Меню

Участки дорог переменного тока



Тема 3.1 Общие сведения об электроснабжении электрифицированных железных дорог

Электрификация железных дорог России (СССР) ведет отсчет с 1926 г., с открытия движения пригородных электропоездов на участке Баку—Сабунчи—Сураханы протяженностью 19 км. В России первый электрифицированный участок Москва—Мытищи протяженностью 17,7 км введен в эксплуатацию в 1929 г.

Устройства электроснабжения железных дорог должны обеспечивать: бесперебойное движение поездов (при требуемых размерах движения); надежное электропитание различных устройств железнодорожного транспорта; электроснабжение всех потребителей железнодорожного транспорта.

Подвижной состав электрифицированных железных дорог и система электроснабжения составляют единую электрическую цепь. В систему электроснабжения электрифицированных дорог входят устройства, составляющие ее внешнюю и тяговую части.

Система тягового электроснабжения состоит из тяговых подстанций и электротяговой сети, устройство которых определяется применяемой системой электрической тяги.

Системы тока и напряжения контактной сети

Железные дороги могут быть электрифицированы по системе постоянного или переменного тока. Однако в обоих случаях на электроподвижном составе используются тяговые двигатели постоянного тока. Система тяги на трехфазном переменном токе не получила распространения из-за того, что приводит к ограничению напряжения в сети и скоростей движения из-за особенностей конструкции контактной подвески. Как правило, применяют систему питания электроподвижного состава однофазным переменным током, который непосредственно на локомотивах преобразуют в постоянный ток.

Тяговые подстанции на электрифицированных дорогах постоянного тока выполняют две основные функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный ток. От тяговых подстанций электроэнергию по питающим линиям подают в контактную сеть.

Тяговые подстанции подразделяются на подстанции постоянного и переменного тока. Подстанции постоянного тока размещают на расстоянии 15— 20 км одна от другой, а переменного — на расстоянии 40—50 км, располагая их обычно в районе железнодорожной станции.

Электровоз постоянного тока2ЭС10 «Гранит» с трёхфазными асинхронными тяговыми двигателями.

Промышленный электровоз постоянного тока ЕЛ2 (1,5 кВ), два верхних токоприёмника и четыре боковых.

Электровозы разных систем тока на станции стыкования: слева электровоз постоянного тока ВЛ8 М , справа электровоз переменного тока ВЛ80 Т

Двухсистемный электровозВЛ82 м

Тяговая сеть

Тяговая сеть состоит из контактной и рельсовой сетей, питающих и отсасывающих линий. Контактная сеть. На магистральных железных дорогах электроэнергию к токоприемникам электровозов и электропоездов подводят по воздушной контактной сети.

Контактная сеть представляет собой совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам электроподвижного состава.

Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса должна быть на перегонах и железнодорожных станциях железнодорожного транспорта не ниже 5750 мм, а на железнодорожных переездах — не ниже 6000 мм.

Расстояние от оси крайнего железнодорожного пути до внутреннего края опор контактной сети на перегонах и железнодорожных станциях должно быть не менее 3100 мм.

Опоры в выемках должны устанавливаться вне пределов кюветов.

В особо сильно снегозаносимых выемках (кроме скальных) и на выходах из них (на длине 100 м) расстояние от оси крайнего железнодорожного пути до внутреннего края опор контактной сети должно быть не менее 5700 мм.

Перечень таких мест определяется, соответственно, владельцем инфраструктуры, владельцем железнодорожных путей необщего пользования.

На существующих линиях до их реконструкции, а также в особо трудных условиях на вновь электрифицируемых линиях расстояние от оси железнодорожного пути до внутреннего края опор контактной сети допускается на железнодорожных станциях не менее 2450 мм, а на перегонах — не менее 2750 мм.

Все указанные размеры устанавливаются для прямых участков пути. На кривых участках эти расстояния должны увеличиваться в соответствии с габаритным уширением, установленным для опор контактной сети.

Все указанные размеры установлены для прямых участков пути. На кривых участках эти расстояния должны увеличиваться в соответствии с габаритным уширением, установленным для опор контактной сети.

Контактную сеть выполняют в виде воздушных подвесок. При движении локомотива токоприемник не должен отрываться от контактного провода, иначе нарушается токосъем и возможен пережог провода. Надежная работа контактной сети в значительной мере зависит от стрел провеса провода и нажатия токоприемника на провод.

Виды контактных подвесок. На железных дорогах применяют в основном цепные контактные подвески: одинарные, двойные и одинарные с рессорными тросами.

