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Tensione nella rete di contatti rzhd. Storia dell'elettrificazione ferroviaria
2. Sistemi di alimentazione elettrica linee ferroviarie, imprese di trasporto ferroviario e modalità del loro lavoro.
2.1 Breve storia e stato attuale dell'elettrificazione ferroviaria.
2.1.1 Storia della trazione elettrica.
Il primo EZhD fu dimostrato nel 1879 da Siemens a Berlino in una mostra industriale. Una locomotiva elettrica con una potenza di 2,2 kW trasportava tre carrozze con 18 passeggeri. A San Pietroburgo nel 1880 furono effettuati viaggi sperimentali per una carrozza da 40 posti con motore elettrico da 3 kW. Nel 1881 iniziò a funzionare la prima linea di tram a Berlino. In Russia, il primo tram fu messo in funzione nel 1892. La prima sezione della ferrovia con traffico di locomotive elettriche fu aperta negli Stati Uniti nel 1895.
2.1.2 Le principali fasi dell'elettrificazione delle ferrovie in Russia. piani di elettrificazione.
L'elettrificazione delle ferrovie russe è stata pianificata dal Piano statale per l'elettrificazione (GOELRO) nel 1920. La prima ferrovia elettrica a corrente continua con una tensione di 3 kV Baku - Sabunchi fu lanciata nel 1926. Nel 1932, le prime locomotive elettriche attraversarono il passo Suram nel Caucaso. Nel 1941, 1865 km furono elettrificati. Durante gli anni della Grande Guerra Patriottica del 1941-1945, l'elettrificazione delle ferrovie continuò: le sezioni Chelyabinsk - Zlatoust, Perm - Chusovskaya, ecc.
Il piano generale per l'elettrificazione delle ferrovie nell'URSS è stato adottato nel 1956. Da quest'anno, il tasso di introduzione della trazione elettrica è notevolmente aumentato.
I tassi di elettrificazione in URSS erano:
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Chilometri |
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All'inizio del 1991 furono elettrificati 55,2mila km. Dei 147.500 km di ferrovie dell'URSS, questo ammontava al 37,4%. Il volume di trasporto su ferrovie elettriche è stato del 65%. Pertanto, 1/3 delle ferrovie sono elettrificate e su di esse vengono trasportati 2/3 delle merci. Di norma, le direzioni più trafficate erano elettrificate. Tale rapporto tra elettrificazione ferroviaria e merci trasportate indica una significativa efficienza dell'elettrificazione ferroviaria.
La lunghezza delle ferrovie elettrificate per anni:
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Totale, mille km |
A corrente alternata, mille km |
lunghezza, in % della lunghezza totale |
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In Russia | |||
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Piani di elettrificazione | |||
Le seguenti linee ferroviarie operano a trazione elettrica:
Vyborg - San Pietroburgo - Mosca - Rostov sul Don - Tbilisi - Yerevan, Baku - 3642 km.
Mosca - Kiev - Leopoli - Chop - 1765 km.
Mosca - Samara - Ufa - Tselinograd - Chu - 3855 km.
Brest - Minsk - Mosca - Sverdlovsk - Omsk - Irkutsk - Chita - Khabarovsk - Vladivostok - 10.000 km. Nel 2002 è stata completata l'elettrificazione della Transiberiana.
Ufa - Chelyabinsk - Omsk - Irtysh - Altai - Abakan - Taishet - Severobaikalsk - Taksimo
Fino al 1956 l'elettrificazione delle ferrovie veniva effettuata esclusivamente in corrente continua, prima a 1,5 kV, poi a 3 kV. Nel 1956, la prima sezione fu elettrificata a corrente alternata con una tensione di 25 kV (sezione Ozherelye - Pavelets della strada di Mosca).
È iniziata la fase di trasferimento della trazione elettrica da corrente continua con tensione 3 kV a corrente alternata con tensione 25 kV.
Nel novembre 1995, per la prima volta nella pratica mondiale, la sezione principale della ferrovia Zima-Slyudyanka, lunga 434 km, è stata commutata da 3 kV CC a 25 kV CA. Allo stesso tempo, sono state eliminate due docking station. Ciò ha permesso di aumentare il peso dei treni merci. È stata creata un'unica autostrada continua Mariinsk - Khabarovsk con una lunghezza di 4812 km e 2002 a Vladivostok, elettrificata attraverso il sistema di alimentazione corrente alternata 25 kV. Nell'ottobre 2000, la sezione Loukhi - Murmansk con diramazioni (490) km della ferrovia Oktyabrskaya è stata trasferita alla corrente alternata.
Informazioni statistiche sull'elettrificazione delle ferrovie russe:
per lunghezza: trazione diesel - 53,2%, trazione elettrica - 46,8%;
in termini di volumi di trasporto: trazione diesel - 22,3%, trazione elettrica - 77,7%;
per tipi di corrente: corrente continua con una tensione di 3 kV - 46,7%, corrente alternata con una tensione di 25 kV - 53,35%;
La quota di ferrovie elettrificate in Russia nel mondo:
per lunghezza dalla rete ferroviaria totale del mondo: Russia - 9%, altri paesi del mondo - 91%;
dalla lunghezza delle ferrovie elettrificate: Russia - 16,9%, altri paesi del mondo - 83,1%.
Il programma per l'elettrificazione delle ferrovie e il passaggio del traffico merci da diesel a elettrificato prevede l'elettrificazione di 7640 km e il passaggio di circa 1000 km di linee ferroviarie da corrente continua a corrente alternata nel periodo dal 2001 al 2010. Allo stesso tempo, il 90% della nuova elettrificazione avviene in corrente alternata e solo pochi rami in corrente continua. Entro il 2010 la Russia avrà 49,1mila km di linee elettrificate. Questo ammonterà al 56,7% della lunghezza totale della rete ferroviaria, pur effettuando l'81,2% del volume totale di traffico su di essa. La Russia rientrerà nell'area dell'uso ottimale della trazione elettrica
L'introduzione della trazione elettrica prevede le seguenti fasi:
1. Elettrificazione di aree suburbane a una tensione in corrente continua di 1,5 kV;
2. Elettrificazione delle tratte principali della ferrovia con una tensione di 3 kV e trasferimento a una tensione di 3 kV delle tratte suburbane.
3.Introduzione della corrente alternata con una tensione di 25 kV insieme all'espansione del poligono della corrente continua con una tensione di 3 kV. È stato sviluppato un sistema affidabile per unire due tipi di corrente sezionando la rete di contatti.
4. Realizzazione di un sistema di alimentazione a tre fili con autotrasformatore a tensione maggiorata 2x25 kV e riduzione dell'elettrificazione in corrente continua 3 kV.
5. Trasferimento di sezioni da corrente continua a corrente alternata.
Nell'ultimo quarto del XIX secolo. sono stati delineati i contorni di nuove aree di costruzione di locomotive: costruzione di locomotive elettriche e locomotive diesel.
La possibilità di utilizzare la trazione elettrica sulle ferrovie fu indicata nel 1874 in una domanda di privilegio dello specialista russo F. A. Pirotsky. Nel 1875-1876. ha condotto esperimenti sulla ferrovia di Sestroretsk sulla trasmissione dell'elettricità lungo binari isolati dal suolo. La trasmissione è stata effettuata su una distanza di circa 1 km. La seconda rotaia è stata utilizzata come filo di ritorno. L'elettricità è stata trasferita a un piccolo motore. Nell'agosto 1876, F. A. Pirotsky pubblicò un articolo sull'Engineering Journal con i risultati del suo lavoro. Questi esperimenti lo portano all'idea di utilizzare l'elettricità per i carrelli che si muovono su binari metallici.
L'attuazione pratica dell'idea di utilizzare l'energia elettrica nei trasporti appartiene a Werner Siemens (Germania), che costruì la prima ferrovia elettrica, che fu esposta all'Esposizione industriale di Berlino nel 1879. Era una piccola strada a scartamento ridotto destinata visitatori della mostra ambulante. Un breve treno di rimorchi aperti è stato guidato da una locomotiva elettrica a due motori, che ha ricevuto DC tensione di 150 V da una striscia di ferro posta tra le rotaie. Uno dei binari di scorrimento fungeva da filo di ritorno.
Nel 1881, W. Siemens costruì un tratto di prova di una strada elettrica nel sobborgo berlinese di Lichterfelde, utilizzando per la prima volta un'automobile. Una corrente di 180 V veniva fornita a uno dei binari di scorrimento e l'altro binario fungeva da filo di ritorno.
Per evitare grosse perdite di energia elettrica, dovute alla scarsa capacità isolante delle traversine in legno, V. Siemens ha deciso di cambiare il circuito di alimentazione elettrica del motore elettrico. Per questo, è stato utilizzato un cavo di lavoro aereo su una strada elettrica costruita nello stesso 1881 all'Esposizione mondiale di Parigi. Ha rappresentato un tubo di ferro sospeso sopra le rotaie. La parte inferiore del tubo era dotata di un'asola longitudinale. All'interno del tubo scorreva una navetta, collegata tramite un'asola a un filo flessibile, che era fissato al tetto della locomotiva e trasmetteva corrente elettrica al motore elettrico. Lo stesso tubo, sospeso accanto al primo, fungeva da filo di ritorno. Un sistema simile fu applicato a quelli costruiti nel 1883-1884. tram suburbani Mödling - Vorderbrühl in Austria e Francoforte - Offenbach in Germania, funzionanti a una tensione di 350 V.
