c = Rcosj + jXsinj.

         Сопротивление сети r_a и x, отнесенное к одному километру, считается постоянным, т. е. R = r_al и X = xl, где l – расстояние от тяговой подстанции до нагрузки.

         Составное сопротивление измеряется в омах и используется для расчета потерь напряжения.

         Сопротивление в тяговой сети с выпрямителями (локомотива) определяется согласно работе [1] по формуле:

Z' = R' + X' = 0,8R + 0,69X.                             (2.51)

         Это сопротивление необходимо для расчета потерь напряжения в сетях с выпрямленным напряжением.

         17. Влияние изменений напряжения на работу электрических

локомотивов и пропускную способность участка железной дороги

Изменение напряжения влияет на работу локомотивов как постоянного, так и однофазного переменного тока. На электровозах переменного тока регулирование напряжения, подводимого к двигателям, осуществляется изменением коэффициента трансформации трансформатора электровоза, а на электровозах постоянного тока – путем изменения  схемы соединения двигателей (сериесное, сериес-параллельное, параллельное).

Рассмотрим влияние изменения напряжения на скорость и силу тяги электрического подвижного состава.

17.1 Влияние изменения напряжения на работу электрических локомотивов

Скорость движения локомотива связана со скоростью вращения вала двигателя. Для тягового двигателя с последовательным возбуждением установившаяся скорость вращения вала, приведенная к ободу колеса, определяется как

                                               (3.1)

где U – напряжение на зажимах двигателя;

       I – ток двигателя;

       R – сопротивление обмоток двигателя;

       с – конструктивная постоянная электровоза;

       Ф – магнитный поток двигателя.

При одной и той же нагрузке I, но различных значениях подведенного к двигателю напряжения отношение установившихся скоростей равно отношению электродвижущих сил (так как магнитный поток определяется величиной нагрузки):

,                                             (3.2)

где  V1, V2 – скорости, соответствующие напряжениям U₁ и U₂ соответственно.

Учитывая относительно небольшое падение напряжения в двигателе из-за малого сопротивления его обмоток (например, у двигателя НБ400 при максимальном токе оно составляет 76 В) можно записать:

.                                               (3.3)

Таким образом, установившиеся скорости вращения вала двигателя приблизительно прямо пропорциональны подводимому напряжению.

Сила тяги определяется как

,                                               (3.4)

где I, Ф – ток и магнитный поток двигателя соответственно.

Из уравнения (3.4) видно, что сила тяги не зависит от напряжения на зажимах двигателя.

       18.Влияние режима напряжения на время хода поезда по перегону

Примем следующие обозначения:

q_р – расчетное время хода поезда по перегону (полученное по тяговым расчетам) при U = U_ном;

q_р.т – то же за время хода поезда по перегону на автоматической характеристике (за вычетом времени пуска, выбега, торможения);

q, q_т – действительное время хода (полное и на автоматической характеристике) при v = v_д,

.                                         (3.5)

При движении поезда на автоматической характеристике справедливо отношение:

,                                               (3.6)

где  U_д – действительное напряжение за время хода по перегону.

Тогда время хода по перегону

.                                      (3.7)

19. Пропускная способность участка межподстанционной зоны

Пропускная способность участка определяется числом пар поездов, проходящих по лимитирующему перегону за конкретный интервал времени Т:

,                                                (3.8)

где q_л – время хода поезда по условному лимитирующему перегону.

В качестве условного лимитирующего перегона принимается перегон в середине фидерной зоны с наименьшим уровнем напряжения и, следовательно, с наибольшим временем хода. Число поездов, проследовавших по лимитирующему перегону, определяется по формуле:

                                    (3.9)

где U_д.п – среднее напряжение за время хода расчетного поезда по условному лимитирующему перегону межподстанционной зоны.

Таким образом, режим напряжения определяет один из главных показателей работы железных дорог – пропускную способность участка межподстанционной зоны.