Рис. Цепные контактные подвески — одинарная (а), двойная (б) и одинарная с рессорными тросами (в): 1 — контактный провод; 2 — струна; 3 — несущий трос; 4 — вспомогательный провод; 5 — рессорный трос

Рис. Цепная подвеска: 1 — опора; 2 — тяга; 3 — консоль; 4 — изолятор; 5 — несущий трос; 6 — контактный провод; 7 — струны; 8 — фиксатор; 9 — изолятор

По способу натяжения проводов различают некомпенсированные, полукомпенсированные и компенсированные цепные подвески. Для возможности регулирования натяжения проводов контактную сеть делят на механически не зависимые друг от друга участки. На концах этих участков, называемых анкерными, провода закрепляют (анкеруют) к опорным устройствам. Для уменьшения стрел провеса при сезонном изменении температуры оба конца контактного провода (иногда и несущего троса) оттягивают к анкерным опорам и через систему блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы

В некомпенсированной цепной подвеске провода жестко закрепляют по концам на анкерных опорах. Натяжение в них и стрела провеса меняются в зависимости от температуры, ветровой нагрузки и гололеда.

В полукомпенсированной цепной подвеске с помощью грузов компенсаторов 5 автоматически поддерживается натяжение контактного провода при изменении метеорологических условий, а несущий трос закреплен на опорах 1 (рис. 2, а). При такой подвеске расстояние между опорами обычно равно 60-70 м. Применение рессорного подвешивания контактного провода к несущему тросу у опор при полукомпенсированной подвеске (рис. 1, в) позволяет обеспечить надежный токосъем для скоростей движения до 120 км/ч. На схеме рис. 2, б: 2 — оттяжка; 3 — несущий трос; 4 — ограничитель колебаний грузов; 6 — неподвижный ролик; 7 -подвижные ролики; 8 — изоляторы.

При компенсированной цепной подвеске (см. рис. 2, б) в контактном проводе 9 и несущем тросе автоматически поддерживается практически постоянное натяжение. Компенсированная подвеска обеспечивает нормальный токосъем при скоростях движения до 160 км/ч и выше.

Устройства секционирования контактной сети.В местах примыкания перегонов к станции и в отдельных случаях на перегонах применяют изолирующие сопряжения анкерных участков, которые обеспечивают так называемое продольное секционирование контактной сети.

Ф1-Ф6 – фидерные разъединители.

Н1, Н2 – разъединители нейтральных вставок.

П1, П2 – поперечные разъединители.

В, Г – продольные разъединители.

При питании отдельных участков от разных фаз переменного тока применяют сопряжение анкерных участков с нейтральной вставкой. Конструктивно оно состоит из двух воздушных промежутков, расположенных последовательно. Нейтральную вставку проектируют так, чтобы при любых сочетаниях поднятых токоприемников электровозов и электропоездов исключалась возможность одновременного замыкания обоих воздушных промежутков, т.е. соединения различных секций контактной сети.

Для разделения контактной сети станций на электрически независимые участки применяют секционные изоляторы. Электрическое соединение или разъединение отдельных секций контактной подвески осуществляют продольными секционными разъединителями.

Стыкование участков переменного и постоянного тока. Стыкование таких участков осуществляют на наших железных дорогах одним из двух способов. Первый способ — это секционирование контактной сети станции стыкования с переключением отдельных секций на питание от фидеров постоянного или переменного тока, второй — применение электроподвижного состава двойного питания, т.е. на электровозе происходит переключение с постоянного тока на переменный и наоборот.

Контактная сеть станций стыкования имеет группы изолированных секций: постоянного тока, переменного тока и переключаемые. В переключаемые секции подается электроэнергия через так называемые пункты группировки. Контактную сеть с одного рода тока на другой переключают специальными переключателями с моторными приводами, устанавливаемыми на пунктах группировки. К каждому пункту подведены две питающие линии переменного тока и две — постоянного от тяговой подстанции постоянно-переменного тока.

Источник

Почему РЖД мечтает отказаться от 3000V постоянного тока в пользу 27000V переменного?

Опубликовано 15.08.2019 · Обновлено 04.02.2021

Эра постоянного тока на железной дороге началась с самого появления подвижного составов на электрической тяге. На тот момент тяговые электродвигатели (собственно рабочие лошади электротяги) использовали для своей работы только постоянный ток. Человечеству уже были известны двигатели переменного тока, как асинхронные так и синхронные, вот только из-за сложной системы управления их использование для нужд любого вида транспорта было вопросом наглухо закрытым. А двигатели постоянного тока легко управлялись как в диапазоне скоростей так и в диапазоне мощностей.

Максимальное напряжение, пригодное для использования в узлах двигателей постоянного тока, а именно в щеточном аппарате коллектора, составляло около 3000 Вольт, что и было принято за максимальное напряжение для контактной сети. Дальнейшее повышение напряжение приводило бы к совсем скорому износу электродвигателей.

