Системы тока. Напряжение в контактной сети
На железных дорогах России используют две системы электроснабжения: постоянного и однофазного переменного тока. Тяга на трехфазном переменном токе не получила распространения, поскольку технически сложно изолировать близко расположенные провода двух фаз контактной сети (третья фаза — рельсы).
Электрический подвижной состав обеспечивают тяговыми двигателями постоянного тока, так как предлагаемые модели двигателей переменного тока не отвечают предъявляемым требованиям по мощности и надежности. Поэтому железнодорожные линии снабжают системой однофазного переменного тока, а на локомотивах устанавливают специальное оборудование, преобразующее переменный ток в постоянный.
Правилами технической эксплуатации регламентированы номинальные уровни напряжения на токоприемниках электрического подвижного состава: 3 кВ — при постоянном токе и 25 кВ — при переменном. При этом определены допустимые с точки зрения обеспечения стабильности движения колебания напряжения: при постоянном токе — 2,7. 4 кВ, при переменном — 21 . 29 кВ. На отдельных участках железных дорог допускается уровень напряжения не менее 2,4 кВ при постоянном токе и 19 кВ — при переменном.
Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески.
На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный. Все оборудование, подающее переменный ток, размещается на открытых площадках, а выпрямители и вспомогательные агрега ты — в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергия поступает в контактную сеть по питающей линии — фидеру.
Основными недостатками системы электроснабжения постоянного тока являются его полярность, относительно низкое напряжение и отсутствие возможности обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего. Рельсы, служащие проводниками тока разной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и искусственных сооружений. Для предотвращения этого применяют соответствующие защитные устройства (анодные заземлители, катодные станции и др.).
Из-за относительно низкого напряжения (11 = 3 кВ) в системе постоянного тока по контактной сети к электрическому подвижному составу подводится мощность (Ж= Ш) при большой силе тягового тока /. Для этого тяговые подстанции размещают недалеко друг от друга (10. 20 км) и увеличивают площадь сечения проводов контактной подвески.
При переменном токе повышается эффективность использования электрической тяги, поскольку по контактной сети передается требуемая мощность при меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 40. 60 км друг от друга. Их задачей является только понижение напряжения со 110. 220 до 25 кВ, поэтому их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока. Кроме того, в системе однофазного переменного тока площадь сечения проводов контактной сети примерно в два раза меньше. Для размещения оборудования на тяговых подстанциях при переменном токе используют открытые площадки. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше.
В результате воздействия электромагнитного поля переменного тока на металлические конструкции и коммуникации, расположенные вдоль железнодорожных путей, в них появляется опасное для людей напряжение, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому применяют особые меры защиты сооружений. Затраты на такие защитные меры, как улучшение электрической изоляции между рельсами и землей, замена воздушных линий кабельными или радиорелейными, составляют 20. 25 % общей стоимости работ по электрификации.
Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных станциях. В ряде случаев, когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.
yelkz
Одной из особенностей железнодорожного транспорта в России является высокая доля электрифицированных дорог. По протяжённости электрифицированных магистралей на конец 2014-го года Россия занимает 1-е место в мире — 43,4 тыс. км (2-е место Китай — 38,5 тыс. км) — где-то около половины дорог общего пользования. Ну то что много магистралей электрифицировано — это в общем ни для кого не секрет, а вот то что в контактных сетях используется токи разного рода многие узнают с удивлением. Тем ни менее факт: в контактных сетях используется либо постоянный электрический ток номинальным напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты 50 Гц номинальным напряжением 25 кВ. Я об этом сам долгое время не задумывался — узнал когда получал третью группу электробезопасноти (работа в конторе связанной с РЖД как-то обязывала вникать и разбираться). Ну и в общем долгое время я этот факт ("есть постояннка 3 кв, есть переменка 25 кВ/50 Гц") принимал как должное — "потому что так принято исторически". А некоторое время всё-таки в вопрос захотелось вникнуть и как-то разобраться — а почему собственно так.