Più o meno nello stesso periodo, a Kinresh (Irlanda), su una linea del tram è stata utilizzata una terza rotaia, che è stata installata su isolatori accanto alle rotaie di scorrimento. Tuttavia, questo sistema si è rivelato del tutto inaccettabile nelle condizioni della città, interferendo con il movimento di carrozze e pedoni.
È interessante notare che il destino tecnico di un tale sistema per fornire corrente elettrica al motore era stato previsto in precedenza da F. A. Pirotsky, che scrisse nel 1880 sul quotidiano S. Petersburg Vedomosti: “La ferrovia elettrica da me costruita è la più semplice e più economico. Non richiede il costo della linea ferroviaria media, aumentando inutilmente il costo della strada del 5% e bloccando il traffico delle carrozze in città. Non richiede il costo dei pali in ghisa, che sono proibitivi.
Questa lettera è stata pubblicata da Pirotsky in relazione ai rapporti apparsi sulla stampa sui risultati dei test di un tram elettrico da lui effettuati il 3 settembre 1880 a San Pietroburgo. A quel tempo, F. A. Pirotsky era intensamente impegnato nell'attuazione dei suoi progetti relativi alla creazione di un trasporto elettrico urbano affidabile. Ha capito che lo sviluppo del principale trasporto elettrico ferroviario è impossibile senza risolvere il problema fondamentale dell'ingegneria elettrica: la trasmissione di elettricità su lunghe distanze. Tenendo conto di ciò, F. A. Pirotsky concentrò la sua attenzione sugli esperimenti sul movimento elettrico dell'auto, adottati sulle ferrovie urbane trainate da cavalli. Di conseguenza, nel 1880 riuscì per la prima volta a eseguire il movimento lungo i binari di una vera automobile a due piani. F. A. Pirotsky presentò i risultati del suo lavoro nel 1881 all'Esposizione elettrica internazionale di Parigi, dove espose il suo schema di una ferrovia elettrica.
Nel 1884, a Brighton (Inghilterra), fu costruita una ferrovia elettrica secondo lo schema di Pirotsky, alimentata da uno dei binari, lungo 7 verste. L'esercizio di un solo carro dava un utile netto, a fronte di 420 franchi al giorno trainati da cavalli.
Dalla metà degli anni '80 del XIX secolo. Lo sviluppo della trazione elettrica sulle ferrovie sta iniziando a essere intensamente impegnato da ingegneri e imprenditori americani, che si sono impegnati energicamente a migliorare le locomotive elettriche, nonché i metodi di fornitura di corrente.
T. A. Edison ha lavorato al problema del trasporto ferroviario elettrico negli Stati Uniti, che ha costruito tre piccole linee sperimentali nel periodo dal 1880 al 1884. Nel 1880 creò una locomotiva elettrica, che nel suo aspetto somigliava a una locomotiva a vapore. La locomotiva elettrica era alimentata dalla corrente elettrica proveniente dai binari del binario, uno dei quali era collegato al polo positivo e l'altro al polo negativo del generatore. Nel 1883, T. A. Edison, insieme a S. D. Field, costruì una locomotiva elettrica più avanzata ("The Judge"), esposta in una mostra a Chicago e successivamente a Louisville.
Nel 1883 appartiene il lavoro dell'ingegnere americano L. Daft, che creò la prima locomotiva elettrica di linea principale ("Atreg") a scartamento normale, progettata per la ferrovia Saratoga-McGregor. Nel 1885, Daft costruì una locomotiva elettrica migliorata per la New York Trestle Railroad. La locomotiva, denominata "Benjamin Franklin", pesava 10 tonnellate, aveva una lunghezza di oltre 4 m ed era dotata di quattro ruote motrici. Una corrente elettrica di 250 V è stata fornita lungo la terza rotaia a un motore da 125 CV. s, che potrebbe trainare un treno di otto carrozze a una velocità di 10 miglia all'ora (16 km / h).
Nel 1884, l'ingegnere svizzero R. Tory costruì una ferrovia sperimentale a ingranaggi, collegando l'hotel situato su un pendio di montagna con la città di Terry (vicino a Montreux sul lago di Ginevra). La locomotiva aveva quattro ruote motrici e si muoveva lungo un pendio molto ripido (1:33). La sua capacità era ridotta e consentiva di trasportare quattro passeggeri contemporaneamente. In discesa, durante la frenata, il motore ha funzionato come un generatore, restituendo energia elettrica alla rete.
Per un certo numero di anni, il pensiero ingegneristico ha lavorato instancabilmente per migliorare la tecnica di fornire corrente a una locomotiva elettrica.
Nel 1884, a Cleveland, Bentley e Knight costruirono un tram con filo interrato. Un sistema simile fu introdotto nel 1889 a Budapest. Questo metodo di alimentazione si è rivelato scomodo da usare, poiché lo scivolo si è sporcato rapidamente.
Alla fine del 1884, a Kansas City (USA), Henry testò un sistema con fili aerei in rame, uno dei quali era diretto, l'altro era inverso.
Nel 1885, lo specialista belga Van Depoule costruì il primo tram con un cavo di lavoro aereo a Toronto (Canada). Nel suo schema, i binari di scorrimento fungevano da filo di ritorno. Lungo la linea sono stati costruiti pali con mensole, a cui sono stati attaccati isolatori con filo funzionante. Il contatto con il filo di lavoro è stato effettuato con l'ausilio di un rullo metallico montato su un'asta del tram, che durante il movimento "rotolava" lungo il filo.
Questo sistema di sospensione si dimostrò molto razionale, dopo ulteriori miglioramenti fu adottato in molti altri paesi e ben presto si diffuse. Nel 1890 negli Stati Uniti erano in funzione circa 2.500 km di strade elettriche tipo tram e nel 1897 25.000 km. Il tram elettrico iniziò a sostituire i vecchi tipi di trasporto urbano.
Nel 1890, un filo aereo apparve per la prima volta in Europa su una linea di tram ad Halle (Prussia). Dal 1893, le ferrovie elettriche in Europa si sono sviluppate a un ritmo accelerato, per cui nel 1900 la loro lunghezza aveva raggiunto i 10mila km.
Nel 1890, la trazione elettrica fu applicata alla strada sotterranea londinese costruita. Una corrente elettrica di 500 V è stata fornita al motore elettrico utilizzando la terza rotaia. Questo sistema si è rivelato molto efficace per le strade autotraccianti e ha iniziato a diffondersi rapidamente in altri paesi. Uno dei suoi vantaggi è la possibilità di elettrificare strade con un consumo di elettricità molto elevato, comprese le metropolitane e le linee ferroviarie principali.
Nel 1896, la trazione elettrica che utilizzava una terza rotaia per il trasporto di corrente fu introdotta per la prima volta sulla sezione ferroviaria Baltimora-Ojai. L'elettrificazione ha interessato un tratto di strada lungo 7 km in avvicinamento a Baltimora. Su questo tratto di binario è stato posato un tunnel di 2,5 chilometri, che ha spinto i costruttori ad elettrificarlo. Le locomotive elettriche operanti in questa sezione ricevevano energia elettrica dalla terza rotaia a una tensione di 600 V.
Le prime ferrovie elettrificate erano di breve lunghezza. La costruzione di ferrovie a lunga percorrenza ha incontrato difficoltà legate alle grandi perdite di energia causate dalla trasmissione di corrente continua su lunghe distanze. Con l'avvento dei trasformatori AC negli anni '80, che hanno permesso di trasmettere corrente su lunghe distanze, sono stati introdotti nei circuiti di alimentazione delle linee ferroviarie.
Con l'introduzione dei trasformatori nel sistema di alimentazione si è formato il cosiddetto "sistema a corrente continua trifase", ovvero "sistema a corrente continua trifase per la trasmissione di potenza". La stazione elettrica centrale produceva una corrente trifase. È stato trasformato in alta tensione (da 5 a 15mila V, e negli anni '20 - fino a 120mila V), che è stata fornita alle corrispondenti sezioni della linea. Ognuno di loro aveva una propria sottostazione discendente, dalla quale la corrente alternata veniva diretta a un motore elettrico a corrente alternata montato su un albero con un generatore di corrente continua. Il filo funzionante era alimentato dall'elettricità da esso. Nel 1898 fu costruita in Svizzera una ferrovia di notevole lunghezza con un binario indipendente e un sistema di corrente trifase che collegava Freiburg-Murten-Ins. È stata seguita dall'elettrificazione di una serie di altre sezioni di ferrovie e metropolitane.
Nel 1905, la trazione elettrica sostituì completamente il vapore sulle strade sotterranee.
Shukhardin S. "La tecnologia nel suo sviluppo storico"
Con lo sviluppo dell'industria e agricoltura aumenta la quantità di merci che devono essere trasportate da una regione all'altra del paese e ciò impone requisiti al trasporto ferroviario per aumentare la capacità di trasporto e di transito delle ferrovie. Nel nostro Paese, più della metà del fatturato totale del carico è dominato dalla trazione elettrica.