Почему я собственно заговорил вдруг о повышении напряжения, как известно и сейчас электровозы тягают тысячетонные составы именно на этом напряжении, и ничего? А дело все в том, что электрическая мощность является величиной, находящейся в прямой зависимости от напряжения или силы тока в контактной сети (P=U*I). C ростом грузоперевозок и числа пассажирских поездов, возрастала и потребность в мощности контактной сети, а ввиду того, что напряжение более 3000 Вольт повышать, как мы уже выяснили, невозможно, остается эту мощность увеличивать за счет повышения силы тока. С ростом последней ложится огромная нагрузка на инфраструктуру контактной сети — это и провода с постоянно увеличивающимся сечением, это и увеличение числа трансформаторных подстанций, и, соответственно, сокращение расстояния между ними, это и огромные потери электроэнергии на этапе её передачи до электродвигателя. Закладывать в такую инфраструктуру дальнейший рост грузо- и пассажиропотока просто некуда, он достиг своего предела. Мощность электровозов постоянного тока на сегодняшний день находится на своем максимуме, и при развитии мощностей будет однозначно проигрывать электровозам переменного тока.

Читайте также:  Как найти общий ток в схеме

Электровоз переменного тока ЭП1

Электровоз переменного тока ЭП1

Пока электрификация постоянным током, испытывая описанные трудности, все же разрасталась, технический прогресс изобрел средства выпрямления переменного тока, пригодные для использования на электровозах. Напряжение в контактной сети можно было значительно увеличить, так еще и снизить силу тока при сохранении мощности. На каждый такой электровоз переменного тока устанавливается трансформатор, который может с высоким КПД дать на выходе напряжение любого значения, пригодное для дальнейшего выпрямления и питания тяговых электродвигателей.
В итоге тяговые двигатели остались работать на постоянном токе (или пульсирующем токе), сохраняя широкий диапазон и простоту регулирования, а контактная сеть могла перейти на переменный ток повышенного напряжения. Но к сожалению разрастание постоянного тока к тому моменту уже достигло существенных масштабов и было принято решение действующие сети оставить как есть, а все последующие строить исключительно на токе переменном. Так и получилось, что у нас запад России электрифицирован на постоянном токе, а Сибирь и Дальний восток на переменном.

Зацеперы совершенно не боятся постоянного тока

Напряжение переменного тока в контактной сети РЖД составляет на сегодняшний день 25 тысяч Вольт непосредственно на контактном проводе и 27,5 кВольт на шинах трансформатора на подстанции. Сами подстанции расположены далеко друг от друга, на расстоянии до 50 километров, и при этом остается ещё большой запас мощности сетей.

Поддержка постоянного тока все равно сохраняется, но модернизация и растущие потребности в мощности, серьезно наступают такой поддержке на «пятки», а в части мощностных потребностей для высокоскоростных поездов, уже не то, что на «пятки», а на самое «горло». Многие электрические сети дорог, после очередной модернизации, были переведены на переменный ток, а все вновь электрифицированные участки, как говорилось ранее, поддерживают только переменный ток. Переменный ток в РЖД принят теперь за основу в электрической тяге.

Постоянный ток морально и физически устарел для нужд ЖД, причем очень давно, и продолжает поддерживаться исключительно из-за высоких затрат на одномоментное перепрофилирование инфраструктуры и самое главное тяговых единиц подвижного состава. Были конечно изобретены электровозы, способные работать на обоих родах тока, и на перспективное будущее активно составляются сметы и планы по переходу на переменный ток, но парадокс остается на виду — поддержка инфраструктуры постоянного тока уже потребовала в десятки раз больше средств, чем требовалось для одномоментного изменения профиля тока на всей ЖД. А теперь, с ростом нагрузок и скоростей, мы имеем дело уже не с перспективностью использования переменного тока, а его неизбежностью.

Источник

Электрификация железных дорог переменного тока 25 кВ — 25 kV AC railway electrification

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Обзор
  • 2 История
  • 3 Распределение
  • 4 Стандартизация
  • 5 вариаций
    • 5.1 25 кВ переменного тока в 60 Гц
    • 5.2 20 кВ переменного тока в 50/60 Гц
    • 5,3 12,5 кВ переменного тока в 60 Гц
    • 5,4 12 кВ в 25 Гц
    • 5.5 6.25 кВ переменного тока
    • 5.6 50 кВ переменного тока
    • 5.7 Автотрансформаторная система 2 x 25 кВ
    • 5.8 Повышенное напряжение
    • 5,9 25 кВ на линиях широкой колеи
    • 5.10 25 кВ на узкоколейных линиях
    • 5.11 Другие напряжения при электрификации 50 Гц
  • 6 Многосистемные локомотивы и поезда
  • 7 См. Также
  • 8 ссылки
  • 9 Дальнейшее чтение

Обзор

Эта электрификация идеально подходит для железных дорог, которые покрывают большие расстояния или имеют интенсивное движение. После некоторых экспериментов перед Второй мировой войной в Венгрии и в Шварцвальде в Германии он получил широкое распространение в 1950-х годах.