Сразу хочу оговориться — очень глубоко к физику электропитания я копать не буду, ограничиваясь какими-то общими фразами и где-то специально утрируя. Мне иногда высказывают, что вот я упрощаю — а специалисты-то читают и понимаю, что там "всё не так". Это я в курсе, но специалисты то о чём я пишу думаю и так знают — и вряд ли для себя что-то новое почерпнут.
Итак, собственно начать следует с того, что впервые применение электричества в качестве источника энергии для тяги поездов было продемонстрировано на промышленной выставке в Берлине в 1879 году, где был представлен макет электрической железной дороги. По участку протяженностью менее 300 м со скоростью 7 км/ч двигался поезд, состоящий из локомотива мощностью 2,2 кВт и трех вагончиков, в каждом из которых могло разместиться до 6 пассажиров. Создателями нового вида тяги были знаменитый немецкий учёный, изобретатель и промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Werner von Siemens, 1816-1892) и инженер Хальске. К началу 20 века сомнений в эффективности электрической тяги не оставалось. В короткий срок в различных странах было реализовано несколько проектов электрификации жд. На первом этапе электрификация применялась в горных местностях на линиях с тяжелым профилем, с большим количеством тоннелей, а также на пригородных участках, т.е. на тех участках, где преимущества электрической тяги были очевидны.
Соответственно два главных направления применения электрификации: пригородное сообщение и горные магистрали. О пригородном сообщении (суть электропоездах) хочется рассказать отдельно, сейчас же надо заметить лишь, что как раз пригородное железнодорожное сообщение в плане электрификации явилось приоритетным в СССР (в Российской Империи этот проект довести до ума не успели — помешала первая мировая война и революция), в СССР же за это взялись с размахом (тут план ГОЭЛРО конечно очень поспособствовал) — электропоезда начали заменять пригородные поезда на паровой тяге.
В качестве системы электроснабжения была принята система постоянного тока с номинальным напряжением 1500 В. Система постоянного тока была выбрана потому, что при однофазном переменном токе требовались бы более тяжелые и дорогие моторные вагоны из-за необходимости постановки на них трансформаторов. Кроме того, тяговые двигатели постоянного тока имеют при прочих равных условиях более высокий вращающий момент и более приспособлены для пуска по сравнению с двигателями однофазного тока. Это особенно важно для моторных вагонов, работающих на пригородных участках с большим числом остановочных пунктов, где требуется высокое ускорение при трогании с места. Напряжение 1500 В было выбрано в связи с тем, что требуется значительно меньше меди для контактной сети по сравнению с системой 600-800 В (использовалось для электрификации трамваев-троллейбусов). Одновременно появилась возможность создать надежное электрооборудование моторного вагона, на что нельзя было в то время рассчитывать при напряжении 3000 В (первые линии пригородного сообщения, электрифицированные постоянным током 3000 В появились только в 1937 году, однако в дальнейшем на такое напряжение перевели все уже построенные линии).
Параллельно с развитием пригородного сообщения в 1932—1933 гг. электротяга была внедрена на магистральной железной дороге Хашури — Зестафони (63 км) на тяжёлом Сурамском перевале. Здесь, в отличие от Москвы и Баку, электротяга использовалась для грузовых и пассажирских перевозок. Впервые на железнодорожных линиях СССР стали работать электровозы (собственно по месту применения их так и стали называть «сурамские электровозы» или «или электровозы сурамского типа»):
Основной чертой всех электровозов сурамского типа явилось наличие переходных площадок по концам кузова, что по существовавшим в то время нормам было обязательным для всех электровозов с электрооборудованием для работы по СМЕ. Экипажная часть локомотива состоит из двух сочленённых трёхосных тележек (осевая формула 0- 30-0 + 0-30-0). Кузов вагонного типа с несущей главной рамой. Рессорное подвешивание выполнено преимущественно на листовых рессорах. Подвешивание тягового электродвигателя — опорно-осевое.
