на каком напряжении работает электровоз
Как устроена и работает контактная сеть?
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 04.02.2021
Как устроена и работает контактная сеть?
Электрификация пришла на наши железные дороги давно. Современные Российские железные дороги уже невозможно представить без электровозов, быстрых пассажирских, тяжелых и длинных грузовых поездов, которые водят эти локомотивы. Безусловно электрификация совершила подлинную революцию на железных дорогах всего мира. Оставим пока анализ всех технических и экономических плюсов электротяги, посмотрим на контактную сеть.
Контактная сеть представляет из себя целый набор устройств: опоры, контактный провод, консоли, поддерживающие устройства, несущий трос, струны. Много всякого, а как оно работает?
Вдоль железной дороги, как правило, с правой стороны, на определенном расстоянии друг от друга (порядка 50 метров), в специальный фундамент в насыпи устанавливаются опоры, они могут быть бетонными или металлическими. На опоры устанавливаются консоли с изоляторами, между консолью и опорой, на консоль подвешивается сверху несущий трос, под ним подвешен непосредственно сам контактный провод.
Подвеска контактного провода к несущему тросу осуществляется, так называемыми, струнами, один конец струны закрепляется на несущем тросу, а к нижнему концу струны специальными хомутами крепится и закрепляется винтами контактный провод. Сам контактный провод не идеально круглый, а имеет специальное сечение, оно позволяет хомутам надежно закрепить его, не мешая токоприемникам электровозов свободно двигаться по нижней его части.
Контактный провод
На станциях все практически также, только контактная сеть располагается на жестких поперечинах или на гибких поперечинах, а поперечины устанавливаются сверху опор, которые находятся на больших расстояниях друг от друга, и между ними проложено много путей, это позволяет не устанавливать опоры контактной сети на каждом пути станции.
С целью обеспечения возможности снятия напряжения на отдельных путях перегонов и станций при сохранении питания электроэнергией других путей, что может оказаться необходимым не только при возникновении аварийных ситуаций, но и для обеспечения плановых работ на контактной сети, выполняемых со снятием напряжения, контактная сеть делится на отдельные участки (секции), электрически непосредственно не связанные между собой, не только на перегонах, но и на станциях. Это называется – секционированием.
Тяговая подстанция
Контактная сеть питается от тяговых подстанций, расположенных на определенном расстоянии на участках, в зависимости от рода тока. Железные дороги электрифицированы на постоянном токе, напряжением 3000 Вольт и на переменном токе, напряжением 25000 Вольт.
На границах между линиями, электрифицированными по системам постоянного и переменного тока, устраивают станции стыкования. Контактная сеть на таких станциях делится на три района: в одном районе контактная сеть всегда находится под напряжением постоянного тока, а в другом – всегда под напряжением переменного тока, а в третьем районе, называется, район переключения, напряжение на каждом пути может быть тем или другим в зависимости от того, какого рода тока электровоз направляется на этот путь или находится на нем.
В настоящее время при электрификации предпочтение отдается переменному току, при этой системе благодаря высокому напряжению тяговые подстанции можно располагать на большем расстоянии одна от другой (через 40-60, а иногда и 80 километров), чем при постоянном токе (через 15-25 километров), общую площадь сечения проводов контактной сети можно существенно уменьшить (обычно 140 мм2, при постоянном токе она составляет 700 мм2 и даже протягивается второй провод).
Неоспоримыми положительными качествами системы переменного тока являются высокие тяговые свойства электровозов и отсутствие интенсивной коррозии подземных искусственных сооружений. Можно существенно увеличивать вес составов, а отсюда возрастает пропускная способность железных дорог, да и материальные затраты при электрификации переменным током ниже. Вообщем экономика двигает вперед научно-технический прогресс. Но есть у контактной сети переменного тока и существенный недостаток – она оказывает сильное индуктивное влияние на другие линии, находящиеся в зоне действия ее электромагнитного поля – воздушные и кабельные линии связи, линии телеуправления, радиовещания, силовые и осветительные линии, линии для питания автоблокировки и др. Приходится удалять их на большое расстояние или калибровать.