Одной из причин, по которой он не был представлен раньше, было отсутствие подходящего небольшого и легкого оборудования для регулирования и выпрямления до разработки твердотельных выпрямителей и связанных с ними технологий. Другой причиной были увеличенные расстояния, необходимые для прохода под мостами и в туннелях, что потребовало бы серьезных строительных работ , чтобы обеспечить увеличенный зазор до токоведущих частей.

Железные дороги, использующие более старые системы постоянного тока меньшей мощности , ввели или вводят 25 кВ переменного тока вместо 3 кВ постоянного тока / 1,5 кВ постоянного тока для своих новых высокоскоростных линий.

История

Первое успешное и регулярное использование системы 50 Гц датируется 1931 годом, испытания проводятся с 1922 года. Она была разработана Калманом Кандо в Венгрии, который использовал переменный ток 16 кВ при 50 Гц , асинхронную тягу и регулируемое количество ( мотор) полюса. Первой электрифицированной линией для испытаний была Будапешт – Дунакеси – Алаг. Первой полностью электрифицированной линией была Будапешт – Дьер – Хедьешхалом (часть линии Будапешт – Вена). Хотя решение Кандо показало путь в будущее, железнодорожные операторы за пределами Венгрии не проявили интереса к проекту.

Первая железная дорога, использующая эту систему, была построена в 1936 году Deutsche Reichsbahn, которая электрифицировала часть Höllentalbahn между Фрайбургом и Нойштадтом, установив систему переменного тока 20 кВ , 50 Гц . Эта часть Германии находилась во французской зоне оккупации после 1945 года. В результате изучения немецкой системы в 1951 году SNCF электрифицировала линию между Экс-ле-Беном и Ла-Рош-сюр-Форон на юге Франции, первоначально используя те же 20 кВ, но преобразованные в 25 кВ в 1953 году. Затем система 25 кВ была принята в качестве стандарта во Франции, но, поскольку значительные участки к югу от Парижа уже были электрифицированы на 1500 В постоянного тока , SNCF также продолжила несколько крупных новых проектов электрификации постоянного тока. , пока в 1960-х годах не были разработаны локомотивы с двойным напряжением.

Основная причина, по которой электрификация на этом напряжении раньше не применялась, заключалась в недостаточной надежности ртутных выпрямителей, которые могли уместиться в поезде. Это, в свою очередь, связано с требованием использовать двигатели серии постоянного тока , что требует преобразования тока из переменного в постоянный, а для этого необходим выпрямитель . До начала 1950-х годов ртутно-дуговые выпрямители было трудно эксплуатировать даже в идеальных условиях, и поэтому они не подходили для использования в железнодорожных локомотивах.

Было возможно использовать электродвигатели переменного тока (и некоторые железные дороги использовали, с переменным успехом), но они имеют далеко не идеальные характеристики для тяговых целей. Это связано с тем, что управление скоростью затруднено без изменения частоты, и зависимость от напряжения для управления скоростью дает крутящий момент на любой заданной скорости, который не является идеальным. Вот почему двигатели серии постоянного тока являются лучшим выбором для тяговых целей, поскольку они могут управляться напряжением и имеют почти идеальную характеристику крутящего момента в зависимости от скорости.

В 1990-х годах в высокоскоростных поездах начали использовать более легкие, не требующие обслуживания трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. В N700 Shinkansen используется трехуровневый преобразователь для преобразования однофазного переменного тока 25 кВ в 1520 В переменного тока (через трансформатор) в 3000 В постоянного тока (через фазоуправляемый выпрямитель с тиристором) в трехфазный переменный ток максимум 2300 В (через трансформатор). переменное напряжение, преобразователь частоты с использованием БТИЗ с широтно-импульсной модуляцией ) для работы двигателей. Система работает в обратном направлении для рекуперативного торможения .

Выбор 25 кВ был связан с эффективностью передачи энергии в зависимости от напряжения и стоимости, а не с точным соотношением напряжения питания. Для заданного уровня мощности более высокое напряжение обеспечивает меньший ток и, как правило, лучшую эффективность при более высоких затратах на высоковольтное оборудование. Было обнаружено, что 25 кВ было оптимальной точкой, где более высокое напряжение все же улучшило бы эффективность, но не на значительную величину по сравнению с более высокими затратами, вызванными необходимостью в изоляторах большего размера и большим зазором от конструкций.

Во избежание коротких замыканий высокое напряжение необходимо защищать от влаги. Погодные явления, такие как « неправильный тип снега », в прошлом приводили к неудачам. Пример атмосферных причин произошел в декабре 2009 года, когда четыре поезда Eurostar сломались внутри туннеля под Ла-Маншем .

Распределение

Электроэнергия от генерирующей станции передается на сетевые подстанции по трехфазной системе распределения.

На сетевой подстанции понижающий трансформатор подключен к двум из трех фаз источника высокого напряжения. Трансформатор понижает напряжение до 25 кВ, которое подается на железнодорожную фидерную станцию, расположенную рядом с путями. SVC используются для балансировки нагрузки и управления напряжением.