Non c'erano ferrovie elettriche nella Russia zarista. L'elettrificazione delle principali autostrade fu pianificata nei primi anni del potere sovietico durante l'organizzazione dell'economia pianificata del paese.
Nel piano GOELRO sviluppato nel 1920, si prestava attenzione all'aumento della capacità di trasporto e di transito delle ferrovie trasferendole alla trazione elettrica. Nel 1926, la linea Baku-Surakhani fu elettrificata per una lunghezza di 19 km con una tensione nella rete di contatto di 1200 V CC. Nel 1929, la sezione suburbana Mosca - Mytishchi, lunga 17,7 km, con una tensione di 1500 V nella rete di contatto, passò alla trazione elettrica corrente. Successivamente è iniziata l'elettrificazione di alcuni tra i più severi in termini di condizioni climatiche, i tratti più trafficati e le linee con un profilo pesante.
All'inizio della seconda guerra mondiale furono trasferite le sezioni più difficili nel Caucaso, negli Urali, in Ucraina, in Siberia, nell'Artico e nei sobborghi di Mosca per una lunghezza totale di circa 1900 km. Durante la guerra furono elettrificate linee negli Urali, nei sobborghi di Mosca e Kuibyshev per una lunghezza totale di circa 500 km.
Nel dopoguerra si dovettero ripristinare tratti di ferrovie elettrificate nella parte occidentale del Paese, situate sul territorio temporaneamente occupato dal nemico. Inoltre, era necessario trasferire alla trazione elettrica nuovi tratti pesanti di ferrovie. Le sezioni suburbane, precedentemente elettrificate a una tensione di 1500 V nel filo di contatto, sono state trasferite a una tensione di 3000 V. A partire dal 1950, dall'elettrificazione delle singole sezioni, si è passati al trasferimento di intere direzioni ad alta intensità di merci alla trazione elettrica e al lavoro iniziò sulle linee Mosca-Irkutsk, Mosca-Kharkov, ecc.
L'aumento del flusso di beni economici nazionali e la crescita del traffico passeggeri richiedono locomotive più potenti e un aumento del numero di treni. A una tensione nella rete di contatto di 3000 V, le correnti consumate da potenti locomotive elettriche, con una quantità significativa di esse nella zona di alimentazione dalle sottostazioni di trazione, hanno causato grandi perdite di energia. Per ridurre le perdite è necessario avvicinare tra loro le sottostazioni di trazione e aumentare la sezione dei fili della rete di contatto, ma ciò aumenta il costo del sistema di alimentazione. È possibile ridurre le perdite di energia riducendo le correnti che passano attraverso i fili della rete di contatti e, affinché la potenza rimanga la stessa, è necessario aumentare la tensione. Questo principio è utilizzato nel sistema di trazione elettrica di corrente alternata monofase di frequenza industriale di 50 Hz a una tensione nella rete di contatto di 25 kV.
Le correnti assorbite dal materiale rotabile elettrico (locomotive elettriche e treni elettrici) sono molto inferiori rispetto a un sistema in corrente continua, il che consente di ridurre la sezione dei fili della rete di contatto e aumentare le distanze tra le cabine di trazione. Questo sistema nel nostro paese iniziò ad essere esplorato anche prima della Grande Guerra Patriottica. Poi, durante la guerra, la ricerca dovette essere interrotta. Nel 1955-1956. secondo i risultati degli sviluppi del dopoguerra, con questo sistema è stata elettrificata la sezione sperimentale della Collana-Pavelets della strada di Mosca. In futuro, questo sistema iniziò ad essere ampiamente introdotto sulle ferrovie del nostro paese, insieme a un sistema di trazione elettrica a corrente continua. All'inizio del 1977, le linee elettrificate in URSS si estendevano per una distanza di circa 40mila km, ovvero il 28% della lunghezza di tutte le ferrovie del paese. Di questi, circa 25mila km sono in corrente continua e 15mila km sono in corrente alternata.
Ferrovie da Mosca a Karymskaya con una lunghezza di oltre 6300 km, da Leningrado a Yerevan - circa 3,5 mila km, Mosca-Sverdlovsk - oltre 2 mila km, Mosca-Voronezh-Rostov, Mosca-Kiev-Chop, linee che collegano il Donbass con il Regione del Volga e con la parte occidentale dell'Ucraina, ecc. Inoltre, il traffico suburbano di tutti i grandi centri industriali e culturali è passato alla trazione elettrica.
In termini di tasso di elettrificazione, lunghezza delle linee, volume del traffico e rotazione delle merci, il nostro Paese ha lasciato molto indietro tutti i Paesi del mondo.
intensivo elettrificazione ferroviaria per i suoi grandi vantaggi tecnici ed economici. Rispetto ad una locomotiva a vapore oa parità di peso e dimensioni, può avere una potenza notevolmente maggiore, poiché non dispone di un motore primario (motore a vapore o motore diesel). Pertanto, la locomotiva elettrica fornisce lavoro con treni a velocità molto più elevate e, di conseguenza, aumenta il rendimento e la capacità di carico delle ferrovie. L'utilizzo del controllo di più locomotive elettriche da un posto (un sistema di molte unità) consente di aumentare queste cifre in misura ancora maggiore. Velocità di viaggio più elevate garantiscono una consegna più rapida di merci e passeggeri a destinazione e apportano ulteriori vantaggi economici all'economia nazionale.
La trazione elettrica ha un'efficienza superiore rispetto alla trazione diesel e in particolare alla trazione a vapore. L'efficienza operativa media della trazione a vapore è del 3-4%, locomotiva diesel - circa il 21% (con il 30% di utilizzo della potenza diesel) e trazione elettrica - circa il 24%.
Quando una locomotiva elettrica è alimentata da vecchie centrali termiche, l'efficienza della trazione elettrica è del 16-19% (con l'efficienza della stessa locomotiva elettrica di circa l'85%). Un'efficienza così bassa del sistema con un'elevata efficienza di una locomotiva elettrica è dovuta a grandi perdite di energia in forni, caldaie e turbine di centrali elettriche, la cui efficienza è del 25-26%.
Le moderne centrali elettriche con unità potenti ed economiche funzionano con un'efficienza fino al 40% e un'efficienza fino al 40%. la trazione elettrica quando si riceve energia da loro è del 25-30%. Il funzionamento più economico di locomotive elettriche e treni elettrici è quando la linea è alimentata da una centrale idroelettrica. Allo stesso tempo, l'efficienza della trazione elettrica è del 60-62%.
Va notato che le locomotive a vapore e le locomotive diesel funzionano con carburante costoso e ipercalorico. Le centrali termoelettriche possono funzionare con combustibili di qualità inferiore: lignite, torba, scisto e utilizzare anche gas naturale. L'efficienza della trazione elettrica aumenta anche quando le sezioni sono alimentate da centrali nucleari.
Le locomotive elettriche sono più affidabili nel funzionamento, richiedono costi inferiori per le ispezioni e le riparazioni delle apparecchiature e consentono di aumentare la produttività del lavoro del 16-17% rispetto alla trazione diesel.
Solo la trazione elettrica ha le proprietà per elaborare l'energia meccanica immagazzinata nel treno in energia elettrica e trasferirla durante la frenata rigenerativa alla rete di contatto per l'utilizzo da parte di altre locomotive elettriche o autovetture che operano in modalità di trazione durante questo periodo. In assenza di consumatori, l'energia può essere trasferita al sistema di alimentazione. Grazie al recupero energetico è possibile ottenere un grande effetto economico. Così, nel 1976, circa 1,7 miliardi di kWh di elettricità sono stati restituiti alla rete grazie al recupero. La frenata rigenerativa consente di aumentare il livello di sicurezza del traffico ferroviario, ridurre l'usura delle pastiglie dei freni e dei cerchioni.
Tutto ciò consente di ridurre i costi di trasporto e rendere più efficiente il processo di trasporto delle merci.
Grazie alla ricostruzione tecnica della trazione nel trasporto ferroviario, sono stati risparmiati circa 1,7 miliardi di tonnellate di carburante e i costi operativi sono diminuiti di 28 miliardi di rubli. Se assumiamo che fino ad ora le locomotive a vapore avrebbero funzionato sulle nostre autostrade, allora, ad esempio, nel 1974 sarebbe stato necessario consumare un terzo del carbone estratto nel paese nelle loro fornaci.
Elettrificazione delle ferrovie russe contribuisce al progresso dell'economia nazionale delle aree circostanti, poiché le imprese industriali, le fattorie collettive, le fattorie statali ricevono energia dalle sottostazioni di trazione e le centrali diesel locali inefficienti e antieconomiche vengono chiuse. Ogni anno, oltre 17 miliardi di kWh di energia passano attraverso le sottostazioni di trazione per rifornire i consumatori non di trazione.
Con la trazione elettrica aumenta la produttività del lavoro. Se con la trazione diesel la produttività del lavoro aumenta di 2,5 volte rispetto al vapore, con la trazione elettrica aumenta di 3 volte. Il costo del trasporto su linee elettrificate è inferiore del 10-15% rispetto alla trazione diesel.