И вот тут надо сделать важное замечание. В противовес паровозам, двигателем которого является паровая машина, железнодорожный транспорт следующих поколений начал приводиться в действие электродвигателями: так называемые ТЭД-ы (тяговые электродвигатели) — для многих кстати неочевидно, что ТЭД-ы используются как в электровозах/электропоездах, так и в тепловозах (последние просто питают ТЭД-ы размещенным в локомотиве дизель-генератором). Так вот на заре электрификации ЖД использовались ТЭД-ы исключительно постоянного тока. Это связано с их конструктивными особенностями, возможностью достаточно простыми средствами регулировать скорость и вращающий момент в широких пределах, возможностью работать с перегрузкой и т.д. Говоря техническим языком, электромеханические характеристики двигателей постоянного тока идеально подходят для целей тяги. Двигатели же переменного тока (асинхронные, синхронные) имеют такие характеристики, что без специальных средств регулирования их применение для электротяги становится невозможным. Таких средств регулирования на начальном этапе электрификации еще не было и поэтому, естественно, в системах тягового электроснабжения применялся постоянный ток. Строились тяговые подстанции, назначением которых является понижение переменного напряжения питающей сети до необходимого значения, и его выпрямление, т.е. преобразование в постоянный.
Но использование контактной сети постоянного тока создавало другую проблему — большой расход меди в контактной сети (по сравнению с переменным током), ибо для передачи большой мощности (мощность равна произведению тока на напряжение) при постоянном напряжении напряжении нужно обеспечить большую силу тока, ну то есть нужно больше провода и большего сечения (напряжение неизменно — надо понижать сопротивление).
Ещё в конце 1920-х гг., когда только начинали электрифицировать Сурамский перевал, многие специалисты хорошо понимали, что в будущем электрическая тяга на постоянном токе с номинальным напряжением 3 кВ не позволит рационально решить вопрос увеличения провозной способности линий путём повышения веса поездов и скорости их движения. Простейшие расчёты показывали, что при ведении поезда массой 10 000 т на подъёме 10 ‰ при скорости 50 км/ч тяговый ток электровозов будет составлять более 6000 А. Это требовало бы увеличения сечения контактных проводов, а также более частого расположения тяговых подстанций. После сравнения около двухсот вариантов сочетаний рода тока и величин напряжений было принято решение, что оптимальным вариантом является электрификация на постоянном или переменном (50 Гц) токе напряжением 20 кВ. Первая система на тот момент в мире нигде не была испытана, а вторая была хоть и очень мало, но изучена. Поэтому на первой Всесоюзной конференции по электрификации железных дорог было принято решение о сооружении опытного участка, электрифицированного на переменном токе (50 Гц) напряжением 20 кВ. Требовалось создать электровоз для испытаний, которые бы позволили выявить преимущества и недостатки электровозов переменного тока в условиях нормальной эксплуатации.
В 1938-м году был создан электровоз ОР22 (однофазный с ртутным выпрямителем, 22 — нагрузка от колёсных пар на рельсы, в тоннах). Принципиальная схема электровоза (трансформатор—выпрямитель—ТЭД, то есть с регулированием напряжения на низкой стороне) оказалась настолько удачной, что её стали использовать при проектировании подавляющего большинства советских электровозов переменного тока. На этой модели было опробовано ещё множество других идей, нашедших потом воплощение в более поздних проектах, но к сожалению дальше вмешалась война. Экспериментальная машина была разобрана, её выпрямитель использован на тяговой подстанции постоянного тока. А к идеям электровозов переменного тока вернулись только в 1954-м году с серией НО (или ВЛ61) уже на Новочеркасском электровозостроительном заводе.
Первым на переменном токе (напряжением 20 кВ) был электрифицирован опытный участок Ожерелье — Михайлов — Павелец в 1955—1956 гг. После проведения испытаний было решено увеличить напряжение до 25 кВ. Результаты эксплуатации опытного участка электрической тяги на переменном токе Ожерелье — Павелец Московской железной дороги позволили рекомендовать эту систему переменного тока к широкому внедрению на железных дорогах СССР (постановление Совета Министров СССР № 1106 от 3 октября 1958 г.). С 1959 года переменный ток напряжением 25 кВ начал внедряться на длинных участках, где требовалась электрификация, но поблизости не было полигонов постоянного тока.