Контролирует и в оперативном порядке управляет устройствами контактной сети на дороге – энергодиспетчер.
ПЕРЕМЕННЫЙ ИЛИ ПОСТОЯННЫЙ ТОК?
Электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.
Вполне естественно, что для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Такие двигатели, созданные русским ученым М. О. Доливо-Добровольским, быстро завоевали всеобщее признание и получили широкое распространение в промышленности.
Но применить трехфазные двигатели на электрическом подвижном составе оказалось делом трудным. В этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Контактная сеть будет иметь очень сложное устройство, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода в этом случае необходимо располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии, но широкого распространения она не получила.
Создать надежный однофазный двигатель переменного тока, получающий питание от одного контактного провода с использованием рельса в качестве второго провода, не удавалось. Правда, за рубежом в первый период введения электрической тяги все же устанавливали на электровозах однофазные двигатели, но питали их переменным током пониженной частоты (16 и 25 Гц). В условиях капиталистических стран, когда некоторые железнодорожные компании имели собственные электрические станции, или в тех странах, где стандартной является частота 25 Гц, такой путь электрификации был приемлемым.
Однако строить электростанции, производящие электрическую энергию переменного тока пониженной частоты, специально для электрических железных дорог нерационально. Поэтому в Советском Союзе электрификация железных дорог на переменном токе пониженной частоты не осуществлялась. Требованиям, связанным с условиями работы электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритных размерах развивают необходимую мощность. В СССР, как и во многих других странах, долгое время электрифицировали железные дороги по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. С 1967 г. в Советском Союзе все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. Попутно отметим, что на постоянном токе, но более низкого напряжения работает также городской электрический транспорт — трамваи, троллейбусы и метрополитены.
Электровозы переменного тока
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 04.02.2021
А как устроен и работает электровоз переменного тока? Данный локомотив использует для питания переменный однофазный ток, напряжением 25 000 Вольт. В этой машине переменный ток проходит этап выпрямления, т.е., через выпрямительные установки преобразуется в постоянный и поступает на тяговые электродвигатели. Но, ток в выпрямительных установках электровоза не сглаженный, практически не постоянный, как на электровозах постоянного тока, а пульсирующий. Поэтому на них установлены тяговые электродвигатели (ТЭД) пульсирующего тока. Это практически коллекторные ТЭД постоянного тока, но имеющие дополнительные устройства – шихтованные вставки, дополнительные полюса, большее число полюсов и компенсационную обмотку.
Электровоз ЭП1М
Электровозы переменного тока устроены посложнее, имеют в своем устройстве больше оборудования, у них значительно выше сцепной вес. На крыше расположены: токоприемник; электропневматический главный выключатель (ГВ) – предназначен для подключения силовой цепи электровоза к контактному проводу и ее автоматического отключения от сети в случае ненормальной работы (короткие замыкания и перегрузки); жалюзи вентиляторов; главные резервуары пневматической системы.
Тяговый электродвигатель
В кузове находятся: тяговый трансформатор; выпрямительные установки или выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП); переходный и сглаживающие реакторы (дополнительно сглаживают пульсации тока); мотор-вентиляторы-охлаждают выпрямительные установки и тяговые электродвигатели, выпрямительные установки возбуждения (используются при реостатном и рекуперативном торможении),
Мотор-вентилятор
количество вентиляторов больше, чем на «постоянниках» от трех и выше (обычно четыре); мотор-компрессор (для закачивания сжатого воздуха в главные резервуары пневматической системы); реверсоры (для смены направления движения); фазорасщепитель – переменный ток поступающий на электровоз однофазный, а вспомогательные машины (двигатели вентиляторов и компрессора асинхронные трехфазные), вот фазорасщепитель и преобразует однофазный ток в трехфазный; на старых типах электровозов – электрический контроллер главный (ЭКГ8Ж) ; контакторы цепей управления; вспомогательный компрессор (для аварийного подъема токоприемника) и другое вспомогательное оборудование. Аккумуляторные батареи находятся под кузовом. Цепи управления питаются постоянным током, напряжением 50 Вольт, вырабатываемым генератором постоянного тока или специальным трансформатором (ТРПШ).