Il sistema di alimentazione di una ferrovia elettrificata è costituito dalla parte esterna del sistema di alimentazione, che comprende dispositivi per la generazione, distribuzione e trasmissione dell'energia elettrica alle cabine di trazione (esclusivamente);
La parte di trazione del sistema di alimentazione, costituita da sottostazioni di trazione di dispositivi lineari e una rete di trazione. La rete di trazione, a sua volta, è costituita da una rete di contatto, un binario, linee di alimentazione e aspirazione (alimentatori), nonché altri cavi e dispositivi collegati lungo la linea e la sospensione del contatto direttamente o tramite speciali autotrasformatori.
Il principale consumatore di energia elettrica nella rete di trazione è la locomotiva. A causa della posizione casuale dei treni, sono inevitabili combinazioni casuali di carichi (ad esempio, il passaggio di treni con un intervallo minimo tra i treni), che possono influire in modo significativo sulle modalità operative del sistema di alimentazione di trazione.
Insieme a questo, i treni che si allontanano dalla sottostazione di trazione sono alimentati da energia elettrica a una tensione inferiore, che influisce sulla velocità del treno e, di conseguenza, sul rendimento della sezione.
Oltre ai motori di trazione che azionano il treno, le locomotive dispongono di macchine ausiliarie che svolgono varie funzioni. Le prestazioni di queste macchine sono anche legate al livello di tensione sui loro morsetti. Ne consegue che nei sistemi di alimentazione di trazione è molto importante mantenere un determinato livello di tensione in qualsiasi punto della rete di trazione.
L'alimentazione della sezione elettrificata della ferrovia viene effettuata dal sistema di alimentazione di una particolare regione. Un diagramma schematico dell'alimentazione di una ferrovia elettrificata è mostrato in fig. 1.3.
Il sistema di alimentazione esterno (I) comprende una stazione elettrica 1, una sottostazione di trasformazione 2, una linea elettrica 3. Il sistema di alimentazione di trazione (II) contiene una sottostazione di trazione 4, alimentatori di alimentazione 5, un alimentatore di aspirazione 6, una rete di contatti 7 e un binario di trazione 9 (vedi Fig. Fig. 1.3), nonché dispositivi lineari.
Le ferrovie sono rifornite di elettricità tramite le linee 35, 110, 220 kV, 50 Hz. Il sistema di alimentazione della trazione può essere in corrente continua o alternata.
Riso. 1.3. Schema schematico dell'alimentazione della ferrovia elettrificata: 1 - centrale elettrica distrettuale; 2 - potenziamento sottostazione di trasformazione; 3 - linea elettrica trifase; 4 - sottostazione di trazione; 5 - linea di alimentazione (alimentatore); 6 - linea di aspirazione (alimentatore); 7 - rete di contatti; 8 - locomotiva elettrica; 9 - binari
Sulle ferrovie della Russia, un sistema di alimentazione a corrente continua con una tensione nella rete di contatto di 3 kV e un sistema di alimentazione a corrente alternata con una tensione nella rete di contatto di 25 kV e 2 × 25 kV, con una frequenza di 50 Hz, sono diventati molto diffusi.
Al 1 gennaio 2005, la lunghezza delle ferrovie elettrificate in Russia ammontava a 42,6 mila km.
Sistema di alimentazione trazione in corrente continua 3 kV
Il circuito di alimentazione della tratta elettrificata della ferrovia a corrente continua è mostrato in fig. 1.4.
Nella maggior parte dei casi, la rete di trazione è alimentata da bus da 110 (220) kV attraverso un trasformatore step-down, che fornisce una riduzione della tensione a 10 kV. Ai bus da 10 kV è collegato un convertitore, costituito da un trasformatore di trazione e da un raddrizzatore. Quest'ultimo fornisce la conversione della corrente alternata in tensione costante su pneumatici 3,3 kV. La rete di contatti è collegata al "bus più" e le rotaie - al "bus meno".
Riso. 1.4. Schema schematico dell'alimentazione di una sezione elettrificata di una ferrovia CC con una tensione nella rete di contatto di 3 kV
La caratteristica fondamentale del sistema di alimentazione di trazione DC è il collegamento elettrico del motore di trazione con la rete di contatto, cioè esiste un sistema di raccolta della corrente di contatto. I motori di trazione per locomotive elettriche CC e treni elettrici sono progettati per una tensione nominale di 1,5 kV. Il collegamento in serie a coppie di tali motori consente di avere una tensione di 3 kV nella rete di trazione.
Il vantaggio di un sistema CC è determinato dalla qualità di un motore CC seriale, la cui caratteristica soddisfa in misura maggiore i requisiti per i motori di trazione.
Gli svantaggi del sistema di alimentazione di trazione CC sono i seguenti:
A causa della bassa tensione nella rete di trazione, dei carichi di corrente e delle grandi perdite di elettricità (il coefficiente totale di prestazione (COP) del sistema di trazione elettrica CC è stimato al 22%);
A carichi di corrente elevati, la distanza tra le sottostazioni di trazione è di 20 km o meno, il che determina l'elevato costo del sistema di alimentazione e gli elevati costi operativi;
Grandi carichi di corrente determinano la necessità di avere una sospensione di contatto di sezione maggiore, che provoca un significativo superamento di metalli non ferrosi scarsi, nonché un aumento dei carichi meccanici sui supporti della rete di contatto;
Il sistema di trazione elettrica in corrente continua è caratterizzato da elevate perdite di energia elettrica nei reostati di avviamento dei locomotori elettrici in fase di accelerazione (per il traffico extraurbano esse ammontano a circa il 12% del consumo totale di energia elettrica per la trazione del treno);
Con la trazione elettrica in corrente continua si ha un'intensa corrosione delle strutture metalliche interrate, compresi i supporti della rete di contatto;
I raddrizzatori a sei impulsi utilizzati fino a poco tempo fa nelle cabine di trazione avevano un basso fattore di potenza (0,88 ÷ 0,92) e, a causa della curva non sinusoidale della corrente consumata, provocavano un deterioramento della qualità dell'energia elettrica (soprattutto su bus 10 kV ).
Sulle strade DC, viene fatta una distinzione tra schemi di alimentazione centralizzati e distribuiti. La principale differenza tra questi schemi risiede nel numero di raddrizzatori nelle sottostazioni e nei metodi di riserva di potenza. Con uno schema di alimentazione centralizzato per le unità in una sottostazione, devono essercene almeno due. Nel caso di potenza distribuita, tutte le sottostazioni sono monoblocco e la distanza tra le sottostazioni di trazione è ridotta.
È necessario che in caso di guasto di un'unità vengano fornite dimensioni di movimento normali. Nel primo schema vengono utilizzate unità aggiuntive (di riserva) per la ridondanza e nel secondo un deliberato rifiuto della ridondanza delle apparecchiature della sottostazione da parte dei nodi e una transizione all'intera ridondanza della sottostazione.
Al 1 gennaio 2005 la lunghezza delle ferrovie elettriche elettrificate da un sistema in corrente continua con una tensione nella rete di trazione di 3 kV ammontava a 18,6 mila km.
Sistema di alimentazione di trazione di corrente alternata monofase con una tensione di 25 kV, una frequenza di 50 Hz
Sulle ferrovie elettrificate in corrente alternata il sistema di alimentazione più diffuso è 25 kV, 50 Hz. Il diagramma schematico dell'alimentazione della sezione elettrificata è mostrato in fig. 1.5.
Riso. 1.5. Schema schematico dell'alimentazione di una sezione elettrificata di una ferrovia a corrente alternata con una tensione nella rete di contatto di 25 kV, una frequenza di 50 Hz
La rete di trazione è alimentata da bus da 110 (220) kV attraverso un trasformatore step-down (trazione).
Ha tre avvolgimenti:
I - avvolgimento ad alta tensione 110 (220) kV;
II - avvolgimento di bassa (media) tensione 27,5 kV per l'alimentazione della rete di contatti;
III - avvolgimento di media (bassa) tensione 35, 10 kV per l'alimentazione di utenze non di trazione.
Gli alimentatori di rete dei contatti sono collegati ai bus da 27,5 kV. In questo caso le fasi A e B alimentano diversi bracci della sottostazione di trazione. Per separare le fasi sulla rete di contatti, è predisposto un inserto neutro. La fase C è collegata alle rotaie.
La caratteristica fondamentale del sistema di alimentazione della trazione AC - il collegamento elettromagnetico del motore di trazione con la rete di contatto - è realizzata tramite un trasformatore elettrico della locomotiva.
Vantaggi del sistema:
Vengono stabilite modalità di tensione indipendenti nella rete di contatto e sul motore di trazione mantenendo il motore di trazione CC;
La tensione nella rete di contatto è stata aumentata a 25 kV AC. Di conseguenza, la corrente di carico diminuisce a parità di potenza trasmessa; le perdite di tensione e potenza sono ridotte;
La distanza tra le sottostazioni di trazione è stata aumentata e il loro numero è stato ridotto (da due a tre volte);
Tempi di costruzione ridotti e aumento del tasso di elettrificazione;
Ridotto consumo di metalli non ferrosi.
