Новости звезд
Напряжение в контактной сети ржд. История электрификации железных дорог
2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы.
2.1 Краткая история и современное состояние электрификации железных дорог.
2.1.1 История электрической тяги.
Первая ЭЖД демонстрировалась в 1879г фирмой «Сименс» в Берлине на промышленной выставке. Электровоз мощностью 2,2 кВт возил три вагона с 18 пассажирами. В Петербурге в 1880г выполнялись опытные поездки 40 местного вагона с электродвигателем 3 кВт. В 1881г первая трамвайная линия начала работать в Берлине. В России первый трамвай пущен в 1892г. Первый участок железной дороги с электровозным движением был открыт в США в 1895г.
2.1.2 Основные этапы электрификации железных дорог в России. Планы электрификации.
Электрификация железных дорог России была намечена Государственным планом электрификации (ГОЭЛРО) в 1920г. Первая электрическая железная дорога на постоянном токе напряжением 3 кВ Баку – Сабунчи была пущена в 1926 г. В 1932г первые электровозы пошли через Сурамский перевал на Кавказе. К 1941г было электрифицировано1865 км. В годы Великой отечественной войны 1941 – 1945г электрификация железных дорог продолжалась: участки Челябинск – Златоуст, Пермь – Чусовская и др. Электрифицированный участок Мурманск – Кандалакша работал устойчиво при фронтовой зоне.
Генеральный план электрификации железных дорог СССР был принят в 1956г. С этого года значительно увеличились темпы ввода электрической тяги.
Темпы электрификации по СССР составляли:
|
Километры |
|
На начало 1991 г электрифицировано 55,2 тыс. км. Из 147500км железных дорог СССР это составляло 37,4%. Объём перевозок на электрических железных дорогах составлял 65%. Таким образом, электрифицировано 1/3 железных дорог, а на них перевозится 2/3 грузов. Электрифицировались, как правило, самые грузонапряжённые направления. Такое соотношение электрификации ЖД и перевозимых грузов говорит о значительной эффективности электрификации ЖД.
Протяжённости электрифицированных железных дорог по годам:
|
Всего, тыс. км |
На переменном токе, тыс. км |
Протяжённость, в % от общей длины |
|
|
По России | |||
|
Планы электрификации | |||
На электрической тяге работают такие направления железных дорог:
Выборг – Санкт-Петербург – Москва – Ростов на Дону – Тбилиси – Ереван, Баку – 3642 км.
Москва - Киев – Львов – Чоп – 1765 км.
Москва – Самара – Уфа – Целиноград – Чу – 3855км.
Брест – Минск –Москва – Свердловск – Омск – Иркутск – Чита – Хабаровск - Владивосток – 10000 км. В 2002г закончена электрификация Трансиба.
Уфа – Челябинск – Омск – Иртышская – Алтайская – Абакан – Тайшет – Северобайкальск – Таксимо
До 1956г электрификация железных дорог производилась исключительно на постоянном токе, сначала напряжением 1,5 кВ, затем – 3 кВ. В 1956г был электрифицирован первый участок на переменном токе с напряжением 25 кВ (участок Ожерелье – Павелец Московской дороги).
Начат этап перевода электрической тяги постоянного тока напряжением 3 кВ на переменный ток напряжением 25 кВ.
В ноябре 1995г впервые в мировой практике был осуществлён перевод магистрального участка железной дороги Зима – Слюдянка протяжённостью 434 км с постоянного тока напряжением 3 кВ на переменный ток напряжением 25 кВ. При этом были ликвидированы две станции стыкования. Это позволило повысить вес грузовых поездов. Создана единая непрерывная магистраль Мариинск – Хабаровск протяжённостью 4812 км и 2002г до Владивостока, электрифицированная по системе электроснабжения переменного тока 25 кВ. В октябре 2000г переведён на переменный ток участок Лоухи – Мурманск с ветвями (490) км Октябрьской железной дороги.
Статистическая информация по электрификации железных дорог России:
по протяжённости: тепловозная тяга – 53,2%, электрическая тяга – 46,8%;
по объёмам перевозок: тепловозная тяга – 22,3%, электрическая тяга 77,7%;
по родам тока: постоянного тока напряжением 3 кВ – 46,7%, переменного тока напряжением 25 кВ – 53,35%;
Доля электрифицированных железных дорог России в мире:
по протяжённости от общей сети железных дорог мира: Россия – 9%, другие страны мира – 91%;
по протяжённости электрифицированных железных дорог: Россия – 16,9%, другие страны мира – 83,1%.
Программу электрификации железных дорог и переключения грузопотоков с тепловозных на электрифицированные хода предусматривает в период с 2001 – 2010гг электрификацию 7640 км и перевода примерно 1000 км ЖД линий с постоянного тока на переменный. При этом 90% новой электрификации проводится на переменном токе и лишь отдельные ответвления на постоянном токе. К 2010 г Россия будет иметь 49,1 тыс. км электрифицированных линий. Это составит 56,7% общей протяжённости железнодорожной сети при выполнении на ней 81,2% всего объёма перевозок. Россия попадёт в область наиболее оптимального использования электрической тяги
Внедрение электрической тяги имеет на следующие этапы:
1.Электрификация пригородных участков на постоянном токе напряжением 1,5 кВ;
2.Электрификация магистральных участков железной дороги напряжением 3 кВ и перевод на напряжение 3 кВ пригородных участков.