Мотор-компрессор
Все электровозы оборудованы системой подачи песка под колесные пары, эта система используется для предотвращения буксования колесных пар, поэтому в кузове установлены еще и бункеры для сухого песка.
Трансформатор
Как мы знаем из курса физики – трансформатор способен повышать или понижать напряжение переменного тока. В электровозах он понижает напряжение до значения наиболее благоприятного для работы ТЭД (900-1600 Вольт). Регулирование на отечественных электровозах осуществляется на стороне низшего напряжения, путем подключения секций обмотки трансформатора контакторами и соответственно увеличения или уменьшения напряжения на тяговых электродвигателях. Регулирование на стороне высшего напряжения тягового трансформатора применено на электровозах ЧС4 и ЧС8.
Весь этот процесс осуществляется контроллером машиниста, посредством цепей управления, через электрический контроллер главный – он состоит из четырех силовых контакторов с дугогашением и тридцати контакторов без дугогашения. Контакторы с дугогашением переключают в определенной последовательности секции обмотки трансформатора под током, обеспечивая переключение остальных контакторов при обесточенной цепи. Для недопущения возникновения токов короткого замыкания при переключении контакторов в цепи установлен переходный реактор, он еще позволяет увеличить число ступеней регулирования напряжения.
Весь этот контроллер имеет кулачковый вал, приводимый во вращение электродвигателем постоянного тока-сервомотором, через редуктор и специальную муфту. Но это все уже устарело, хотя электровозы с данной системой регулированию еще вовсю работают на железных дорогах.
Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП)
Все современные электровозы работают на полупроводниках – тиристорах. На них устанавливаются выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП). Управление выпрямителями, собранными на тиристорах, позволяет осуществить не только преобразование переменного тока в постоянный, но и плавное регулирование напряжения на ТЭД. Также ВИП позволяет инвертировать постоянный ток в переменный при рекуперативном торможении. Как говорится – три в одном! В данном выпрямителе можно устанавливать угол включения (открытия) тиристоров, то есть подавать в соответствующие моменты управляющие импульсы тока. При этом регулируется среднее значение напряжения от обмотки трансформатора. Очень перспективная и надежная система.
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.
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.
Электроснабжение электрических железных дорог
Содержание
Системы тяги и тягового электроснабжения
На железных дорогах нашей страны две системы электрической тяги: постоянного тока напряжением 3 кВ и переменного тока напряжением 25 кВ промышленной частоты 50 Гц. Система тяги определяется родом тока и значением напряжения в тяговой сети. Для обеих названных систем тяги создан и эксплуатируется разнообразный электроподвижной состав (ЭПС).
Одно и то же напряжение в тяговой сети при заданном роде тока можно получить несколькими способами, поэтому различают системы тяги и системы тягового электроснабжения, реализующие их. Под системой тягового электроснабжения понимают комплекс электротехнических устройств, предназначенных для получения напряжения, подаваемого в тяговую сеть.
В нашей стране используют три вида систем тягового электроснабжения: систему постоянного тока 3,3 кВ, систему однофазного переменного тока 25 кВ и систему однофазного переменного тока 2×25 кВ. Система тяги переменного тока 25 кВ реализуется при применении двух последних систем тягового электроснабжения. За рубежом (Канада, США, ЮАР) в последнее время нашла применение новая система тяги переменного тока 50 кВ промышленной частоты 50 Гц, действующая в системе тягового электроснабжения того же названия. В то же время в странах центральной и северной Европы (Германия, Швейцария, Швеция, Австрия, Норвегия) продолжается использование давно введённой системы тяги переменного тока напряжением 15 кВ пониженной частоты 162/3 Гц. Эта система тяги реализуется в двух системах тягового электроснабжения пониженной частоты 162/3 Гц: с вращающимися генераторами и преобразователями и со статическими преобразователями.
Основным потребителем энергии в любой системе тягового электроснабжения является ЭПС, который может получить энергию, лишь подключившись к тяговой сети при условии, что в тяговую сеть уже подано напряжение. Поэтому следует прежде всего обращать внимание на то, каким образом в тяговую сеть подаётся напряжение и как оно формируется в системе тягового электроснабжения.