Svantaggi del sistema di alimentazione di trazione CA:
Funzionamento asimmetrico dei trasformatori trifase (per un carico a due bracci) e, di conseguenza, deterioramento della qualità dell'energia elettrica e una significativa diminuzione della loro potenza disponibile. Si noti che per potenza disponibile di un trasformatore operante in modo squilibrato si intende la potenza corrispondente alla corrente di sequenza positiva a tale carico quando la corrente in una delle fasi del trasformatore assume il valore nominale;
La non sinusoidalità del sistema di correnti consumate e anche il deterioramento della qualità dell'energia elettrica nel sistema di alimentazione dell'alimentatore (la curva della corrente consumata dalle locomotive elettriche con un raddrizzatore a due impulsi installato su di esse contiene negativi più alti armoniche 3, 5, 7 con un grande valore numerico);
Basso fattore di potenza delle locomotive elettriche CA. L'efficienza del sistema di trazione elettrica nel suo complesso è stimata al 26%;
La rete di trazione CA è una fonte di influenza elettromagnetica sui dispositivi adiacenti, comprese le linee di comunicazione, che determina la necessità di misure speciali volte a ridurre l'influenza elettromagnetica;
La presenza di correnti circolanti con un circuito di alimentazione a due vie di una rete di trazione in corrente alternata e, di conseguenza, ulteriori grandi perdite di energia elettrica.
Al 1 gennaio 2005, la lunghezza delle ferrovie elettriche elettrificate da un sistema a corrente alternata con una tensione nella rete di trazione di 25 kV, una frequenza di 50 Hz, ammontava a 24,0 mila km al 1 gennaio 2005.
Schema di alimentazione esterna delle cabine di trazione per impianti di trazione elettrica in corrente continua e alternata
Gli schemi di alimentazione per le ferrovie elettrificate dal sistema di alimentazione sono molto diversi. Dipendono in misura maggiore dal sistema di trazione elettrica applicato, oltre che dalla configurazione del sistema di potenza stesso.
Considera i circuiti di alimentazione per i sistemi di trazione elettrica di corrente continua (Fig. 1.6) e alternata (Fig. 1.7).
Tipicamente, una linea di trasmissione a 50 Hz è alimentata dalla rete elettrica e si trova lungo la ferrovia.
Per tensione del sistema di trazione elettrica si intende la tensione nominale per la quale viene prodotto il materiale rotabile elettrico (EPS). È anche la tensione nominale nella rete di contatto, la tensione sui bus della sottostazione è generalmente considerata superiore del 10% rispetto a questo valore.
Sulla fig. 1.6 e 1.7 sono contrassegnati: 1 - sistema di alimentazione; 2 - linea elettrica; 3 - cabine di trazione (con raddrizzatori, cabine DC e cabine di trasformazione - AC); 4 - rete di contatti; 5 - binari; 6 - locomotiva elettrica.
Riso. 1.6. Diagramma schematico di un alimentatore ferroviario CC
Riso. 1.7. Schema del circuito di alimentazione della ferrovia CA
Le ferrovie elettrificate appartengono ai consumatori della prima categoria. Per tali consumatori, l'alimentazione è fornita da due fonti di elettricità indipendenti. Queste sono considerate sottostazioni distrettuali separate, diverse sezioni di autobus della stessa sottostazione - distretto o trazione. Pertanto, lo schema di alimentazione delle sottostazioni di trazione dal sistema di alimentazione dovrebbe essere tale che il guasto di una delle sottostazioni distrettuali o delle linee di trasmissione non possa causare il guasto di più di una sottostazione di trazione. Ciò può essere ottenuto scegliendo uno schema di alimentazione razionale per le sottostazioni di trazione dal sistema di alimentazione.
Schemi per il collegamento delle sottostazioni di trazione alle lineepotenza di trasmissione
Il circuito di alimentazione delle sottostazioni di trazione dalle linee elettriche è mostrato in fig. 1.8.
Figura 1.8. Schema di alimentazione bidirezionale delle sottostazioni di trazione da una linea elettrica a doppio circuito
Nel caso generale, il circuito di alimentazione delle cabine di trazione dipende dalla configurazione della rete distrettuale, dalla riserva di potenza delle centrali e delle cabine, dalla possibilità della loro espansione, ecc. In tutti i casi, per una maggiore affidabilità, tendono ad avere un circuito di alimentazione a due vie per sottostazioni di trazione (vedi Fig. 1.8). Sulla fig. 1.8. contrassegnato: 1 - sottostazione di trazione di riferimento (almeno tre ingressi di linee ad alta tensione). È dotato di un complesso di dispositivi di commutazione ad alta tensione e dispositivi automatici di protezione dai danni; 2 - sottostazione di saldatura intermedia. Gli interruttori ad alta tensione non sono installati, riducendo così il costo del sistema di alimentazione; 3 - sottostazione intermedia di transito, è previsto il sezionamento delle linee ad alta tensione per la riparazione o l'arresto in caso di guasto.
Garantire l'affidabilità del sistema di alimentazione si ottiene utilizzando una linea ad alta tensione a doppio circuito, fornendo alimentazione bidirezionale a ciascuna rete di linee di trasmissione di potenza, sezionando le linee elettriche nelle sottostazioni di transito e disponendo di una protezione automatica ad alta velocità in base, stazioni di trazione di transito e di quartiere.
Garantire l'efficienza del sistema di alimentazione si ottiene riducendo le apparecchiature ad alta tensione (interruttori) a scapito delle sottostazioni intermedie che non dispongono di tali interruttori. In caso di guasto in queste sottostazioni, la protezione dell'alta velocità interrompe le linee nelle sottostazioni di riferimento e, durante un tempo morto, in quelle intermedie. Le sottostazioni integre vengono accese dal sistema di richiusura automatica.
Se alimentato da una linea di trasmissione a circuito singolo, non è consentito il collegamento di sottostazioni su linee di derivazione. Tutte le sottostazioni sono incluse nella sezione della linea e in ogni sottostazione le linee di trasmissione intermedie sono sezionate da un interruttore.
Caratteristiche dei circuiti di alimentazione delle reti di trazione a corrente monofasefrequenza industriale
Sulle strade a corrente alternata monofase, la rete di trazione è alimentata da una linea di trasmissione di energia elettrica trifase attraverso trasformatori, i cui avvolgimenti sono collegati in uno o in un altro circuito.
Sulle ferrovie domestiche vengono utilizzati principalmente trasformatori trifase a tre avvolgimenti, accesi secondo lo schema “stella-stella-triangolo”, del tipo TDTNGE (trifase, olio, con raffreddamento forzato - esplosione, tre avvolgimenti, con regolazione della tensione sotto carico, antifulmine, per trazione elettrica) potenza 20, 31,5 e 40,5 MV?A. Tensione primaria - 110 o 220 kV, secondaria per trazione - 27,5 kV, per consumatori regionali - 38,5 e 11 kV.
Per alimentare solo il carico di trazione si utilizzano trasformatori trifase a due avvolgimenti di tipo TDG e TDNG con schema di collegamento avvolgimento stella-triangolo (-11). La potenza di questi trasformatori è uguale a quella di quelli a tre avvolgimenti. Il collegamento dell'avvolgimento di trazione con un "triangolo" consente di ottenere una caratteristica esterna più piatta. Un vertice del "triangolo" è attaccato ai binari e gli altri due a diverse sezioni della rete di contatto.
Il circuito di alimentazione di una rete di trazione a corrente alternata monofase da un trasformatore trifase con connessione di avvolgimento stella-triangolo è mostrato in fig. 1.9.
Quando si alimenta il carico di trazione da tre fasi, le sezioni della rete di trazione a sinistra ea destra della sottostazione devono essere alimentate da fasi diverse. Pertanto, hanno tensioni sfasate tra loro.
Riso. 1.9. Schema di alimentazione di una rete di trazione a corrente alternata monofase da un trasformatore trifase con connessione avvolgimento stella-triangolo
Le correnti nelle fasi possono essere ottenute direttamente dalle equazioni di Kirchhoff. Se nell'istante considerato il carico è l a sinistra della sottostazione e n a destra (vedi Fig. 1.9), allora possiamo scrivere:
Ac \u003d ba + l; (1.1)
Ba = cb + n; (1.2)
Cb \u003d ac - l - p; (1.3)
Ac + ba + cb = 0. (1.4)
L'equazione (1.4) implica:
Ba = - ac - cb. (1.5)
Sostituiamo l'espressione (1.5) nell'equazione (1.1):
Ac \u003d - ac - cb + l. (1.6)
Sostituendo la formula (1.3) nell'espressione (1.6), otteniamo:
Ac \u003d - ac - ac + l + p + l;
3ac \u003d 2 l + n;
Ac = l + n.(1.7)
Sostituendo la formula (1.7) nell'espressione (1.3), otteniamo:
Cb \u003d l + p - l - p;
Cb = - l - p. (1.8)
Sostituendo la formula (1.8) nell'espressione (1.2) otteniamo:
Cb \u003d - l - n + n;
Ba = - l + n.(1.9)
La corrente nelle fasi del "triangolo" secondario e, di conseguenza, nelle fasi dell'avvolgimento primario può essere trovata anche costruendo un diagramma vettoriale.