3.Внедрение переменного тока с напряжением 25 кВ наряду с расширением полигона постоянного тока напряжением 3 кВ. Разработана надёжная система стыкования двух родов тока секционированием контактной сети.
4.Внедрение трёхпроводной автотрансформаторной системы электроснабжения повышенного напряжения 2х25 кВ и сокращение электрификации на постоянном токе 3 кВ.
5.Перевод участков постоянного тока на переменный ток.
В последней четверти XIX в. обозначились контуры новых направлений локомотивостроения - электровозо- и тепловозостроение.
На возможность применения электрической тяги на железных дорогах указывал еще в 1874 г. в заявке на привилегию русский специалист Ф. А. Пироцкий. В 1875-1876 гг. он проводил опыты на Сестрорецкой железной дороге по передаче электроэнергии по изолированным от земли рельсам. Передача осуществлялась на расстояние около 1 км. В качестве обратного провода был использован второй рельс. Элоктроэнергия передавалась маленькому двигателю. В августе 1876 г. Ф. А. Пироцкий поместил в «Инженерном журнале» статью с результатами своих работ. Эти опыты навели его на мысль использовать электроэнергию для вагонеток, движущихся по металлическим рельсам.
Практическая реализация идеи использования электрической энергии на транспорте принадлежит Вернеру Сименсу (Германия), построившему первую электрическую железную дорогу, экспонировавшуюся на Берлинской промышленной выставке в 1879 г.Она представляла маленькую узкоколейную дорогу, предназначавшуюся для прогулок посетителей выставки. Короткий поезд из открытых вагончиков приводился в движение электровозом с двумя моторами, которые получали постоянный ток напряжением 150 В от железной полосы, уложенной между рельсами. Обратным проводом служил один из ходовых рельсов.
В 1881 г. В. Сименс построил пробный участок электрической дороги в пригороде Берлина Лихтерфельде, впервые применив мотор-вагон. Ток напряжением 180 В подводился к одному из ходовых рельсов, а другой рельс служил обратным проводом.
Во избежание больших потерь электроэнергии, которые возникали из-за плохой изолирующей способности деревянных шпал, В. Сименс решил изменить электрическую схему питания электродвигателя. Для этого на электрической дороге, построенной в том же 1881 г. на Всемирной Парижской выставке, был применен подвесной рабочий провод. Он представлял железную трубку, подвешенную над рельсами. Нижняя часть трубки была снабжена продольным прорезом. Внутри трубки ходил челночок, соединенный через прорез с гибким проводом, который прикреплялся к крыше локомотива и передавал электрический ток электродвигателю. Такая же трубка, подвешенная рядом с первой, служила обратным проводом. Подобная система была применена на построенных в 1883- 1884 гг. пригородных трамваях Мёдлинг - Фордербрюль в Австрии и Франкфурт - Оффенбах в Германии, работавших при напряжении 350 В.
Примерно в это же время в Кинреше (Ирландия) на трамвайной линии была применена проводка тока по третьему рельсу, который устанавливали на изоляторах рядом с ходовыми рельсами. Однако эта система оказалась совершенно неприемлемой в условиях города, мешая движению экипажей и пешеходов.
Интересно отметить, что техническую обреченность такой системы подачи электрического тока мотору предвидел ранее Ф. А. Пироцкий, который писал в 1880 г. в газете «С.-Петербургские ведомости»: «Построенная мною электрическая железная дорога есть простейшая и дешевейшая. Она не требует затрат на среднюю рельсовую линию, напрасно увеличивающую стоимость дороги на 5% и прекращающую экипажное движение в городе. Она не требует затрат и на чугунные столбы, стоящие чрезмерно дорого».
Это письмо было опубликовано Пироцким в связи с появившимися в печати сообщениями о результатах проведенных им 3 сентября 1880 г. в Петербурге испытаний электрического трамвая. В это время Ф. А. Пироцкий усиленно занимался реализацией своих проектов, связанных с созданием надежного городского электрического транспорта. Он понимал, что развитие магистрального железнодорожного электрического транспорта невозможно без решения коренной проблемы электротехники - осуществления передачи электроэнергии на дальние расстояния. Учитывая это, Ф. А. Пироцкий сконцентрировал свое внимание на опытах электродвижения вагона, принятого на городских конно-железных дорогах. В результате ему удалось в 1880 г. впервые осуществить движение по рельсам настоящего двухъярусного моторного вагона. Результаты своей работы Ф. А. Пироцкий представил в 1881 г. на Международную электрическую выставку в Париже, где экспонировал свою схему электрической железной дороги.
В 1884 г. в Брайтоне (Англия) была построена по схеме Пироцкого электрическая железная дорога с питанием от одного из рельсов протяженностью 7 верст. Эксплуатация только одного вагона дала чистой прибыли, по сравнению с конной тягой 420 франков в день.