Принципиальная схема участка железной дороги, электрифицированной по системе постоянного тока 3 кВ
На схеме приведён участок электрифицированной железной дороги длиной 20—25 км с двумя соседними тяговыми подстанциями I и II, расположенными вблизи станций А и В (Рисунок 1, а).
К линии электропередачи (ЛЭП) трёхфазного переменного тока 110 кВ 12 подключён понижающий трансформатор тяговой подстанции 11. Этим трансформатором первичное напряжение 110 кВ понижается до 10 кВ и подаётся на шины 10 распределительного устройства тяговой подстанции. К этим шинам подключён преобразовательный агрегат, состоящий из преобразовательного трансформатора 9 и выпрямителя 8. Пониженное до 3 кВ напряжение на выходе преобразовательного трансформатора 9 выпрямляется и подаётся на шины «плюс» 6 и «минус» 7 тяговой подстанции.
Тяговая сеть перегона между подстанциями образована контактной сетью 22 и рельсами 26. Контактная сеть 22 питающей линией (фидером контактной сети) 4 через выключатель 5 соединена с шиной «плюс» 6, а рельсы 26 питающей линией (рельсовым фидером) 1 с шиной минус» 7 тяговой подстанции. Таким образом, если будет включён выключатель 5 фидера контактной сети (на схемах, согласно ГОСТ 2.755-87 все выключатели показаны в начальном отключённом положении), то в тяговую сеть перегона, то есть между контактной сетью 22 и рельсами 26, будет подано выпрямленное напряжение 3,3 кВ постоянного тока. Подняв на ЭПС токоприёмник 23 и включив выключатель 24, машинист соберёт цепь тока через тяговые двигатели 25, и ЭПС, потребляя энергию, начнёт двигаться. Через другие фидеры и выключатели тяговой сети с шиной «плюс» 3,3 кВ соединены: контактная сеть 2 станции А и контактная сеть перегона слева от станции. Участки контактной сети перегона 22 и станции 2 отделены друг от друга изолирующим сопряжением — воздушным промежутком 3, который, однако, обеспечивает непрерывный токосъём с контактной сети при проходе по нему токоприёмника ЭПС.
Аналогичным образом на этот же участок тяговой сети 22, 26 подаётся напряжение 3,3 кВ постоянного тока с подстанции //. Тем самым обеспечивается двусторонний подвод электрической энергии к ЭПС или, как говорят, его двустороннее питание. Существуют также другие, вспомогательные, линии электроснабжения участка. Чтобы обеспечить электрической энергией собственные нужды тяговой подстанции, а именно питать цепи управления, сигнализации, освещения, отопления и моторную нагрузку самой тяговой подстанции, на ней устанавливают трансформатор собственных нужд (ТСН) 13. Он понижает напряжение до 380/220 В переменного тока. Этими напряжениями и питаются цепи собственных нужд 14 (на схеме стрелки, отходящие от шин 380/220 В).
Вдоль трассы железной дороги расположено много нетяговых железнодорожных потребителей электрической энергии. К ним относятся установки, ринадлежащие всем службам дороги, механизмы и инструменты, для работы которых необходима электроэнергия, а также освещение станций, переездов и других объектов. Кроме того, электрической энергией снабжаются некоторые промышленные предприятия, колхозы, совхозы и т. д., расположенные по обе стороны железной дороги. Для питания всех перечисленных потребителей вдоль трассы железной дороги проложена трёхфазная воздушная линия (ВЛ) 10 кВ 17, подключённая к шинам 10 кВ 10 двух соседних подстанций I и II. В середине межподстанционной зоны ВЛ секционирована разъединителем 18, который нормально отключён. Благодаря этому каждая из подстанций питает только часть нетяговых потребителей, находящихся в межподстанционной зоне. При отключении любой из подстанций разъединитель 18 включают, и тогда все нетяговые потребители питаются от одной, неотключённой подстанции.