В 1950—1955 гг. началось первое, ещё осторожное расширение полигона электрификации. Начался переход с напряжения 1500 В на 3000 В на всех пригородных узлах, дальнейшее развитие пригородных узлов, удлинение электрифицированных линий до соседних областных центров с внедрением электролокомотивной тяги для пассажирских и грузовых поездов. «Островки» электрификации появились в Риге, в Куйбышеве, в Западной Сибири, Киеве. С 1956 года (которой ознаменовал собой конец эпохи паровозов) начался новый этап массовой электрификации железных дорог СССР, который стремительно вывел электротягу и тепловозную тягу с 15 % доли в перевозках в 1955 году до 85 % доли в 1965 году. Массовая электрификация шла преимущественно на уже хорошо себя зарекомендовавшем постоянном токе напряжением 3000 В, хотя где-то уже начинал вводиться и переменный токе частоты 50 Гц напряжением 25 кВ. Параллельно с развитием сети линий на переменном токе велась разработка подвижного состава переменного тока. Так, первые электропоезда переменного тока ЭР7 и ЭР9 начали работу в 1962 г., а для Красноярской железной дороги в 1959 г. были приобретены французские электровозы типа Ф, так как производство советских электровозов переменного тока (ВЛ60 и ВЛ80) задерживалось.
В общем постоянным током были электрифицированы линии, вводимые в эксплуатацию раньше — более поздние линии электрифицировались уже переменным током. Также в 90-е/2000-е произошёл масштабный перевод ряда линий с постоянного тока на переменный. Споры о преимуществах систем не прекратились до сих пор. На заре внедрения переменного тока считалось, что эта система электропитания более экономичная, но сейчас однозначного решения нет:
— подвижной состав постоянного тока в полтора раза дешевле
— удельный расход у ЭПС на холмистом профиле, типичном для большей части нашей страны на 30% ниже.
Так или иначе, новые линии электрификации сейчас строятся только на переменном токе, а также некоторые старые переводятся с постоянного на переменный ток. Единственный в истории электрификации советских и российских железных дорог случай перевода участка с переменного тока на постоянный произошёл в 1989 году на Павелецком направлении Московской железной дороги. После электрификации на постоянном токе участка Рыбное — Узуново участок Ожерелье — Узуново (та самая исторически первая магистраль переменного тока) с переменного тока переведён на постоянный ток:
К слову сказать, сейчас есть тенденция к внедрению более надежных и экономичных асинхронных ТЭД-ов (на локомотивах нового поколения ЭП20, ЭС10, 2ТЭ25А ставятся именно они). Так что в сильно отдаленном будущем по причине перехода на такие ТЭД-ы от постоянного тока можно будет отказаться совсем. Пока что же отлично используются оба рода тока:
Осталось прояснить последний вопрос. Разнообразие систем электроснабжения вызвало появление пунктов стыкования (систем тока, напряжений, частоты тока). При этом возникло несколько вариантов решения вопроса организации движения через такие пункты. Выявились три основные направления:
1) Оборудование станции стыкования переключателями, позволяющими подавать на отдельные участки контактной сети тот или иной род тока. Например, поезд прибывает с электровозом постоянного тока, затем этот электровоз отцепляется и уезжает в оборотное депо или тупик для отстоя локомотивов. Контактную сеть на этом пути переключают на переменный ток, сюда заезжает электровоз переменного тока и ведет поезд далее. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива и связанных с этим дополнительных материальных, организационных и временны́х затрат. При этом значительное время занимает не столько смена электровоза, сколько опробование тормозов
2) 2. Использование многосистемного подвижного состава (в данном случае — двухсистемного — хотя в Европе например бывают и четырёхсистемные локомотив). При этом стыкование по контактной сети может делаеться за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Применение двухсистемных пассажирских электровозов сокращает время следования пассажирских поездов, и не требует сменять локомотив. Но стоимость таких электровозов выше. Дороже такие электровозы и в эксплуатации. Кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса).