С середины 80-х годов XIX в. развитием электрической тяги на железных дорогах начинают усиленно заниматься американские инженеры и предприниматели, которые энергично принялись за усовершенствование электрических локомобилей, а также способов подводки тока.
Над проблемой электрического железнодорожного транспорта работал в США Т. А. Эдисон, построивший за период с 1880 по 1884 г. три небольшие опытные линии. В 1880 г. он создает электровоз, который по своему внешнему виду напоминал паровоз. Электровоз питался электрическим током от путевых рельсов, один из которых был подключен к положительному, а другой к отрицательному полюсу генератора. В 1883 г. Т. А. Эдисон совместно с С. Д. Филдом построил более совершенный электровоз («The Judge»), экспонировавшийся на выставке в Чикаго и позже в Луизвилле.
К 1883 г. относятся работы американского инженера Л. Дафта, создавшего первый магистральный электровоз («Атрёг») для стандартной колеи, предназначенный для железной дороги Саратога-Мак-Грегор. В 1885 г. Дафт построил улучшенную модель электровоза для Нью-Йоркской эстакадной железной дороги. Локомотив, названный «Benjamin Franklin», весил 10 т, имел длину более 4 м и был снабжен четырьмя ведущими колесами. Электрический ток напряжением 250 В подавался по третьему рельсу к мотору мощностью 125 л. с, который мог тянуть состав из восьми вагонов со скоростью 10 миль в час (16 км/ч).
В 1884 г. швейцарский инженер Р. Тори построил экспериментальную железную дорогу с зубчатым зацеплением, соединив с ее помощью находящуюся на горном склоне гостиницу с местечком Терри (недалеко от Монтре на Женевском озере). Локомотив имел четыре ведущих колеса и перемещался по весьма крутому наклону (1: 33). Его мощность была небольшой и позволяла перевозить одновременно четырех пассажиров. На спуске в процессе торможения мотор работал как генератор, возвращая электрическую энергию в сеть.
В течение ряда лет инженерная мысль неустанно работала над совершенствованием техники подачи тока к электровозу.
В 1884 г. в Кливленде Бентли и Найт построили трамвай с подземным проводом. Аналогичная система была введена в 1889 г. в Будапеште. Этот способ электропитания оказался неудобным в эксплуатации, так как желоб быстро загрязнялся.
В конце 1884 г. в Канзас-Сити (США) Генри испытал систему с медными воздушными проводами, из которых один был прямой, другой - обратный.
К 1885 г. относится постройка бельгийским специалистом Ван-Депулем в Торонто (Канада) первого трамвая с одним воздушным рабочим проводом. В его схеме обратным проводом служили ходовые рельсы. Вдоль линии сооружали столбы с консолями, к которым прикрепляли изоляторы с рабочим проводом. Контакт с рабочим проводом осуществлялся с помощью металлического ролика, насаженного на штангу трамвая, который во время движения «катился» по проводу.
Эта система подвески оказалась очень рациональной, после дальнейшего совершенствования была принята во многих других странах и вскоре получила всеобщее распространение. К 1890 г. в США находилось в эксплуатации около 2500 км электрических дорог трамвайного типа, а к 1897 г. 25 тыс. км. Электрический трамвай стал вытеснять старые виды городского транспорта.
В 1890 г. воздушный провод появился впервые в Европе на трамвайной линии в Галле (Пруссия). С 1893 г. электрические железные дороги в в Европе развиваются ускоренными темпами, в результате чего уже к 1900 г. их протяженность достигла 10 тыс. км.
В 1890 г. электрическая тяга была применена на выстроенной подземной лондонской дороге. Электрический ток напряжением 500 В подавался на электродвигатель с помощью третьего рельса. Эта система оказалась очень удачной для дорог с самостоятельным полотном и начала быстро распространяться в других странах. Одно из ее достоинств - возможность электрификации дорог с очень большим расходом электроэнергии, к которым относились метрополитены и магистральные железные дороги.
В 1896 г. электрическая тяга с использованием токоведущего третьего рельса была впервые введена на участке железнодорожной магистрали Балтимор-Охай. Электрификация коснулась отрезка дороги на подходе к Балтимору длиной 7 км. На этом участке пути был проложен 2,5-километровый тоннель, побудивший строителей электрифицировать его. Электровозы, работавшие на этом участке, получали электрическую энергию от третьего рельса при напряжении 600 В.
Первые электрифицированные железные дороги по своей протяженности были небольшими. Строительство железных дорог большой протяженности наталкивалось на трудности, связанные с большими потерями энергии, которые вызывает передача постоянного тока на длительные расстояния. С появлением в 80-х годах трансформаторов переменного тока, дающих возможность передавать ток на большие расстояния, они были введены в схемы питания электроэнергией железнодорожных магистралей.
С введением трансформаторов в системе энергоснабжения образовалась так называемая «система трехфазно-постоянного тока», или, иначе, «система постоянного тока с трехфазной передачей силы». Центральная электрическая станция вырабатывала трехфазный ток. Он трансформировался на высокое напряжение (от 5 до 15 тыс. В, а в 20-х годах - до 120 тыс. В), которое подавалось к соответствующим участкам линии. На каждом из них имелась своя понижающая подстанция, от которой переменный ток направлялся к электромотору переменного тока, насаженному на один вал с генератором постоянного тока. От него питался электроэнергией рабочий провод. В 1898 г. значительная по протяженности железная дорога с самостоятельным полотном и с трехфазной системой тока была сооружена в Швейцарии и соединяла Фрейбург-Муртен-Инс. Вслед за ней последовала электрификация и ряда других участков железнодорожных магистралей и метрополитенов.