Ответственнейшие потребители электроэнергии — устройства СЦБ (сигнализации, централизации, блокировки) и связи, которые расположены вдоль трассы железной дороги. К таким устройствам относятся светофоры. Они получают питание от путевых ящиков СЦБ 21 через отдельный понижающий трансформатор 20, который в свою очередь получает питание от трёхфазной ВЛ СЦБ 10 кВ, трасса которой проходит вдоль железной дороги. Напряжение в эту линию подаётся от повышающего трансформатора 15, подключённого к шинам 380/220 В собственных нужд 14 тяговой подстанции. ВЛ СЦБ также подключена к обеим подстанциям / и // и в середине межподстанционной зоны секционирована разъединителем 19. Благодаря этому устройства СЦБ могут получать питание сразу от двух подстанций (при разомкнутом разъединителе 19) или от одной из них, когда другая отключена и включён разъединитель 19.
Устройство трёхфазной ЛЭП 110 кВ 12 таково: на опоре 27 (Рисунок 1, б) располагаются две трёхфазные линии (цепи) 110 кВ, одна слева, другая справа. На металлических траверсах 28 укрепляются гирлянды изоляторов 29, к которым подвешиваются провода линии 12.
На рисунке 1, в изображён разрез по двухпутному участку дороги. В нижней части видны четыре рельсовые нити 26 железнодорожного пути двухпутного участка (см. также рис. 1, а). На опорах контактной сети 33 подвешены провода различного назначения: усиливающие провода — алюминиевые тросы 30 — через изоляторы 31 к траверсе 32 с полевой стороны опоры 33; на консоли 34 через изолятор 31 несущий трос 35; фиксатор 36, укреплённый через изолятор 31, удерживает два контактных провода 37, не позволяя им перемещаться поперёк пути. Соединённые между собой во многих точках усиливающий провод 30, несущий трос 35 и контактные провода 37 и образуют собственно контактную сеть перегона 22 (см. рис. 1, а).
С полевой стороны другой опоры 33 контактной сети на специальных кронштейнах и штыревых изоляторах 38 крепится продольная трёхфазная ВЛ 17 напряжением 10 кВ, о назначении которой сказано выше. Все светофоры 39 получают питание через путевой шкаф СЦБ 21 и кабель 42 от однофазного понижающего трансформатора 20, присоединённого к линии передачи СЦБ 10 кВ 16, проходящей вдоль железной дороги на собственных опорах 40. Провода ЛЭП СЦБ укреплены на штыревых изоляторах 41.
По системе постоянного тока напряжением 3 кВ в границах РФ электрифицировано свыше 19 тыс. км железных дорог, и среди них самые грузонапряжённые. В последние годы при электрификации железных дорог предпочтение отдавалось более совершенным системам 25 кВ или 2×25 кВ переменного тока промышленной частоты.
Принципиальная схема участка железной дороги, электрифицированной по системе переменного тока 25 кВ
На схеме приведён участок электрифицированной железной дороги длиной 40—50 км с двумя тяговыми подстанциями / и //, расположенными вблизи станций А и В. К линии электропередачи 12 трёхфазного переменного тока 110 кВ подключён понижающий трёхобмоточный трансформатор 10 тяговой подстанции. Этим трансформатором первичное напряжение 110 кВ понижается до 25 кВ, а также до 35 или 10 кВ. Напряжение 25 кВ подаётся на шины 7, 8 и 9 (соответственно фазы b, а и с) и используется для питания тяговой сети, а напряжение 35 (или 10) кВ — на шины 11 и используется для питания прилегающего к подстанции района (Рисунок 2, а).