3) Применение тепловозной вставки — оставление между участками с разными системами электроснабжения небольшого тягового плеча, обслуживаемого тепловозами. На практике применяется на участке Кострома — Галич протяженностью 126 км: в Костроме постоянный ток (=3 кВ), в Галиче — переменный (
25 кВ). Транзитом курсируют поезда Москва—Хабаровск и Москва—Шарья, а также Самара—Кинель—Оренбург (прицепка тепловоза к пассажирским поездам происходит в Самаре, а к грузовым — в Кинеле). В Самаре и в Кинеле постоянный ток (=3 кВ), в Оренбурге — переменный (
25 кВ), транзитом проходят поезда на Орск, Алма-Ату, Бишкек. При таком способе «стыкования» значительно ухудшаются условия эксплуатации линии: вдвое удлиняется время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.
На практике же у нас в основном встречается первый способ — со станциями стыкования родов тяги. Скажем если я еду из Саратова в Москву такой станцией будет Узуново, если в Санкт-Петербург — Рязань-2, если в Самару — Сызрань-1, ну а если в Сочи или Адлер — Горячий Ключ (всегда кстати удивлялся тому факту, что в Сочи до сих пор используется постоянный ток, хотя все Северо-Кавказские ЖД на переменке — но говорят там надо чтоб на переменку перевести туннели где-то расширять, есть в общем проблемы).
А вообще могу ещё порекомендовать отличную карту-схема с где обозначена электрификация железных дорог России и Европы. Очень я люблю в эту карту позалипать:
>>> смотреть <<<
какое напряжение в контактной сети провода на ржд. на железной дороги россии
На железных дорогах России и стран бывшего Советского Союза участки, электрифицированные по системе постоянного тока, сейчас в основном используют напряжение =3000 В (на старых участках — =1500 В) . В начале 70-х в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением =6000 В, однако в дальнейшем все новые участки электрифицировались переменным током более высокого напряжения.
Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные по системе переменного тока, используют напряжение
Величина напряжения в контактной сети ржд
Какое напряжение в контактной сети на РЖД и действительно ли оно доходит до 30 тысяч вольт?
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 03.11.2021
Почему на железных дорогах Дальнего Востока напряжение в контактной сети 30 000 Вольт а на Западных дорогах 3 000 Вольт?
Сразу поясняю, 30 000 Вольт, это напряжение в контактной сети переменного тока и если быть точным, величина напряжения варьируется от 27 000 до 30 000 Вольт. 3 000 Вольт, это напряжение в контактной сети постоянного тока.
Да, дороги востока России электрифицированы на переменном токе, а вот в Сибири, многие дороги работают на постоянном. «Постоянка» преобладает на дорогах центральных регионов нашей страны, но не везде. На западе страны многие дороги электрифицированы на переменном токе, например юг России и недалеко от Москвы, например, Северная железная дорога. Поедем из Москвы с Ярославского вокзала в сторону Дальнего Востока и уже через несколько часов наш московский электровоз на станции Данилов отцепится от поезда и прицепится электровоз переменного тока, тоже происходит и на станции Рязань, если мы едем на юг.
Только сейчас уже вовсю эксплуатируются электровозы двойного питания. Что это такое? Это электровоз, который может работать как на постоянном так и на переменном токе, это очень здорово! Если раньше поезда стояли на станциях стыкования по 30 – 40 минут ожидая смены локомотивов, то теперь стоянка составляет несколько минут, достаточно опустить токоприемник и перевести электровоз в режим работы от другого рода тока, поднимаем токоприемник и поехали дальше!
Это, например, электровозы серии ЭП20, присмотритесь, если увидите на вокзале.
Ну а почему такой разброс в напряжении, это в основном вопрос экономический. Первыми в стране электрифицировались железные дороги в центре страны и дешевле было применить в этом деле ток постоянный, напряжением 3 000 Вольт. Железные дороги востока переходили на электрическую тягу гораздо позже и здесь уже применялся ток переменный, а потому-что это и экономически и в тяговом аспекте более выгодно, чем применение постоянного. Во- первых для работы линии на постоянном напряжении требуется через каждые 25 километров строить тяговые подстанции, для улучшения токосъема требовалось прокладывать двойной контактный провод ну и постоянный ток обладает таким нехорошим свойством – он разрушает близлежащие металлические детали и опоры контактной сети, да и в тяге он проигрывает переменному. Вообщем потери налицо.