К 1905 г. электрическая тяга полностью вытеснила паровую на подземных дорогах.
Шухардин С. "Техника в её историческом развитии"
С развитием промышленности и сельского хозяйства страны увеличивается количество грузов, которое необходимо перевозить из одного района страны в другой, а это предъявляет требования к железнодорожному транспорту по увеличению провозной и пропускной способности железных дорог. В нашей стране более половины всего грузооборота освоено электрической тягой.
В царской России электрических железных дорог не было. Электрификация основных магистралей была намечена в первые годы Советской власти при организации планового хозяйства страны.
В разработанном в 1920 г. плане ГОЭЛРО было уделено внимание увеличению провозной и пропускной способности железных дорог за счет перевода их на электрическую тягу. В 1926 г. была электрифицирована линия Баку-Сураханы протяженностью 19 км при напряжении в контактной сети 1200 В постоянного тока. В 1929 г. переведен на электрическую тягу пригородный участок Москва - Мытищи протяженностью 17,7 км с напряжением в контактной сети 1500 В. В 1932 г. был электрифицирован первый магистральный участок Хашури - Зестафонн на Сурамском перевале Кавказа протяженностью 63 км с напряжением 3000 В постоянного тока. После этого началась электрификация отдельных наиболее тяжелых по климатическим условиям, наиболее грузонапряженных участков и линий с тяжелым профилем.
К началу Великой Отечественной войны были переведены наиболее тяжелые участки на Кавказе, Урале, Украине, в Сибири, Заполярье и в пригородах Москвы общей протяженностью около 1900 км. В период войны были электрифицированы линии на Урале, в пригородах Москвы и Куйбышева общей протяженностью около 500 км.
После войны пришлось восстанавливать участки электрифицированных железных дорог в западной части страны, находившихся на территории, временно оккупированной врагом. Кроме того, необходимо было переводить на электрическую тягу новые тяжелые участки железных дорог. Пригородные участки, электрифицированные ранее на напряжение 1500 В в контактном проводе, были переведены на напряжение 3000 В. Начиная с 1950 г., от электрификации отдельных участков перешли к переводу на электрическую тягу целых грузонапряженных направлений и были начаты работы на линиях Москва-Иркутск, Москва-Харьков и т. д.
Увеличение потока народнохозяйственных грузов и рост пассажирских перевозок требуют более мощных локомотивов и увеличения числа поездов. При напряжении в контактной сети 3000 В потребляемые токи мощными электровозами при значительном их количестве в зоне питания от тяговых подстанций вызывали большие потери энергии. Для уменьшения потерь приходится ближе ставить тяговые подстанции одна к другой и увеличивать сечение проводов контактной сети, но это повышает стоимость системы энергоснабжения. Уменьшить потери энергии можно, уменьшив проходящие по проводам контактной сети токи, а чтобы мощность осталась прежней, необходимо увеличить напряжение. Этот принцип использован в системе электрической тяги переменного однофазного тока промышленной частоты 50 Гц при напряжении в контактной сети 25 кВ.
Потребляемые электроподвижкым составом (электровозами и электропоездами) токи при этом значительно меньше, чем при системе постоянного тока, что позволяет уменьшить сечение проводов контактной сети и увеличить расстояния между тяговыми подстанциями. Эту систему в нашей стране начали исследовать еще до Великой Отечественной войны. Затем во время войны пришлось исследования прекратить. В 1955-1956 гг. по результатам послевоенных разработок был электрифицирован по этой системе опытный участок Ожерелье-Павелец Московской дороги. В дальнейшем эту систему начали широко внедрять на железных дорогах нашей страны наряду с системой электрической тяги на постоянном токе. К началу 1977 г. электрифицированные магистрали в СССР протянулись на расстояние около 40 тыс. км, что составляет 28% длины всех железных дорог страны. Из них порядка 25 тыс. км на постоянном и 15 тыс. км - на переменном токе.
Работают на электрической тяге железные дороги от Москвы до Карымской протяженностью свыше 6300 км, от Ленинграда до Еревана - около 3,5 тыс. км, Москва-Свердловск - свыше 2 тыс. км, Москва-Воронеж-Ростов, Москва-Киев-Чоп, линии, связывающие Донбасс с Поволжьем и с западной частью Украины и т. д. Кроме того, на электрическую тягу переведено пригородное движение всех крупных промышленных и культурных центров.
По темпам электрификации, протяженности линий, объему перевозок и грузообороту наша страна оставила далеко позади все страны мира.