В некоторых случаях к подстанциям с однофазными трансформаторами переменного тока были построены выделенные однофазные линии электропередач переменного тока. Такие линии были построены для снабжения французских ТЖВ .

Стандартизация

Электрификация железных дорог с использованием переменного тока 25 кВ , 50 Гц стала международным стандартом. Существует два основных стандарта, определяющих напряжения в системе:

  • EN 50163: 2004 + A1: 2007 — «Железнодорожные приложения. Напряжение питания тяговых систем».
  • IEC 60850 — «Железнодорожные приложения. Напряжение питания тяговых систем».

Допустимый диапазон разрешенных напряжений указан в вышеуказанных стандартах и ​​учитывает количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от подстанции.

Эта система в настоящее время является частью стандартов совместимости трансъевропейских железных дорог Европейского союза (1996/48 / EC «Функциональная совместимость трансъевропейской высокоскоростной железнодорожной системы» и 2001/16 / EC «Функциональная совместимость трансъевропейской системы обычных железных дорог». «).

Вариации

Были использованы системы, основанные на этом стандарте, но с некоторыми вариациями.

25 кВ переменного тока в 60 Гц

В странах, где 60 Гц является нормальной частотой сети, 25 кВ при 60 Гц используется для электрификации железных дорог.

  • В Аргентине на линии Рока (при ширине колеи 1676 мм или 5 футов 6 дюймов ).
  • В Канаде на линии Deux-Montagnes в Агентстве транспорта Монреаля митрополит .
  • В Японии линии Токайдо, Саньо и Кюсю Синкансэн ( длина 1435 мм или 4 фута 8 дюймов). 1 / 2 в калибровке).
  • В Южной Корее на Кораил .
  • На Тайване, на линии Тайваньской высокоскоростной железной дороги (расстояние 1435 мм или 4 фута 8 1 / 2 в калибровке) и железнодорожная администрация Тайваня электрифицированных линий «с ( использовании 1,067 мм или 3 фута 6 в калибровке).
  • В Соединенных Штатах, новые электрифицированные участки Северо-восточного коридора (т.е. сегмент Нью-Хейвен-Бостон) междугородних пассажирских линий, пригородных линий Транзита Нью-Джерси , пригородной железной дорогиДенвераRTD и отдельных отдельных коротких линий.

20 кВ переменного тока в 50/60 Гц

В Японии это используется на существующих железнодорожных линиях в регионах Тохоку , Хокурику , Хоккайдо и Кюсю , из которых Хокурику и Кюсю имеют частоту 60 Гц .

12,5 кВ переменного тока в 60 Гц

Некоторые линии в США были электрифицированы на 12,5 кВ 60 Гц или преобразованы с 11 кВ 25 Гц на 12,5 кВ 60 Гц . Использование 60 Гц обеспечивает прямое питание от электросети 60 Гц, но не требует большего расстояния между проводами для 25 кВ и 60 Гц или требует возможности двойного напряжения для поездов, также работающих на линиях 11 кВ 25 Гц . Примеры:

  • Metro-North Railroad «s New Haven Line из Pelham, Нью — Йорк в Нью — Хейвене, штат Коннектикут (Начиная с 1985 года, ранее 11 кВ 25 Гц).

12 кВ в 25 Гц

  • Береговая линия Северной Джерси компанииNew Jersey Transit от Матавана, штат Нью-Джерси, до Лонг-Бранч, штат Нью-Джерси (1988–2002 гг.; Изменено на 25 кВ, 60 Гц).
  • Amtrak

6,25 кВ переменного тока

В начале электрификации железной дороги переменным током 50 Гц в Соединенном Королевстве планировалось использовать участки 6,25 кВ переменного тока, где было ограниченное пространство под мостами и в туннелях. Подвижной состав был двухвольтным с автоматическим переключением между 25 кВ и 6,25 кВ . В кВ 6,25 участков были преобразованы в AC 25 кВ в результате научно — исследовательской работы , которая показала , что расстояние между живым и заземленным оборудованием может быть снижено по сравнению с первоначально думали, что это необходимо.

Исследование проводилось с использованием парового двигателя под мостом в Крю . Участок ВЛ-25 кВ постепенно приближался к заземленным металлоконструкциям моста, подвергаясь воздействию пара из дымовой трубы локомотива. Расстояние, на котором произошло перекрытие, было измерено, и оно использовалось в качестве основы для определения новых зазоров между воздушным оборудованием и конструкциями.

50 кВ переменного тока

Иногда 25 кВ удваивается до 50 кВ, чтобы получить большую мощность и увеличить расстояние между подстанциями. Такие линии обычно изолированы от других линий, чтобы избежать осложнений при перебеге. Примеры:

  • Sishen-Салдана железной руды железной дороги ( 50 Гц ).
  • Дезрает Железнодорожное питание , который был изолирован углем железной дорогой. ( 60 Гц )
  • Теперь закрытая железная дорога Блэк-Меса и озера Пауэлл, которая также была изолированной угольной железной дорогой ( 60 Гц ).
  • Сейчас закрытое подразделение Tumbler Ridge компании BC Rail ( 60 Гц ).