Переменный ток лишен этих недостатков : тяговые подстанции можно строить на расстоянии 50 – 80 километров друг от друга, контактный провод прокладывается один, металлические детали не разрушаются, правда он негативно влияет на работу радиосвязи, но это мелочи. Преимущества очевидны!
Перспективность электротяги была доказана ведущими институтами и учеными и конечно впоследствии переменный ток взял верх над постоянным. В настоящее время многие участки с постоянным током, в том числе и на западе страны переводятся на переменный. Как пример, в конце 90-х годов прошлого века была проведена колоссальная работа по переделке большого участка Слюдянка – Зима, Восточно-Сибирской железной дороги с постоянного на переменный ток, поезда не ходили по Транссибу около шести суток! Сильно отличаются по устройству электровозы постоянного и переменного тока. Первые попроще да и в весе полегче, так как оборудования на них поменьше.
Внутри электровоза переменного тока ЭП-1
Электровозы переменного тока гораздо сложнее, весят они тяжелее, потому что оборудования на них больше. Электровозы переменного тока мощнее своих постоянных собратьев, соответственно можно существенно увеличить вес поездов, хотя представители постоянного тока в этом соревновании не уступают. Темой устройства, преимуществ и недостатков электровозов переменного и постоянного тока мы еще займемся. Ну вот пока все!
На дорогах с напряжением 30 000 Вольт нет проблемы ЗАЦЕПЕРОВ, особенно которые любят побегать по крыше состава, а самые отчаянные умудряются при этом еще и виснуть на токоприемнике. Зацепинг проблема запада и все дело далеко не в разном менталитете, просто 30 000 Вольт переменного тока как вы понимаете гораздо опасней 3 000 Вольт постоянного. Вероятность поражения электрическим током, если вы находитесь на крыше состава очень высока, а шансов остаться в живых после случайного соприкосновения с токоведущими элементами локомотива или электропоезда практически нет!
Какое напряжение Контактной Сети на железной дороге? Различие КС постоянного и переменного тока
Опубликовано 05.04.2021 · Обновлено 12.11.2021
В настоящее время РЖД использует два вида тока на электрифицированных участках железных дорог:
- Постоянный ток (DC) напряжением 3 000 Вольт;
- Переменный ток (AC) частотой 50 Гц и напряжением 27 000 Вольт.
На железных дорогах России еще исторически, и в наследие от Советского Союза, большинство участков пути для движения поездов являются электрифицированными. Длина путей, электрифицированных уже в наше время, неуклонно увеличивается, РЖД уже обеспечила полный переход на электровозную тягу Транссибирской магистрали, и теперь движение от Владивостока до Москвы осуществляется лишь за счет электрической энергии. Однако если попытаться проехать этот маршрут посредством тяги лишь одного единственного электровоза (за исключением двухсистемных электровозов), ничего из запланированного не получится. Такой локомотив просто встанет в местах смены действующего напряжения и тока в контактной сети.
Контактная сеть постоянного тока 3 кВольт
Контактная сеть постоянного тока
Исторически сложилось так, что первые электровозы, несшие службу в Сурамском перевале СССР, были предназначены для питания постоянным напряжением до полутора тысяч Вольт. Соответственно вся транспортная инфраструктура создавалась под постоянное напряжение, и дальнейшая разработка электровозов велась также под систему питания DC, а далее уже созданная инфраструктура играла ведущую роль в формировании технических требований для локомотивостроительных предприятий. Тем временем железные дороги развивались и, если пренебречь исторической точностью, так как наш материал не про историю, Московская железная дорога с некоторым количеством других железных дорог СССР, преимущественно в центральноевропейском районе, обзавелись инфраструктурой для питания электроподвижного состава DC. Только вот напряжение с 1,5 кВольт было увеличено до 3 кВольт.