Интенсивная электрификация железных дорог вызвана ее большими технико-экономическими преимуществами. По сравнению с паровозом или при том же весе и габаритах может иметь значительно большую мощность, так как он не имеет первичного двигателя (паровой машины или дизеля). Поэтому электровоз обеспечивает работу с поездами с значительно большими скоростями и, следовательно, повышает пропускную и провозную способность железных дорог. Использование управления несколькими электровозами с одного поста (система многих единиц) позволяет увеличить эти показатели в еще большей степени. Более высокие скорости движения обеспечивают ускорение доставки грузов и пассажиров к месту назначения и приносят дополнительный экономический эффект для народного хозяйства.
Электрическая тяга имеет более высокий к. п. д. по сравнению с тепловозной и особенно с паровой тягой. Средний эксплуатационный к. п. д. паровой тяги составляет 3-4%, тепловозной - около 21 % (при 30-процентном использовании мощности дизеля), а электрической тяги - около 24%.
При питании электровоза от старых тепловых электростанций к. п. д. электрической тяги составляет 16-19% (при к. п. д. самого электровоза порядка 85%). Такой низкий к. п. д. системы при высоком к. п. д. электровоза получается вследствие больших потерь энергии в топках, котлах и турбинах электрических станций, к. п. д. которых составляет 25-26%.
Современные электрические станции с мощными и экономичными агрегатами работают с к. п. д. до 40%, и к. п.д. электрической тяги при получении энергии от них составляет 25-30%. Наиболее экономична работа электровозов и электропоездов при питании линии от гидростанции. При этом к. п. д. электрической тяги составляет 60-62%.
Нужно отметить, что паровозы и тепловозы работают на дорогом и высококалорийном топливе. Тепловые электрические станции могут работать на более низких сортах топлива - буром угле, торфе, сланцах, а также использовать природный газ. Эффективность электрической тяги возрастает также при питании участков от атомных электрических станций.
Электровозы более надежны в эксплуатации, требуют меньших затрат на осмотры и ремонты оборудования и позволяют поднять производительность труда на 16-17% по сравнению с тепловозной тягой.
Только электрическая тяга обладает свойствами перерабатывать запасенную в поезде механическую энергию в электрическую и отдавать ее при рекуперативном торможении в контактную сеть для использования ее другими электровозами или моторными вагонами, работающими в этот период в режиме тяги. При отсутствии потребителей энергию можно передать в энергосистему. За счет рекуперации энергии удается получить большой экономический эффект. Так, в 1976 г. за счет рекуперации было возвращено в сеть около 1,7 млрд. кВт-ч электроэнергии. Рекуперативное торможение позволяет повысить уровень безопасности движения поездов, уменьшить износ тормозных колодок и бандажей колес.
Все это дает возможность снизить себестоимость перевозок и сделать процесс перевозки грузов более эффективным.
За счет технической реконструкции тяги на железнодорожном транспорте сэкономлено примерно 1,7 млрд, тонн топлива, а эксплуатационные расходы уменьшились на 28 млрд. руб. Если предположить, что до сих пор на наших магистралях работали бы паровозы, то, например, в 1974 г. потребовалось бы в их топках израсходовать треть добываемого в стране каменного угля.
Электрификация железных дорог России способствует прогрессу народного хозяйства прилегающих районов, так как от тяговых подстанций получают питание промышленные предприятия, колхозы, совхозы и закрываются малоэффективные неэкономичные местные дизельные электростанции. Ежегодно свыше 17 млрд. кВт-ч энергии идет через тяговые подстанции для питания нетяговых потребителей.
При электрической тяге повышается производительность труда. Если при тепловозной тяге производительность труда возрастает в 2,5 раза по сравнению с паровой, то при электрической - в 3 раза. Себестоимость перевозок на электрифицированных линиях на 10-15% ниже, чем при тепловозной тяге.
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. Вследствие случайного расположения поездов неизбежны случайные сочетания нагрузок (например, пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом), которые могут существенным образом повлиять на режимы работы системы тягового электроснабжения.
Наряду с этим поезда, удаляющиеся от тяговой подстанции, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что влияет на скорость движения поезда и, как следствие, на пропускную способность участка.
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. Отсюда следует, что в системах тягового электроснабжения весьма важным является поддержание заданного уровня напряжения в любой точке тяговой сети.
Питание электрифицированного участка железной дороги осуществляется от энергосистемы конкретного региона. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.
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.
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
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.
Протяженность электрифицированных железных дорог России на 1 января 2005 г. составила 42,6 тыс. км.
Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ
Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.
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».
Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ
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 можно назвать следующие:
Вследствие низкого напряжения в тяговой сети токовыми нагрузками и большими потерями электроэнергии (полный коэффициент полезного действия (КПД) системы электрической тяги постоянного тока оценивается равным 22 %);
При больших токовых нагрузках 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, а также возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети;
Система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов при разгоне (для пригородного движения они составляют примерно 12 % от общего расхода электрической энергии на тягу поездов);
При электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт- ной сети;
Применявшиеся до последнего времени на тяговых подстанциях шестипульсовые выпрямители имели низкий коэффициент мощности (0,88 ÷ 0,92) и вследствие несинусоидальности кривой потребляемого тока являлись причиной ухудшения показателей качества электрической энергии (особенно на шинах 10 кВ).
На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. В случае распределенного питания все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается.
Существует требование, чтобы в случаях выхода из работы одного агрегата обеспечивались нормальные размеры движения. В первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты, а во второй - сознательный отказ от резервирования оборудования подстанций по узлам и переход к резервированию подстанций целиком.
Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км.
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. Заметим, что под располагаемой мощностью трансформатора, работающего в несимметричном режиме, понимается мощность, соответствующая току прямой последовательности при такой нагрузке, когда ток в одной из фаз трансформатора принимает значение номинального;
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.
Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока с напряжением в тяговой сети 25 кВ, частотой 50 Гц, на 1 января 2005 г. составила 24,0 тыс. км.
Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного 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.
Рассмотрим принципиальные схемы питания при системах электрической тяги постоянного (рис. 1.6) и переменного (рис. 1.7) тока.
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. 1.6 и 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. 1.6. Принципиальная схема питания железной дороги постоянного тока
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.
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 (выключателей) за счет промежуточных подстанций, не имеющих таких выключателей. При повреждениях на этих подстанциях быстродействующей защитой отключаются линии на опорных подстанциях, а в бестоковую паузу - на промежуточных. Неповрежденные подстанции включаются системой автоматического повторного включения.
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.
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 л и справа п (см. рис. 1.9), то можно записать:
Ac = ba + л; (1.1)
Ba = cb + п; (1.2)
Cb = ac - л - п; (1.3)
Ac + ba + cb = 0. (1.4)
Из уравнения (1.4) следует:
Ba = - ac - cb . (1.5)
Выражение (1.5) подставим в уравнение (1.1):
Ac = - ac - cb + л. (1.6)
Подставив формулу (1.3) в выражение (1.6), получим:
Ac = - ac - ac + л + п + л;
3 ac = 2 л + п;
Ac = л + п. (1.7)
Подставив формулу (1.7) в выражение (1.3), получим:
Cb = л + п - л - п;
Cb = - л - п. (1.8)
Подставив формулу (1.8) в выражение (1.2) получим:
Cb = - л - п + п;
Ba = - л + п. (1.9)
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 л и 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 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 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 л разделяется между этими генерирующими напряжение ac обмотками в соотношении 2:1. Аналогичным образом делится ток 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 л и п. Отложив на векторе I л величину, равную его длины, на векторе I п его длины, найдем 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 a .
Аналогично ток в обмотке «cz» складывается из п и - л. Сложив их, получим ток c . Соответственно c = C .
Нагрузка в обмотке «by» составляется из суммы - л и п. Сложив векторы, получим нагрузку третьей наименее нагруженной фазы b = 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 А, В, С между током I А, I В, I С и напряжением U А, U В, U С. Заметим, что А > Л, а С < П, т. е. углы сдвига А и С для двух наиболее загруженных фаз оказываются разными (даже для Л = 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.
Схемы подключения группы тяговых подстанций 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 (рис.1.11). 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 ас > 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 cb < 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
Рис. 1.13. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 2
Рис. 1.14. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 3
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. Эти вопросы будут рассмотрены особо.
Трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока
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.
Более подробно предоставленная система электроснабжения рассмотрена в работах .
Схемы питания контактной сети
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.
О первых возможностях оснащения железной дороги электротягой заговорили в 1874 году. Русским специалистом Ф.А. Пироцким в означенный период времени проводились первые практические опыты на железнодорожных путях под Сестрорецком по возможности передачи электрической энергии посредством использования изолированных от земли рельсов.
Первые попытки оснащения электрической тягой
Работы проводились на дистанции одного километра. Второй рельс послужил обратным проводом. Полученная электрическая энергия поступала на небольшой двигатель. Спустя два года, после начала проводимых работ, специалистом Ф.А. Пироцким осуществляется публикация статьи о полученных результатах в одном из технических инженерных журналов. Конечным результатом стало то, что им был опробован пуск вагонеток, двигающихся с помощью полученной электроэнергии по железным путям.
Первое практическое применение
Вернер Сименс, живущий в Германии, осуществил практическое применение электроэнергии на железной дороге. Берлинская промышленная выставка 1879 года экспонировала на своих площадях данное достижение, в виде узкоколейной дороги, на которой имели честь проехать гости выставки. Поездной состав состоял из нескольких вагонов открытого типа, которые тащил электровоз. Движение ему обеспечивали два мотора, запитанных от постоянного тока, величину напряжения в сто пятьдесят вольт давала железная полоса, расположенная в междурельсовом пространстве. Один из ходовых рельсов служил в качестве обратного провода.
Пробный участок
Через два года, в берлинской пригородной части Лихтерфельда было завершено изобретателем В. Сименсом строительство пробных железных путей, обеспеченных электрическим питанием, по ним и осуществлял движение вагон, оснащённый мотором. Напряжение тока составляло сто восемьдесят вольт и подавалось к одному ходовому рельсу – это и был, как бы, обратный провод.
Для исключения возможной большой потери электрической энергии при плохой изоляции из-за применения в этом качестве древесных шпал, инженеру Вернеру Сименсу пришлось изменить принципиальную схему подачи питания для электрического двигателя.