Источник

yelkz

Yelkz

. уютный фотобложек для фотовсячины

Заметки о железнодорожном транспорте: Об электрификации ЖД в СССР и видах токов в контактных сетях yelkz 13 апреля, 2018

Одной из особенностей железнодорожного транспорта в России является высокая доля электрифицированных дорог. По протяжённости электрифицированных магистралей на конец 2014-го года Россия занимает 1-е место в мире — 43,4 тыс. км (2-е место Китай — 38,5 тыс. км) — где-то около половины дорог общего пользования. Ну то что много магистралей электрифицировано — это в общем ни для кого не секрет, а вот то что в контактных сетях используется токи разного рода многие узнают с удивлением. Тем ни менее факт: в контактных сетях используется либо постоянный электрический ток номинальным напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты 50 Гц номинальным напряжением 25 кВ. Я об этом сам долгое время не задумывался — узнал когда получал третью группу электробезопасноти (работа в конторе связанной с РЖД как-то обязывала вникать и разбираться). Ну и в общем долгое время я этот факт («есть постояннка 3 кв, есть переменка 25 кВ/50 Гц») принимал как должное — «потому что так принято исторически». А некоторое время всё-таки в вопрос захотелось вникнуть и как-то разобраться — а почему собственно так.

Сразу хочу оговориться — очень глубоко к физику электропитания я копать не буду, ограничиваясь какими-то общими фразами и где-то специально утрируя. Мне иногда высказывают, что вот я упрощаю — а специалисты-то читают и понимаю, что там «всё не так». Это я в курсе, но специалисты то о чём я пишу думаю и так знают — и вряд ли для себя что-то новое почерпнут.

Итак, собственно начать следует с того, что впервые применение электричества в качестве источника энергии для тяги поездов было продемонстрировано на промышленной выставке в Берлине в 1879 году, где был представлен макет электрической железной дороги. По участку протяженностью менее 300 м со скоростью 7 км/ч двигался поезд, состоящий из локомотива мощностью 2,2 кВт и трех вагончиков, в каждом из которых могло разместиться до 6 пассажиров. Создателями нового вида тяги были знаменитый немецкий учёный, изобретатель и промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Werner von Siemens, 1816-1892) и инженер Хальске. К началу 20 века сомнений в эффективности электрической тяги не оставалось. В короткий срок в различных странах было реализовано несколько проектов электрификации жд. На первом этапе электрификация применялась в горных местностях на линиях с тяжелым профилем, с большим количеством тоннелей, а также на пригородных участках, т.е. на тех участках, где преимущества электрической тяги были очевидны.

Соответственно два главных направления применения электрификации: пригородное сообщение и горные магистрали. О пригородном сообщении (суть электропоездах) хочется рассказать отдельно, сейчас же надо заметить лишь, что как раз пригородное железнодорожное сообщение в плане электрификации явилось приоритетным в СССР (в Российской Империи этот проект довести до ума не успели — помешала первая мировая война и революция), в СССР же за это взялись с размахом (тут план ГОЭЛРО конечно очень поспособствовал) — электропоезда начали заменять пригородные поезда на паровой тяге.

В качестве системы электроснабжения была принята система постоянного тока с номинальным напряжением 1500 В. Система постоянного тока была выбрана потому, что при однофазном переменном токе требовались бы более тяжелые и дорогие моторные вагоны из-за необходимости постановки на них трансформаторов. Кроме того, тяговые двигатели постоянного тока имеют при прочих равных условиях более высокий вращающий момент и более приспособлены для пуска по сравнению с двигателями однофазного тока. Это особенно важно для моторных вагонов, работающих на пригородных участках с большим числом остановочных пунктов, где требуется высокое ускорение при трогании с места. Напряжение 1500 В было выбрано в связи с тем, что требуется значительно меньше меди для контактной сети по сравнению с системой 600-800 В (использовалось для электрификации трамваев-троллейбусов). Одновременно появилась возможность создать надежное электрооборудование моторного вагона, на что нельзя было в то время рассчитывать при напряжении 3000 В (первые линии пригородного сообщения, электрифицированные постоянным током 3000 В появились только в 1937 году, однако в дальнейшем на такое напряжение перевели все уже построенные линии).