Per costruire un diagramma vettoriale, si assume che le correnti delle zone di alimentazione l e n, che significano le correnti totali degli alimentatori, partenti dalla sottostazione rispettivamente a sinistra e a destra, siano distribuite tra gli avvolgimenti secondari del trasformatore . In altre parole, è necessario determinare la quota di partecipazione avvolgimento secondario trasformatore nell'alimentazione di entrambe le zone di alimentazione.
Quando gli avvolgimenti del trasformatore sono collegati secondo lo schema e non ci sono correnti a sequenza zero nel circuito a "triangolo" chiuso, ogni fase può essere considerata indipendentemente dall'altra, cioè come un trasformatore monofase. In questo caso, la distribuzione dei carichi sul lato secondario tra le fasi è determinata solo dal rapporto dei valori di resistenza dell'avvolgimento. La zona di alimentazione sinistra con corrente l è alimentata dalla tensione U ac . Questa tensione viene generata sia negli avvolgimenti “ah” che negli avvolgimenti “bu” e “cz”. La resistenza degli avvolgimenti "ah" è la metà della resistenza degli altri due avvolgimenti collegati in serie. Pertanto, la corrente l è divisa tra questi avvolgimenti generatori di tensione ac in un rapporto di 2:1. La corrente è divisa allo stesso modo.
Costruiamo un diagramma vettoriale per determinare le correnti di fase di un trasformatore trifase (Fig. 1.10).
Riso. 1.10. Diagramma vettoriale per determinare le correnti di fase di un trasformatore trifase
Rappresentiamo i vettori di tensione e corrente I l, I p sul diagramma. La corrente negli avvolgimenti "ah", in base a quanto sopra, dovrebbe essere uguale alla somma di l e p. Mettendo sul vettore I l un valore uguale alla sua lunghezza, sul vettore I p della sua lunghezza, troviamo ac come somma di queste parti. La corrente nella fase A della "stella" dell'avvolgimento primario (se prendiamo il rapporto di trasformazione uguale a uno e la corrente a vuoto uguale a zero) sarà uguale alla corrente a.
Allo stesso modo, la corrente nell'avvolgimento "cz" è composta da n e - l. Aggiungendoli, otteniamo l'attuale c. Di conseguenza c = C .
Il carico nell'avvolgimento "by" è costituito dalla somma - l e n. Aggiungendo i vettori, otteniamo il carico della terza fase meno caricata b = B. Si noti che la fase meno caricata è la fase "triangolo" che non è direttamente collegato alle rotaie.
Sul diagramma di fig. 1.10 mostra gli angoli di sfasamento A, B, C tra la corrente I A, I B, I C e la tensione U A, U B, U C. Si noti che A\u003e L e C< 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.
Per garantire un carico uniforme delle fasi delle linee di trasmissione di potenza, vengono alternate quando collegate alle sottostazioni di trazione.
Schemi per il collegamento di un gruppo di sottostazioni di trazione a una linea elettrica
I requisiti per lo schema di connessione sono i seguenti:
Garantire la possibilità di funzionamento in parallelo sulla rete di contatto delle sottostazioni di trazione adiacenti;
Creazione di un carico uniforme della linea elettrica.
Se la linea di trasmissione di potenza è alimentata a senso unico, un ciclo di tre sottostazioni con diversa sequenza di fase garantisce il loro carico uniforme nell'area tra la fonte di energia elettrica e la prima sottostazione (Fig. 1.11). I generatori della centrale funzioneranno nella normale modalità di carico simmetrico. La perdita di tensione delle linee di trasmissione di potenza è ridotta a causa di una diminuzione del carico irregolare.
Considerare gli schemi per il collegamento delle sottostazioni di trazione alle linee elettriche (vedi Fig. 1.11).
Sottostazione n. 1. In questo caso, il terminale del trasformatore " A t"Si collega alla fase A e gli altri due -" Vt "e" C t "- rispettivamente alle fasi B e C. Con questa connessione, la sottostazione è designata di tipo I. Costruiamo un diagramma vettoriale per questa sottostazione (Fig. 1.12).
Fase in ritardo ac > a. Pertanto, la corrente I ac viene spostata dalla corrente I b del braccio vicino nella direzione del ritardo. Il consumo di potenza reattiva aumenta (nella fase di ritardo), il che porta a una diminuzione della tensione in esso.
fase avanzata cb< b . Следовательно, ток I a сдвигает вектор тока I cb в сторону опережения. Потребление реактивной мощности снижается, напряжение увеличивается.
Ne consegue da quanto precede che delle tre fasi, una è meno caricata - quella centrale - B.
Sottostazione n. 2. Il terminale del trasformatore "Vt" non sarà collegato alla fase omonima, ma alla fase C, che sarà la fase vera e propria. Tutte le zone di alimentazione riceveranno energia dai punti "a" e "b", ma non siamo più liberi di scegliere la fase per l'alimentazione dopo aver scelto lo schema di alimentazione dalla prima sottostazione di trazione.
Costruiamo un diagramma vettoriale (Fig. 1.13). Nella seconda sottostazione, la sequenza delle fasi è cambiata. Se alla prima sottostazione era ABC (sottostazione di tipo I), alla seconda diventava DIA (sottostazione di tipo II). Ora la fase meno caricata sarà la fase C.
Sottostazione n. 3. L'alimentazione della terza zona dalla sottostazione n. 2 è possibile solo dal punto "b" (vedi Fig. 1.11). Dalla sottostazione n° 3 anche questa zona deve essere alimentata dal punto “b”. Pertanto, tutte le zone dispari riceveranno energia dai punti "b" e tutte quelle pari dai punti "a".
Costruiamo un diagramma vettoriale (Fig. 1.14). La tensione tra i fili di contatto e le rotaie sarà positiva nelle sezioni pari e negativa nelle sezioni dispari, ovvero in fase con la tensione di una delle fasi della linea di trasmissione di potenza o opposta ad essa. Per la sottostazione n° 3 risulta essere la fase meno caricata la fase A. La sequenza delle fasi sarà CAB (sottostazione di tipo III).
Riso. 1.12. Diagramma vettoriale di tensioni e correnti per la sottostazione n. 1
Riso. 1.13. Diagramma vettoriale di tensioni e correnti per la sottostazione n. 2
Riso. 1.14. Diagramma vettoriale di tensioni e correnti per la sottostazione n. 3
L'ordine di alternanza delle fasi meno caricate della linea di trasmissione elettrica sarà determinato dal numero di sottostazioni presenti nel sito e dallo schema di alimentazione della rete di trazione.
Con le linee di trasmissione di potenza bidirezionali si utilizzano cicli multipli di tre (Fig. 1.15).
Riso. 1.15. Collegamento alle linee elettriche delle sottostazioni di trazione tipi diversi con alimentazione bidirezionale
Sfortunatamente, il collegamento di un gruppo di sottostazioni di trazione ad una linea elettrica utilizzando la sequenza delle fasi non risolve l'intero problema dell'asimmetria di corrente e tensione. Questi problemi saranno considerati separatamente.
Sistema di alimentazione della trazione a tre filicorrente alternata
Questo sistema è una sorta di sistema a corrente alternata a frequenza di potenza, poiché la locomotiva in questo caso rimane la stessa. Ad esempio, si consideri un sistema di alimentazione di trazione CA 2 × 25 kV 50 Hz.
In fig. 1.16.
Fig.1.16. Lo schema di alimentazione della sezione elettrificata della ferrovia secondo il sistema di alimentazione di trazione di corrente alternata 2 × 25 kV:
1 - trasformatori step-down della sottostazione n. 1 e 2 (monofase) 220/25 kV; 2 - autotrasformatori lineari 50/25 kV con una potenza di 16 mV·A, installati tra le sottostazioni dopo 10 - 20 km; 3 - collegamento di rotaie nel punto medio di un trasformatore step-down e un autotrasformatore lineare (LAT); 4 - flusso di potenza a U = 50 kV; 5 - a U = 25 kV; 6 - locomotiva elettrica
La distanza tra le sottostazioni è di 60 - 80 km.
I vantaggi del sistema sono i seguenti:
Trasferendo potenza al LAT a più di alta tensione(50 kV) si riducono le perdite di potenza e tensione nella rete di trazione;
L'azione schermante del filo di alimentazione 50 kV consente di ridurre l'influenza della rete di contatto sulle linee adiacenti.
I vantaggi citati del sistema in esame determinano la sua applicazione su ferrovie ad alta densità di carico e traffico passeggeri ad alta velocità.
Gli svantaggi del sistema includono:
Aumento del costo di elettrificazione dovuto alla capacità installata di LAT;
Complicazione del mantenimento della rete di contatti;
Difficoltà nella regolazione della tensione.
Per la prima volta in Giappone nel 1971 è stato utilizzato un sistema di alimentazione di trazione CA a tre fili. Nei paesi del Commonwealth nel 1979 è stata installata la prima sezione della ferrovia Vyazma - Orsha della ferrovia bielorussa.