Такое повышение было сделано не с проста. Все дело в объемах перевозок, точнее в их постоянном росте. Развитие отраслей народного хозяйства требовали от железных дорог постоянного увеличения пассажиро- и грузо- потоков, и электровозы должны были перевозить все больший и больший вес, а для этого нужны высокие значения силы тока (I, Ампер).
Профиль контактного провода
Исходя из законов электротехники мы знаем, что электрическая мощность равна произведению I и действующего напряжения, для повышения мощности электровоза нам нужно либо повысить количество Вольт, либо количество Ампер, ну или и то и другое. При действующем напряжении даже 3000 Вольт I должна постоянно расти, а это приводит к повышенному нагреву проводов, а значит контактный провод должен быть достаточного сечения. А еще DC чувствителен к длине проводящей линии: чем расстояние больше, тем заметнее сопротивление проводника съедает часть полезного напряжения. А еще исходя из высоких показателей Ампер при пробуксовке колес локомотива высок риск локального нагрева в месте контакта токоприемника с контактным проводом, что может вызвать прогорание последнего. Также есть и значительное ограничение по количеству одновременно движущихся составов на участке, обслуживаемом одной электроподстанцией, так как она должна выдавать сумму и без того высоких токов.
Минусы контактной сети постоянного тока
DC для нужд железнодорожного движения обладает сплошными недостатками, и однозначно является менее пригодным вариантом. На сегодняшний день вся электрификация железных дорог осуществляется только AC, за исключением уже исторически сложившихся инфраструктур под DC. Со временем, я думаю, все железные дороги в России перейдут на переменный ток, но пока существует огромное количество единиц подвижного состава, а это и электровозы и электропоезда, заточенных под «постоянку», что делает экономически нецелесообразным переход на «переменку» на таких дорогах.
Если обобщить уже сказанное, то электрификация постоянным током имеет следующие минусы:
- Необходимость использования высоких значений I, для получения адекватной мощности;
- Требуется размещение электропитающих подстанций на расстоянии 50 километров друг от друга, ведь на больших расстояниях сопротивление контактного провода заметно снижает действующее напряжение, что сразу сказывается на мощности;
- Заметное снижение мощности на участках движения нескольких поездов, требующих высокой мощности;
- Дороговизна инфраструктуры, необходимость использования контактного провода с большим сечением;
- Высокое влияние токов Фуко на элементы инфраструктуры.
Из плюсов можно отметить лишь простоту устройства электроподвижного состава, простоту регулирования работы тяговых двигателей.
Контактная сеть переменного тока (AC)
Большинство железных дорог СССР, электрифицированных впервые после 1960-х годов, ну и современной России, работают на AC напряжением 27 кВольт промышленной частоты. Это очень удобное решение, когда электрическая энергия, получаемая на электростанциях в форме трехфазного переменного тока, пройдя простую трансформацию попадает непосредственно в контактную сеть. Таким образом из-за высокого напряжения итоговая мощность достигается меньшими значениями I, а также AC легко передавать на большие расстояния опять же из-за повышенного напряжения, а еще такой ток легко трансформировать. Однако устройство электроподвижного состава несомненно усложняется, по сравнению с составом DC. Теперь на электровозах должны устанавливаться трансформаторы и аппараты для преобразования действующего напряжения в пульсирующее или постоянное, для дальнейшего питания коллекторных тяговых электродвигателей, оборотами которых легко управлять.
В чем сложность работы от переменного тока
Тяговые электродвигатели, как главная движущая сила на электроподвижном составе, оборотами которых можно довольно просто управлять меняя напряжение, являются коллекторными и предполагают работу от постоянного тока. Таким образом мы получаем тот самый минус, который является преимуществом контактной сети AC: необходимость трансформации переменного тока в пульсирующий или постоянный, для управления тяговыми электродвигателями.