Параллельно с развитием пригородного сообщения в 1932—1933 гг. электротяга была внедрена на магистральной железной дороге Хашури — Зестафони (63 км) на тяжёлом Сурамском перевале. Здесь, в отличие от Москвы и Баку, электротяга использовалась для грузовых и пассажирских перевозок. Впервые на железнодорожных линиях СССР стали работать электровозы (собственно по месту применения их так и стали называть «сурамские электровозы» или «или электровозы сурамского типа»):

Основной чертой всех электровозов сурамского типа явилось наличие переходных площадок по концам кузова, что по существовавшим в то время нормам было обязательным для всех электровозов с электрооборудованием для работы по СМЕ. Экипажная часть локомотива состоит из двух сочленённых трёхосных тележек (осевая формула 0- 3-0 + 0-3-0). Кузов вагонного типа с несущей главной рамой. Рессорное подвешивание выполнено преимущественно на листовых рессорах. Подвешивание тягового электродвигателя — опорно-осевое.

И вот тут надо сделать важное замечание. В противовес паровозам, двигателем которого является паровая машина, железнодорожный транспорт следующих поколений начал приводиться в действие электродвигателями: так называемые ТЭД-ы (тяговые электродвигатели) — для многих кстати неочевидно, что ТЭД-ы используются как в электровозах/электропоездах, так и в тепловозах (последние просто питают ТЭД-ы размещенным в локомотиве дизель-генератором). Так вот на заре электрификации ЖД использовались ТЭД-ы исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянный.

Читайте также:  Выпрямитель тока 380 вольт

Но использование контактной сети постоянного тока создавало другую проблему — большой расход меди в контактной сети (по сравнению с переменным током), ибо для передачи большой мощности (мощность равна произведению тока на напряжение) при постоянном напряжении напряжении нужно обеспечить большую силу тока, ну то есть нужно больше провода и большего сечения (напряжение неизменно — надо понижать сопротивление).

Ещё в конце 1920-х гг., когда только начинали электрифицировать Сурамский перевал, многие специалисты хорошо понимали, что в будущем электрическая тяга на постоянном токе с номинальным напряжением 3 кВ не позволит рационально решить вопрос увеличения провозной способности линий путём повышения веса поездов и скорости их движения. Простейшие расчёты показывали, что при ведении поезда массой 10 000 т на подъёме 10 ‰ при скорости 50 км/ч тяговый ток электровозов будет составлять более 6000 А. Это требовало бы увеличения сечения контактных проводов, а также более частого расположения тяговых подстанций. После сравнения около двухсот вариантов сочетаний рода тока и величин напряжений было принято решение, что оптимальным вариантом является электрификация на постоянном или переменном (50 Гц) токе напряжением 20 кВ. Первая система на тот момент в мире нигде не была испытана, а вторая была хоть и очень мало, но изучена. Поэтому на первой Всесоюзной конференции по электрификации железных дорог было принято решение о сооружении опытного участка, электрифицированного на переменном токе (50 Гц) напряжением 20 кВ. Требовалось создать электровоз для испытаний, которые бы позволили выявить преимущества и недостатки электровозов переменного тока в условиях нормальной эксплуатации.

В 1938-м году был создан электровоз ОР22 (однофазный с ртутным выпрямителем, 22 — нагрузка от колёсных пар на рельсы, в тоннах). Принципиальная схема электровоза (трансформатор—выпрямитель—ТЭД, то есть с регулированием напряжения на низкой стороне) оказалась настолько удачной, что её стали использовать при проектировании подавляющего большинства советских электровозов переменного тока. На этой модели было опробовано ещё множество других идей, нашедших потом воплощение в более поздних проектах, но к сожалению дальше вмешалась война. Экспериментальная машина была разобрана, её выпрямитель использован на тяговой подстанции постоянного тока. А к идеям электровозов переменного тока вернулись только в 1954-м году с серией НО (или ВЛ61) уже на Новочеркасском электровозостроительном заводе.

Первым на переменном токе (напряжением 20 кВ) был электрифицирован опытный участок Ожерелье — Михайлов — Павелец в 1955—1956 гг. После проведения испытаний было решено увеличить напряжение до 25 кВ. Результаты эксплуатации опытного участка электрической тяги на переменном токе Ожерелье — Павелец Московской железной дороги позволили рекомендовать эту систему переменного тока к широкому внедрению на железных дорогах СССР (постановление Совета Министров СССР № 1106 от 3 октября 1958 г.). С 1959 года переменный ток напряжением 25 кВ начал внедряться на длинных участках, где требовалась электрификация, но поблизости не было полигонов постоянного тока.