Attualmente, più di 2.000 km sono stati elettrificati utilizzando questo sistema sulle ferrovie Mosca, Gorky ed ex Baikal-Amur.
Il sistema di alimentazione fornito è considerato in modo più dettagliato nei lavori.
Contattare gli schemi di alimentazione della rete
A seconda del numero di percorsi di alimentazione, i circuiti di alimentazione della rete di contatti possono essere a percorso singolo e multiplo. In questo caso, è possibile utilizzare sia l'alimentazione unilaterale che bilaterale.
Sulle sezioni a binario singolo si sono diffusi schemi di alimentazione unidirezionale separata, console e contro-console. Viene utilizzato anche per l'alimentazione a due vie.
Sulle sezioni a doppio binario - schemi di separato, nodale, contro-console, contro-anello e fornitura parallela.
La scelta del metodo di fornitura della rete di contatti è associata a indicatori specifici del suo funzionamento: affidabilità ed efficienza. Garantire l'affidabilità si ottiene sezionando la rete di contatti e automatizzando l'assemblaggio di circuiti, efficienza - riducendo la perdita di energia elettrica e il carico uniforme della rete di contatti di singole sezioni e tracce.
I circuiti di alimentazione della rete di contatti sono mostrati in Fig. 1.17 e 1.18.
Tratto a binario unico(vedi figura 1.17). La rete di contatti è divisa in due sezioni (da un'interfaccia isolante o da un inserto neutro), e ciascuna sezione è alimentata dalla sottostazione attraverso il proprio alimentatore. Se una sezione è danneggiata, solo questa sezione è disabilitata (Fig. 1.17, a). Con uno schema a sbalzo (Fig. 1.17, b), il sito è alimentato da una sottostazione su un lato. In caso di danni, l'alimentazione viene rimossa dall'intera area. Con lo schema contro-console (Fig. 1.17, c), il sito è alimentato da una sottostazione su un lato. Ogni sezione ha il proprio alimentatore. Se una delle sottostazioni è spenta, il sito è senza alimentazione.
Fig.1.17. Circuiti di alimentazione della rete di contatti di un tratto a singola pista
sezione a doppio binario(vedi figura 1.18). Un circuito di alimentazione separato (Fig. 1.18, a) fornisce alimentazione a ciascun percorso indipendentemente l'uno dall'altro. A questo proposito, la sezione trasversale totale della sospensione del contatto diminuisce, il che porta ad un aumento della perdita di energia elettrica. Allo stesso tempo, l'affidabilità di questo schema di alimentazione è maggiore rispetto ad altri schemi. Lo schema di potenza nodale (Fig. 1.18, b) viene eseguito utilizzando pali di sezionamento. In questo caso la perdita di energia elettrica è ridotta grazie al possibile aumento della sezione della catenaria. In caso di danneggiamento della rete di contatto, non è esclusa dall'esercizio l'intera zona interstazione, ma solo l'area danneggiata compresa tra la cabina e il posto di sezionamento.
Fig.1.18. Circuiti di alimentazione per la rete di contatti di una tratta a doppia pista
Il circuito della console (Fig. 1.18, c) fornisce alimentazione a ciascun percorso separatamente da diverse sottostazioni. Gli svantaggi qui sono gli stessi di uno schema simile di una sezione a binario singolo. Lo schema della contro-console (Fig. 1.18, d) consente di dividere la zona inter-sottostazione in sezioni non collegate elettricamente tra loro. Ogni percorso è alimentato dal suo alimentatore. Quando l'alimentatore è disconnesso, la sezione è senza tensione. La perdita di energia elettrica è in aumento.
Lo schema contro-anello (Fig. 1.18, e) consente di alimentare le sezioni lungo l'anello da due sottostazioni, riducendo la perdita di energia elettrica e aumentando l'affidabilità. Il circuito parallelo (Fig. 1.18, e) dell'alimentazione è il più diffuso. Con questo schema, la rete di contatti è alimentata da due sottostazioni su entrambi i lati. Poiché la sospensione del contatto di entrambi i percorsi è interconnessa elettricamente, la sua sezione trasversale aumenta, il che porta a una diminuzione delle perdite di energia elettrica. Allo stesso tempo, il circuito di alimentazione in parallelo è altamente affidabile rispetto ad altri circuiti.
Sulle ferrovie nazionali, lo schema di alimentazione in parallelo è adottato come principale.
Le prime possibilità di dotare la ferrovia di trazione elettrica furono discusse nel 1874. Specialista russo F.A. Pirotsky nel periodo di tempo indicato ha effettuato i primi esperimenti pratici sui binari ferroviari vicino a Sestroretsk sulla possibilità di trasmettere energia elettrica attraverso l'uso di rotaie isolate dal suolo.
I primi tentativi di dotare la trazione elettrica
Il lavoro è stato eseguito a una distanza di un chilometro. La seconda rotaia fungeva da filo di ritorno. L'energia elettrica risultante è stata fornita a un piccolo motore. Due anni dopo, dopo l'inizio dei lavori in corso, lo specialista F.A. Pirotsky pubblica un articolo sui risultati ottenuti in una delle riviste di ingegneria tecnica. Il risultato finale è stato che ha testato l'avviamento di carrelli che si muovono con l'aiuto dell'elettricità ricevuta lungo i binari di ferro.
Prima applicazione pratica
Werner Siemens, che vive in Germania, ha implementato l'applicazione pratica dell'elettricità sulla ferrovia. L'Esposizione industriale di Berlino del 1879 espose questo risultato nei suoi locali sotto forma di una ferrovia a scartamento ridotto, sulla quale gli ospiti della mostra ebbero l'onore di passare. Il set del treno era composto da diverse carrozze di tipo aperto trainate da una locomotiva elettrica. Il movimento era fornito da due motori alimentati a corrente continua, la tensione di centocinquanta volt era data da una striscia di ferro posta nello spazio interrotaia. Uno dei binari di scorrimento fungeva da filo di ritorno.
trama di prova
Due anni dopo, nella periferia berlinese di Lichterfeld, l'inventore W. Siemens completò la costruzione di treni di prova dotati di energia elettrica e un'auto dotata di motore si mosse lungo di essi. La tensione era di centottanta volt e veniva alimentata a un binario di scorrimento: questo era, per così dire, un filo di ritorno.
Per eliminare la possibile grande perdita di energia elettrica con uno scarso isolamento dovuto all'uso di traversine in legno in questa veste, l'ingegnere Werner Siemens ha dovuto cambiare schema elettrico alimentazione del motore elettrico.
Prima esperienza di sistema di elettrificazione sospeso
L'Esposizione Universale di Parigi è diventata la piattaforma in cui le persone hanno visto la strada elettrica con l'uso di un motore funzionante fuoribordo. Tale alimentazione era sotto forma di un tubo di ferro sospeso sopra i binari della ferrovia. Nella parte inferiore del tubo è stato praticato un taglio longitudinale. Una navetta si muoveva all'interno del tubo, che era collegato tramite un filo flessibile attraverso l'asola esistente e fissato direttamente alla superficie della locomotiva del tetto, trasferendo così la corrente al motore elettrico.
Un tubo simile era sospeso fianco a fianco, parallelo al primo tubo, e serviva da guida inversa. Un sistema simile fu utilizzato sui tram creati nel 1884, apparsi sui territori tedesco e austriaco nelle città di Offenbach, Francoforte, Vorderbrühl e Mödling. Per garantire il traffico tramviario veniva fornita una tensione di trecentocinquanta volt.
La città irlandese di Kinresh negli stessi anni divenne una sorta di piattaforma per gli innovatori che utilizzavano il terzo binario come conduttore di corrente sulle linee del tram. È stato installato utilizzando isolatori paralleli ai binari di scorrimento. Sfortunatamente, questo nuovo schema non ha avuto una lunga applicazione pratica, poiché in condizioni urbane era un chiaro ostacolo per i pedoni e le squadre di cavalli.
Il lavoro di un ingegnere russo
La cosa più interessante è che Fyodor Apollonovich Pirotsky ha messo in guardia su tutte queste circostanze di rovina tecnica per aver fornito energia a un motore elettrico in una delle sue opere, pubblicata nell'edizione del giornale di San Pietroburgo Vedomosti. Hanno affermato direttamente che la sua progenie sotto forma di ferrovia elettrica è la costruzione più semplice ed economica. Non è necessario sostenere costi aggiuntivi per la posa della linea ferroviaria centrale, che aumenta il costo del progetto del cinque percento in una sola volta e ostacola il traffico delle carrozze sulle strade cittadine. La realizzazione del suo progetto non richiederà l'acquisto di pali in ghisa, che costano un sacco di soldi. Successivamente, gli inventori stranieri hanno ascoltato un avvertimento così ragionevole da parte di un ingegnere russo e hanno messo tutto in pratica.
Inventore FA Pirotsky è stato attivamente impegnato nella realizzazione del suo progetto, rendendosi conto che il trasporto urbano e ferroviario non aveva futuro senza elettricità. Sulla base dei risultati delle sue nuove ricerche e prove, ci sarà un'auto a due livelli apparsa per le strade di San Pietroburgo, che si muove lungo i binari. Nel 1881, questa vettura fu esposta alla mostra di Parigi.