Для равномерной загрузки всех трёх фаз системы внешнего электроснабжения (ей принадлежит ЛЭП 110 кВ) в тяговую сеть станции А и перегона слева от неё подаётся напряжение, отличающееся по фазе от напряжения, подаваемого в тяговую сеть перегона справа. Для этого участки контактной сети указанных перегонов и станции, а также рельсы, присоединены к разным фазам шин 27,5 кВ; контактная сеть перегона 26 через фидер контактной сети 4 и выключатель 5 подключена к шине фазы b, контактная сеть станции 1 и перегона слева от неё — к шине фазы а, а рельсы через рельсовый фидер 6 — к шине фазы с. При таком подключении к шинам 27,5 кВ соединение контактной сети слева от станции А с контактной сетью станции токоприёмниками движущегося ЭПС 27 возможно, так как они присоединены к одной и той же фазе а. Соединение же контактной сети 1 станции и контактной сети 26 перегона справа от подстанции недопустимо, так как они присоединены к двум разным фазам а и b. Такое соединение приведёт к короткому замыканию фаз а и b понижающего трансформатора 10. Поэтому участки контактной сети 1 станции и перегона слева от неё разделены воздушным промежутком 2, а станции и перегона справа — двумя воздушными промежутками 2 и нейтральной вставкой между ними 3. Наличие нейтральной вставки 3 исключает даже кратковременное замыкание фаз а и b трансформатора 10 токоприёмниками ЭПС при проходе ими этого участка тяговой сети.
Подача напряжения в тяговую сеть перегона происходит при включении выключателя 5 фидера контактной сети. После этого машинист ЭПС может, подняв токоприёмник 27 и включив выключатель 28, подать переменное напряжение на первичную обмотку понижающего тягового трансформатора 31. Напряжение на вторичной обмотке тягового трансформатора выпрямляется выпрямителем 32 и через сглаживающий реактор 29 подводится к тяговым двигателям 30. Через электродвигатели начинает протекать ток, который приводит их и ЭПС в движение.
В тяговую сеть перегона между подстанциями напряжение подаётся от двух подстанций / и //. При этом обеспечивается двусторонний подвод энергии к ЭПС. Для обеспечения двустороннего питания ЭПС и равномерной загрузки фаз ЛЭП 110 кВ понижающие трансформаторы двух соседних подстанции / и // присоединены к ЛЭП 110 кВ неодинаково, а следуя специально разработанному правилу.
На рисунке также показаны другие вспомогательные линии электроснабжения участка. От шин тягового напряжения 27,5 кВ получают питание также нетяговые потребители. Для этого через выключатель 20 к шинам 7 и 8 подключают два провода, размещаемые на опорах контактной сети с полевой стороны. Понижающие трансформаторы потребителей 22 подключаются к этим проводам и рельсу. Такая система питания получила название ДПР (два провода — рельс). В середине линии ДПР установлен разъединитель 23. Нормально левая половина линии ДПР питается от подстанции /, а правая — от подстанции //, разъединитель 23 разомкнут. В случае необходимости (например, при отключении одной из подстанций) вся линия ДПР может получать питание от одной подстанции. При этом разъединитель 23 включается.
Энергию для собственных нужд тяговой подстанции (питание цепей управления, сигнализации, освещения, отопления, моторной нагрузки) получают от трансформатора собственных нужд (ТСН) 13 через шины собственных нужд 14 (на рисунке 2, а нагрузки собственных нужд обозначены стрелками). От шин собственных нужд 14 через трансформатор 15 напряжение подаётся в линию 16, предназначенную для питания устройств СЦБ и связи. От этой линии через маломощные понижающие трансформаторы 18 и релейные шкафы СЦБ 19 питаются светофоры. В середине линии 16 установлен разъединитель 17. Это даёт возможность питать линию от любой из двух подстанций / или // (при замкнутом разъединителе 17) или же каждую половину линии питать от своей подстанции (при разомкнутом разъединителе). Так как от работы устройств СЦБ непосредственно зависит выполнение графика движения поездов на участке, они должны иметь резервный источник питания. Устройства СЦБ получают резервное питание по линии 24 через понижающие однофазные трансформаторы 25 от линии ДПР 21.
На рисунке 2, б изображён разрез по двухпутному участку дороги.