Первый опыт подвесной система электрификации
Всемирная парижская выставка стала той площадкой, где люди увидели электрическую дорогу с применением подвесного рабочего привода. Такое электроснабжение представляло собой в виде железной трубки, подвешенной над рельсовыми путями. В нижней части трубочки был сделан продольный прорез. Во внутренней части трубы двигался челнок, который соединялся посредством гибкого провода через имеющуюся прорезь и крепился непосредственно к локомотивной поверхности крыши, таким образом, осуществляя передачу тока электрическому двигателю.
Аналогичная трубочка подвешивалась рядом, параллельно первой трубке и выполняла функции обратного привода. Подобную систему применили на созданных в 1884 году трамвайчиках, появившихся на германской и австрийской территориях в городах Оффенбаха, Франкфурта, Фордербрюля и Мёдлинга. Для обеспечения трамвайного движения осуществлялась подача напряжения в триста пятьдесят вольт.
Ирландский город Кинреш в те же годы стал своего рода, площадкой для новаторов, применивших третий рельс в качестве токового проводника на трамвайных линиях. Он устанавливался с применением изоляторов, стоявших параллельно ходовым рельсам. К сожалению, эта новая схема не имела длительного практического применения, поскольку в городских условиях, она являлась явной помехой для пешеходов и конных упряжек.
Работа русского инженера
Самое интересное, что обо всех этих обстоятельствах технической обречённости по подаче питания для электрического мотора, предупреждал в одной из своих работ Фёдор Аполлонович Пироцкий, напечатанной в газетном издании «Санкт-Петербургских ведомостей». В них прямым текстом говорилось, что его детище в виде электрической железной дороги является простейшим и дешёвым сооружением. Нет необходимости производить дополнительные затраты на укладку средней рельсовой линии, что удорожает проект сразу на пять процентов и препятствует экипажному движению на городских улицах. Для осуществления его проекта не потребуется закупка чугунных столбов, стоящих немалых денежных средств. В последующем, иностранные изобретатели вняли столь разумному предупреждению русского инженера и всё осуществили на практике.
Изобретатель Ф.А. Пироцкий активно занимался реализаций своего проекта, понимая, что у городского и железнодорожного транспорта нет будущего без электричества. По итогам его новых исследований и испытаний станет появившийся на улицах Санкт-Петербурга двуярусный моторный вагон, двигающийся по рельсовым путям. В 1881 году данный вагон экспонировался на парижской выставке.
Английский город Брайтон стал первопроходцем в практической реализации проекта русского инженера в 1884 году. Длина электрической железной дороги, где был запитан только один рельс, составляла семь вёрст. В итоге, чистая прибыль одного электрического вагона в сравнении с экипажем, работающим на конной тяге, в течение рабочего дня составила четыреста двадцать франков.
Разработки американских инженеров
На американском континенте тоже не сидели сложа руки, а активно занимались усовершенствованием способа токовой подводки на уже созданном электрическом локомобиле.
Американским исследователем Т.А. Эдисоном проводились поисковые работы над усовершенствованием железнодорожного локомотива, потребляющим в качестве топлива электроэнергию. За четырёхлетний период времени, до 1884 года Т.А. Эдисону удалось создать три путевые линии небольшой протяжённости. Версия созданного локомотива, работающего на электрическом токе, больше напоминала паровозную модель локомотива. Питание вырабатывали генераторы. Один из путевых рельсов был запитан от отрицательного, другой рельс подключался к положительному генераторному полюсу. Уже в 1883 году на чикагской выставке появляется на одной из площадок современный для того времени локомотив, потребляющий электроток, названный, как «The Judge». Создание этой электровозной версии проводилось в тесном содружестве с другим изобретателем С.Д. Филдом.
Американскому инженеру Л. Дафту в это же время удаётся построить первую модель магистрального электровоза, названным, как «Атрёг». Локомотив использовал стандартную колею на железнодорожных путях по маршруту от Мак-Грегора до Саратоги. В последующем времени Л. Дафту удаётся улучшить технические качества своей же локомотивной версии, но теперь она называется, как «Benjamin Franklin», его масса составляет десять тонн, длина четыре метра. Имелись ведущие колёса в количестве четырёх штук. Подача электрического тока, чьё напряжение составляло двести пятьдесят вольт осуществлялось посредством третьего рельса, что обеспечивало работу мотора, у которого мощность достигала уровня ста двадцати пяти лошадиных сил. Их хватало на то, чтобы в поездном составе было восемь вагонов, и они следовали, ведомые электровозом со скоростью, равной шестнадцати километрам в час.
Швейцарская дорога с зубчатым зацеплением
Швейцарским инженером господином Р. Торном, в том же 1884 году строится экспериментальная железная дорога, имеющая зубчатое зацепление. В итоге, селение Тори и горная гостиница получили транспортную артерию с крутым наклоном, по которой следовал небольшой электровоз с четырьмя ведущими колёсами. Параметры мощности были незначительные и позволяли осуществлять пассажирскую перевозку только четырёх человек. Спускаясь по склону, включался тормозной режим, и электрический двигатель становился генератором, отдавая в сеть выработанную электрическую энергию.
Электрификация в России
Проект
Конструкторы всех стран работали по совершенствованию уже имеющихся электровозных версий, а также над техникой подачи электричества к локомотиву.