La città inglese di Brighton divenne pioniera nell'attuazione pratica del progetto dell'ingegnere russo nel 1884. La lunghezza della ferrovia elettrica, dove era alimentato un solo binario, era di sette miglia. Di conseguenza, l'utile netto di un'auto elettrica, rispetto a una carrozza trainata da cavalli, durante la giornata lavorativa ammontava a quattrocentoventi franchi.
Sviluppi di ingegneri americani
Anche nel continente americano non sono rimasti a guardare, ma sono stati attivamente impegnati a migliorare il metodo di fornitura di corrente su una locomobile elettrica già creata.
Il ricercatore americano T.A. Edison ha condotto lavori di ricerca sul miglioramento di una locomotiva ferroviaria che consuma elettricità come carburante. In un periodo di quattro anni, fino al 1884, T.A. Edison è riuscita a creare tre linee short track. La versione della locomotiva creata, funzionante a corrente elettrica, era più simile a un modello di locomotiva locomotiva. L'energia era fornita da generatori. Uno dei binari del binario era alimentato dal negativo, l'altro era collegato al polo positivo del generatore. Già nel 1883, all'esposizione di Chicago, apparve in uno dei cantieri una locomotiva moderna per l'epoca, che consumava corrente elettrica, chiamata “The Judge”. La realizzazione di questa versione di locomotiva elettrica è stata realizzata in stretta collaborazione con un altro inventore, S.D. Campo.
Allo stesso tempo, l'ingegnere americano L. Daft riuscì a costruire il primo modello della locomotiva elettrica principale, denominato "Atreg". La locomotiva utilizzava lo scartamento normale sui binari della ferrovia da McGregor a Saratoga. Successivamente, L. Daft riesce a migliorare le qualità tecniche della propria versione della locomotiva, ma ora si chiama "Benjamin Franklin", la sua massa è di dieci tonnellate, la sua lunghezza è di quattro metri. C'erano quattro ruote motrici. La fornitura di corrente elettrica, la cui tensione era di duecentocinquanta volt, veniva effettuata attraverso la terza rotaia, che garantiva il funzionamento del motore, la cui potenza raggiungeva il livello di centoventicinque cavalli. Erano sufficienti perché il treno avesse otto vagoni, e loro li seguivano, spinti da una locomotiva elettrica a una velocità pari a sedici chilometri orari.
Strada a cremagliera svizzera
L'ingegnere svizzero Mr. R. Thorn, nello stesso 1884, costruì una ferrovia sperimentale con ingranaggi. Di conseguenza, il villaggio di Tori e l'albergo di montagna hanno ricevuto un'arteria di trasporto con una forte pendenza, lungo la quale ha seguito una piccola locomotiva elettrica con quattro ruote motrici. I parametri di potenza erano insignificanti e consentivano solo a quattro persone di trasportare passeggeri. Scendendo il pendio, è stata attivata la modalità di frenata e il motore elettrico è diventato un generatore, cedendo l'energia elettrica generata alla rete.
Elettrificazione in Russia
Progetto
I progettisti di tutti i paesi hanno lavorato per migliorare le versioni esistenti della locomotiva elettrica, nonché sulla tecnica di fornitura di elettricità alla locomotiva.
L'elettrificazione è andata per la sua strada nell'impero russo. Il progetto su come elettrificare la prima ferrovia domestica apparve alla fine del XIX secolo, nel 1898. Ma per iniziare a costruire l'Oranienbaum linea elettrica da San Pietroburgo a Krasnye Gorki fu possibile solo nel 1913. Non è stato possibile attuare integralmente i piani esistenti a causa dello scoppio della prima guerra mondiale. Di conseguenza, sezioni limitate della strada sono diventate il percorso del tram cittadino. A Strelna i tram seguono ancora i binari.
Nel periodo post-rivoluzionario, il giovane governo della RSFSR iniziò lo sviluppo del noto piano GOELRO e lo approvò nel 1921. L'elettrificazione dei binari doveva essere completata in dieci-quindici anni. La lunghezza dei nuovi binari previsti dal progetto era di tremilacinquecento chilometri, coprendo solo una piccola parte delle aree più importanti.
Inizio dei lavori
Le prime ferrovie con trazione elettrica apparvero nel 1926 sulla rotta da Surakhani a Sabunchi e successivamente verso la capitale dell'Azerbaigian - Baku. Tre anni dopo, i treni elettrici dominano il percorso suburbano da Mosca-Passeggero a Mytishchi lungo la ferrovia settentrionale.
Passò ancora un po 'di tempo e nel 1932 la sezione del passo Suramsky ricevette elettricità. Ora su questa strada il traffico principale era fornito da locomotive elettriche. Il sistema di trazione elettrica utilizzava corrente continua, la cui tensione raggiungeva un valore di tremila volt. Negli anni successivi fu ampiamente utilizzato sulle ferrovie dell'Unione Sovietica. I primi giorni di funzionamento della locomotiva elettrica hanno mostrato chiaramente il loro vantaggio rispetto alla trazione della locomotiva. Questi indicatori erano la produttività e l'efficienza energetica.
Nel 1941, la lunghezza di tutti i percorsi forniti di energia elettrica era di milleottocentosessantacinque chilometri.
periodo del dopoguerra
Nel primo anno del dopoguerra le linee elettrificate raggiungono la lunghezza totale di duemilaventinove chilometri. Va notato che seicentosessantatre chilometri di strada sono stati restaurati, e di fatto praticamente ricostruiti.
C'è stato un ripristino attivo delle capacità produttive delle fabbriche distrutte durante la guerra. Una nuova impresa appare nella città di Novocherkassk, specializzata nella produzione di locomotive elettriche. Due anni dopo la guerra iniziò a funzionare l'impresa di Riga per la produzione di treni elettrici.
Non dobbiamo dimenticare che in quel difficile dopoguerra l'elettrificazione delle ferrovie richiedeva ingenti infusioni di stanziamenti monetari. Pertanto, il volume di crescita dei binari con l'elettricità è rimasto molto indietro rispetto ai piani pianificati e ammontava solo al tredici percento. C'erano molte ragioni per questo, a partire dagli scarsi finanziamenti per il lavoro, e finendo con l'alto costo dei materiali necessari per condurre tale costruzione.
anni '50
Negli anni Cinquanta del Novecento, il livello del valore guadagnato rispetto ai carichi pianificati era del settanta per cento.
Al 20° Congresso del Partito, il Primo Segretario del Comitato Centrale del PCUS N.S. Krusciov ha criticato severamente l'intera leadership del Ministero delle Ferrovie. Alcuni funzionari sono stati rimossi dalle loro posizioni.
Uno dei compiti del quinto piano quinquennale era la costruzione di nuove centrali elettriche in grado di soddisfare le esigenze di una ferrovia elettrificata.
I successivi piani generali in fase di creazione richiedevano l'elettrificazione di quarantamila chilometri di linee ferroviarie entro il 1970.
Aumentare il ritmo
E ancora, l'industrializzazione aiuta a raggiungere uno sviluppo annuale per la costruzione di ferrovie dotate di elettricità per un importo di duemila chilometri.
Nel marzo 1962 apparvero rapporti vittoriosi sull'adempimento dei carichi pianificati del centocinque percento, che in termini fisici era di ottomilaquattrocentosettantatre chilometri. Tutto ciò testimoniava chiaramente il precedente ritardo rispetto al livello dei risultati desiderati.
Negli anni settanta del ventesimo secolo, la sostituzione di massa con raddrizzatori a semiconduttore iniziò a sostituire i raddrizzatori al mercurio presenti nelle sottostazioni. Ogni nuova sottostazione in costruzione era dotata solo di apparecchiature a semiconduttore. Tutto ciò significava che le unità inverter più potenti e affidabili apparivano nell'Unione Sovietica. Hanno permesso di restituire alla rete primaria esterna l'energia in eccesso, generata dal materiale rotabile durante il periodo di frenatura elettrica.
La disconnessione sicura e rapida della corrente in una rete di fili di contatto è sempre stata difficile e dolorosa, specialmente durante un cortocircuito.
Infine, potenti interruttori sono apparsi nelle sottostazioni ferroviarie.
Sono stati installati a coppie in uno schema sequenziale.
Periodo russo
Con l'inizio del ventunesimo secolo, c'è una notevole diminuzione del ritmo di costruzione delle linee di comunicazione elettrificate nelle ferrovie russe, un anno: si tratta di quattrocentocinquanta chilometri. A volte questo valore scendeva a centocinquanta chilometri, a volte saliva a settecento chilometri. Una parte significativa dei binari elettrificati è stata trasferita all'uso della corrente alternata. Una modernizzazione simile è stata effettuata sulle strade caucasiche, di ottobre e nelle direzioni siberiane.
Soci 2014
Alla vigilia delle Olimpiadi invernali del 2014, è stata immediatamente costruita una nuova ferrovia elettrificata lungo il percorso da Adler a Krasnaya Polyana. Oggi la Repubblica di Bielorussia continua a lavorare all'elettrificazione delle ferrovie sul suo territorio.