В 1950—1955 гг. началось первое, ещё осторожное расширение полигона электрификации. Начался переход с напряжения 1500 В на 3000 В на всех пригородных узлах, дальнейшее развитие пригородных узлов, удлинение электрифицированных линий до соседних областных центров с внедрением электролокомотивной тяги для пассажирских и грузовых поездов. «Островки» электрификации появились в Риге, в Куйбышеве, в Западной Сибири, Киеве. С 1956 года (которой ознаменовал собой конец эпохи паровозов) начался новый этап массовой электрификации железных дорог СССР, который стремительно вывел электротягу и тепловозную тягу с 15 % доли в перевозках в 1955 году до 85 % доли в 1965 году. Массовая электрификация шла преимущественно на уже хорошо себя зарекомендовавшем постоянном токе напряжением 3000 В, хотя где-то уже начинал вводиться и переменный токе частоты 50 Гц напряжением 25 кВ. Параллельно с развитием сети линий на переменном токе велась разработка подвижного состава переменного тока. Так, первые электропоезда переменного тока ЭР7 и ЭР9 начали работу в 1962 г., а для Красноярской железной дороги в 1959 г. были приобретены французские электровозы типа Ф, так как производство советских электровозов переменного тока (ВЛ60 и ВЛ80) задерживалось.

В общем постоянным током были электрифицированы линии, вводимые в эксплуатацию раньше — более поздние линии электрифицировались уже переменным током. Также в 90-е/2000-е произошёл масштабный перевод ряда линий с постоянного тока на переменный. Споры о преимуществах систем не прекратились до сих пор. На заре внедрения переменного тока считалось, что эта система электропитания более экономичная, но сейчас однозначного решения нет:
— подвижной состав постоянного тока в полтора раза дешевле
— удельный расход у ЭПС на холмистом профиле, типичном для большей части нашей страны на 30% ниже.
Так или иначе, новые линии электрификации сейчас строятся только на переменном токе, а также некоторые старые переводятся с постоянного на переменный ток. Единственный в истории электрификации советских и российских железных дорог случай перевода участка с переменного тока на постоянный произошёл в 1989 году на Павелецком направлении Московской железной дороги. После электрификации на постоянном токе участка Рыбное — Узуново участок Ожерелье — Узуново (та самая исторически первая магистраль переменного тока) с переменного тока переведён на постоянный ток:

К слову сказать, сейчас есть тенденция к внедрению более надежных и экономичных асинхронных ТЭД-ов (на локомотивах нового поколения ЭП20, ЭС10, 2ТЭ25А ставятся именно они). Так что в сильно отдаленном будущем по причине перехода на такие ТЭД-ы от постоянного тока можно будет отказаться совсем. Пока что же отлично используются оба рода тока:

Осталось прояснить последний вопрос. Разнообразие систем электроснабжения вызвало появление пунктов стыкования (систем тока, напряжений, частоты тока). При этом возникло несколько вариантов решения вопроса организации движения через такие пункты. Выявились три основные направления:
1) Оборудование станции стыкования переключателями, позволяющими подавать на отдельные участки контактной сети тот или иной род тока. Например, поезд прибывает с электровозом постоянного тока, затем этот электровоз отцепляется и уезжает в оборотное депо или тупик для отстоя локомотивов. Контактную сеть на этом пути переключают на переменный ток, сюда заезжает электровоз переменного тока и ведет поезд далее. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива и связанных с этим дополнительных материальных, организационных и временны́х затрат. При этом значительное время занимает не столько смена электровоза, сколько опробование тормозов

2) 2. Использование многосистемного подвижного состава (в данном случае — двухсистемного — хотя в Европе например бывают и четырёхсистемные локомотив). При этом стыкование по контактной сети может делаеться за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Применение двухсистемных пассажирских электровозов сокращает время следования пассажирских поездов, и не требует сменять локомотив. Но стоимость таких электровозов выше. Дороже такие электровозы и в эксплуатации. Кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса).

3) Применение тепловозной вставки — оставление между участками с разными системами электроснабжения небольшого тягового плеча, обслуживаемого тепловозами. На практике применяется на участке Кострома — Галич протяженностью 126 км: в Костроме постоянный ток (=3 кВ), в Галиче — переменный (

25 кВ). Транзитом курсируют поезда Москва—Хабаровск и Москва—Шарья, а также Самара—Кинель—Оренбург (прицепка тепловоза к пассажирским поездам происходит в Самаре, а к грузовым — в Кинеле). В Самаре и в Кинеле постоянный ток (=3 кВ), в Оренбурге — переменный (

25 кВ), транзитом проходят поезда на Орск, Алма-Ату, Бишкек. При таком способе «стыкования» значительно ухудшаются условия эксплуатации линии: вдвое удлиняется время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.

На практике же у нас в основном встречается первый способ — со станциями стыкования родов тяги. Скажем если я еду из Саратова в Москву такой станцией будет Узуново, если в Санкт-Петербург — Рязань-2, если в Самару — Сызрань-1, ну а если в Сочи или Адлер — Горячий Ключ (всегда кстати удивлялся тому факту, что в Сочи до сих пор используется постоянный ток, хотя все Северо-Кавказские ЖД на переменке — но говорят там надо чтоб на переменку перевести туннели где-то расширять, есть в общем проблемы).

А вообще могу ещё порекомендовать отличную карту-схема с где обозначена электрификация железных дорог России и Европы. Очень я люблю в эту карту позалипать:
>>> смотреть

Источник