Своим путём шла электрификация в Российской империи. Проект, как электрифицировать первую отечественную железную дорогу появился в самом конце девятнадцатого столетия, в 1898 году. Но приступить к строительству Ораниенбаумской электрической линии из Санкт-Петербурга в Красные Горки удалось только в 1913 году. Реализовать имеющиеся планы в полном объёме не удалось по причине, начавшейся Первой мировой войны. В итоге, ограниченные участки дороги стали городским трамвайным маршрутом. В Стрельне и сегодня следуют по путям трамвайчики.
В послереволюционное время молодое правительство РСФСР инициирует разработку известного плана «ГОЭЛРО» и в 1921 году его утверждает.Электрификация путей должна была осуществиться за десять – пятнадцать лет. Протяжённость новых путей по проекту составляла три тысячи пятьсот километров, охватывая только небольшую часть важнейших направлений.
Начало работы
Первые железные дороги с электрической тягой появились в 1926 году на маршруте, при следовании: из Сурахан до Сабунчи и далее в столицу Азербайджана – Баку. Через три года электрички осваивают пригородный маршрут из Москвы-Пассажирской до Мытищ по Северной железной дороге.
Прошло ещё немного времени, и в 1932 году и Сурамский перевальный участок получил электроснабжение. Теперь на этой дороге магистральное движение обеспечивали электровозы. Система электротяги использовала постоянный ток, напряжение которого достигало значения в три тысячи вольт. В последующие годы широко применялось на железнодорожных путях Советского Союза. Первые дни электровозной эксплуатации наглядно показали их преимущество в сравнении с паровозной тягой. Такими показателями являлись производительность и энергетическая эффективность.
К 1941 году длина всех путей, обеспеченных электрической энергией, равнялась одной тысяче восьмистам шестидесяти пяти километрам.
Послевоенный период
В первый послевоенный год электрифицированные линии достигли значения своей общей протяжённости, равной двум тысячам двадцати девяти километрам. Необходимо отметить, что шестьсот шестьдесят три километра дороги были восстановлены, а по сути дела, практически, отстроено.
Шло активное восстановление производственных мощностей разрушенных заводов во время войны. В городе Новочеркасске появляется новое предприятие, которое специализируется на выпуске электровозных локомотивов. Через два года после войны начинает работать рижское предприятие по выпуску электрических составов.
Нельзя забывать, что в то тяжёлое послевоенное время электрификация железнодорожных путей требовала значительных вливаний денежных ассигнований. Поэтому объёмы роста путей с электричеством значительно отставали от намеченных планов и составляли всего тринадцать процентов. Причин тому было много, начиная с дефицитного финансирования работ, и заканчивая дороговизной материалов, необходимых для ведения подобного строительства.
50-е годы
В пятидесятые годы, двадцатого столетия, уровень освоенных объёмов по отношению к плановым нагрузкам составлял семьдесят процентов.
На двадцатом съезде партии Первым секретарём ЦК КПСС Н.С. Хрущёвым всё руководство МПС подвергается жёсткой критике. Часть чиновников была отстранена от занимаемых должностей.
Одной из задач пятой пятилетки являлось возведение новых сооружений электростанций, которые смогут обеспечить потребности электрифицированной железной дороги.
Последующие создаваемые генеральные планы требовали электрифицировать к 1970 году сорок тысяч километров железнодорожных путей сообщения.
Наращивание темпов
И вновь индустриализация помогает достигнуть годового освоения по строительству железных путей, оснащённых электричеством в объёме двух тысяч километров.
К марту 1962 года появляются победные реляции о выполнении плановых нагрузок на сто пять процентов, что в натуральном выражении составляло восемь тысяч четыреста семьдесят три километра. Всё это наглядно свидетельствовало о прежнем отставании от уровня желаемых результатов.
В семидесятые годы, двадцатого века, начинают массовую замену на полупроводниковые выпрямители взамен стоящих на подстанциях ртутных выпрямителей. Каждая новая возводимая подстанция оснащалась только полупроводниковым оборудованием. Всё это означало, что в Советском Союзе появились наиболее мощные и надёжные агрегаты инверторы. Они позволяли возвращать избыточную энергию, которая вырабатывалась с помощью подвижных составов в период электрического торможения в первичную внешнюю сеть.
Безопасное и быстрое отключение тока в контактной проводной сети всегда осуществлялось трудно и болезненно, особенно в период короткого замыкания.
Наконец-то на подстанциях железной дороги появились и мощные выключатели.
Их устанавливали парами по последовательной схеме.
Российский период
С наступлением двадцать первого века ощущается заметное снижение темпов строительства в РЖД электрифицированных путей сообщения, в год – это четыреста пятьдесят километров. Порой данное значение опускалось до ста пятидесяти километров, а иногда поднималось до семисот километров. Значительная часть электрифицированных путей переведена на использование переменного тока. Подобная модернизация проводилась на Кавказкой, Октябрьской дорогах и на Сибирских направлениях.
Сочи - 2014
В канун зимней олимпиады 2014 года была построена сразу новая электрифицированная железная дорога по маршруту из Адлера до Красной Поляны. Сегодня Республика Беларусь продолжает работы по электрификации железнодорожных путей сообщения на своей территории.