20. Нормы напряжения

На электрифицированных участках железных дорог установлены следующие нормы.

Номинальное напряжение:

на шинах тяговой подстанции постоянного тока при номинальной нагрузке – 3300 В;

в контактной сети постоянного тока – 3000 В;

на шинах тяговой подстанции переменного тока (при холостом ходе)  действующее значение U_н должно составлять 27500 В;

в контактной сети переменного тока действующее значение U_н – 25000 В.

Максимально допустимое напряжение в контактной сети:

– постоянного тока без рекуперации – 3850 В;

– постоянного тока с рекуперацией – 4000 В;

– переменного тока U_max – 29000 В;

Минимально допустимое напряжение в контактной сети:

–  расчетное напряжение на токоприемнике электроподвижного состава (среднее за 3 мин, т.е. за время хода по любому блок-участку) должно быть не менее 21 кВ при переменном токе и 2,7 кВ при постоянном токе;

–  на отдельных малодеятельных участках и на подъездных путях по согласованию допускается уровень напряжения не менее 19 кВ при переменном токе и 2,4 кВ при постоянном токе;

–  на железнодорожных линиях со скоростным движением пассажирских поездов свыше 160 км/ч уровень напряжения на токоприемнике локомотива (среднее за 1мин) должен быть не ниже 24 кВ при переменном токе и 2,9 кВ при постоянном токе;

21. Несимметрия токов и напряжений

в системе электроснабжения

         Количественно несимметрия токов и напряжений оценивается величиной коэффициента несимметрии:

   

22. Принципы расчета мгновенных схем

Сделаем допущение, что контактная подвеска является линейным элементом, т. е. ее сопротивление не зависит от нагрузки. В этом случае можно применить принцип суперпозиции – нагрузку многих поездов представить как сумму нагрузок каждого поезда.

Поездной ток фидера. Поездным током фидера принято называть ток фидера от одного поезда (рис. 4.1).

	При UА = UВ и линейной сети ток нагрузки распределяется обратно пропорционально расстоянию. Тогда можно записать: , (4.1)
Рис. 4.1. Схема расположения поезда при двухстороннем питании
	где IфА(к) – поездной ток фидера под-

станции А; I_к – ток поезда; l_к – расстояние от поезда до подстанции В;
l – расстояние между подстанциями.

При  выражение (4.1) примет вид:

,

(4.2)

где  – уравнительный ток.

Ток фидера от всех поездов. Для n поездов по принципу суперпозиции ток фидера

.

(4.3)

Потеря напряжения до i-го поезда. Рассмотрим схему одностороннего питания (рис. 4.2).

Обратимся к упрощенной схеме (рис. 4.3). Потеря напряжения до i-го поезда
	Рис. 4.2. Схема расположения поездов при одностороннем питании
	Рис. 4.3. Упрощенная схема расположения поездов при одностороннем питании: Ijл – ток, потребляемый поездом слева от i-го; Ii – ток i-го; Ijп – ток,    потребляемый поездом справа от i-го
где  Z'– сопротивление 1 км контактной сети.

         Подставив выражения (4.5) – (4.7) в формулу (4.4), получим:

.

(4.8)

         Если поездов,  поездов, то, используя принцип суперпозиции для n поездов, можно записать:

.

(4.9)

        

В общем виде выражение (4.9) представляется как

.

(4.10)

        

Для двухстороннего питания учитывается распределение тока поезда
между тяговыми подстанциями.

         Потери мощности. Мощность, передаваемая по фидеру тяговой подстанции,

.

(4.11)

         Мощность всех n электровозов определяется выражением:

(4.12)

         Для схемы одностороннего питания ток фидера можно получить как

(4.13)

         Потеря мощности определяется как

,

(4.14)

где  – потеря напряжения до поезда «к», .

                  

Библиографический список

1. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

5. Электрические железные дороги / В. А. Кисляков, А. В. Плакс    и др. М.: Транспорт, 1993. 279 с.