Существуют и более простые AC двигатели — асинхронные, которые применяются на вспомогательных машинах электровозов и электропоездов (мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы). Обороты этих двигателей зависят от частоты переменного тока, напомним в промышленной сети она равна 50-и Герцам. Существуют конечно электровозы, использующие подобные электродвигатели в качестве тяговых, однако изменение частоты процесс очень сложный, соответственно усложняющий конструкцию тяговых агрегатов и снижающий общую надежность.
Контактная сеть на железной дороге
Перспективы развития электроподвижного состава
На сегодняшний день из-за дороговизны текущей инфраструктуры и наличия огромного парка подвижного состава, переоборудовать дороги с постоянного на переменный экономически нецелесообразно, но вместо переоборудования контактной сети инженеры пошли другим путем.
Можно изменить подвижной состав — второй путь это создание электровозов двойного питания, способных работать и на постоянном и на переменном токе, причем переключение режимов работы на них максимально автоматизировано. На сегодняшний день такие машины не просто существуют на бумаге или в качестве опытных образцов, такие локомотивы успешно работают на благо РЖД — Электровозы двойного питания.
При подготовке материала использовалось: Марквардт К. Г. Контактная сеть. 4-е изд. перераб. и доп. Учеб. для ж.д. вузов.
Системы тока. Напряжение в контактной сети
На железных дорогах России используют две системы электроснабжения: постоянного и однофазного переменного тока. Тяга на трехфазном переменном токе не получила распространения, поскольку технически сложно изолировать близко расположенные провода двух фаз контактной сети (третья фаза — рельсы).
Электрический подвижной состав обеспечивают тяговыми двигателями постоянного тока, так как предлагаемые модели двигателей переменного тока не отвечают предъявляемым требованиям по мощности и надежности. Поэтому железнодорожные линии снабжают системой однофазного переменного тока, а на локомотивах устанавливают специальное оборудование, преобразующее переменный ток в постоянный.
Правилами технической эксплуатации регламентированы номинальные уровни напряжения на токоприемниках электрического подвижного состава: 3 кВ — при постоянном токе и 25 кВ — при переменном. При этом определены допустимые с точки зрения обеспечения стабильности движения колебания напряжения: при постоянном токе — 2,7. 4 кВ, при переменном — 21 . 29 кВ. На отдельных участках железных дорог допускается уровень напряжения не менее 2,4 кВ при постоянном токе и 19 кВ — при переменном.
Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески.
На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный. Все оборудование, подающее переменный ток, размещается на открытых площадках, а выпрямители и вспомогательные агрега ты — в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергия поступает в контактную сеть по питающей линии — фидеру.
Основными недостатками системы электроснабжения постоянного тока являются его полярность, относительно низкое напряжение и отсутствие возможности обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего. Рельсы, служащие проводниками тока разной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и искусственных сооружений. Для предотвращения этого применяют соответствующие защитные устройства (анодные заземлители, катодные станции и др.).
Из-за относительно низкого напряжения (11 = 3 кВ) в системе постоянного тока по контактной сети к электрическому подвижному составу подводится мощность (Ж= Ш) при большой силе тягового тока /. Для этого тяговые подстанции размещают недалеко друг от друга (10. 20 км) и увеличивают площадь сечения проводов контактной подвески.
При переменном токе повышается эффективность использования электрической тяги, поскольку по контактной сети передается требуемая мощность при меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 40. 60 км друг от друга. Их задачей является только понижение напряжения со 110. 220 до 25 кВ, поэтому их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока. Кроме того, в системе однофазного переменного тока площадь сечения проводов контактной сети примерно в два раза меньше. Для размещения оборудования на тяговых подстанциях при переменном токе используют открытые площадки. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше.
В результате воздействия электромагнитного поля переменного тока на металлические конструкции и коммуникации, расположенные вдоль железнодорожных путей, в них появляется опасное для людей напряжение, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому применяют особые меры защиты сооружений. Затраты на такие защитные меры, как улучшение электрической изоляции между рельсами и землей, замена воздушных линий кабельными или радиорелейными, составляют 20. 25 % общей стоимости работ по электрификации.
Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных станциях. В ряде случаев, когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.