Трёхфазная комплектная трансформаторная подстанция (КТП) 34, состоящая из трансформатора 22 и сопутствующего оборудования, получает питание от линии ДПР 21 через провода 36. Один провод линии ДПР 21 через изоляторы 37 подвешивается к консоли 38 с полевой стороны опоры контактной сети 39, а другой — с полевой стороны опоры 45 второго пути. Третий вывод КТП присоединяется проводом 35 к рельсам 33. На изолированной консоли 41, закреплённой на опоре через изоляторы 40, подвешен несущий трос 42. Одиночный контактный провод 44, удерживаемый фиксатором 43, занимает заданное положение относительно оси пути. Электрически соединённые во многих точках несущий трос 42 и контактный провод 44 и составляют контактную сеть 26 (см. рис. 2, а). Светофор 46 получает напряжение от маломощного понижающего однофазного трансформатора 18 через кабель 24 и релейный шкаф СЦБ 19. Трансформатор 18 подключён к трёхфазной линии передачи 10 кВ 16. Провода этой линии крепятся на штыревых изоляторах 48 опор 47, которые установлены параллельно железной дороге специально для линии СЦБ.
Проход воздушного промежутка 2 перед нейтральной вставкой 3 поездом, идущим со станции А в сторону станции В, происходит следующим образом. По правилам этот воздушный промежуток, как и нейтральную вставку, поезд должен проходить при отключённых тяговых электродвигателях или, как говорят, без тока. В противном случае возможен пережог ветви контактного провода 1 промежутка 2, принадлежащей ст. А.
Это может произойти так. Воздушный промежуток 2 изображён сбоку на рисунке 2, в. Высота подвеса контактных проводов ветвей 1 и 3 в пределах воздушного промежутка постепнно изменяется. В направлении слева направо контактный провод ветви 1 поднимается, а ветви 3 опускается. В точке а высоты подвеса обоих проводов равны. Поэтому, двигаясь по воздушному промежутку в направлении, указанном стрелкой, токоприёмник ЭПС до точки а скользит по проводу ветви 1 (позиция к), а после точки а — по проводу ветви 3 (позиция к+1). На провод 1 подано напряжение фазы А (см. рис. 2, а), на провод же 3, принадлежащий нейтральной вставке, напряжение не подано. По этой причине, двигаясь по воздушному промежутку, ЭПС может потреблять ток только до точки а. После её прохода контакт между контактным проводом 1 и токоприёмником 27 прекращается, и ток через двигатели ЭПС должен прерваться. Однако при большом токе (несколько сотен ампер) этого сразу не происходит, между контактным проводом и токоприёмником загорается электрическая дуга 49, которая за несколько долей секунды пережигает провод 1. Поэтому машинист и обязан отключать электродвигатели, или, как говорят, отключать ток, подъезжая к нейтральной вставке. Однако преждевременное отключение тока может вызвать остановку поезда на нейтральной вставке, следовательно, проезд нейтральной вставки требует от машиниста большого внимания.
В некоторых странах (Канада, США, ЮАР) появилась новая система тягового электроснабжения — система переменного тока напряжением 50 кВ частоты 50 или 60 Гц. Эта система аналогична системе переменного тока 25 кВ, но более высокое напряжение даёт возможность существенно увеличить передаваемую по тяговой сети электрическую мощность. Однако при этом приходится усиливать изоляцию контактной сети, увеличивать габариты между устройствами, находящимися под напряжением, и заземлёнными частями, и, конечно, требуется новый электроподвижной состав, рассчитанный на напряжение 50 кВ.
Стремление повысить мощность, передаваемую по тяговой сети, путём увеличения напряжения при одновременном желании использовать стандартный электроподвижной состав на напряжение 25 кВ привело к возникновению системы переменного тока 2×25 кВ. При этой системе электрическая энергия от тяговой подстанции к ЭПС передаётся в два этапа: сначала при напряжении 50 кВ, а затем 25 кВ. Для этого на опорах контактной сети с полевой стороны приходится подвешивать ещё один так называемый питающий провод (напряжение между ним и проводами контактной сети и составляет 50 кВ), и устанавливать на перегоне между подстанциями автотрансформаторы 50/25 кВ.
Система 2×25 кВ широко применяется как в нашей стране, так и в других странах (Франция, Япония), имеющих электрифицированные линии напряжением 25 кВ. Она рассматривается как средство усиления этих линий.
Принципиальная схема участка железной дороги, электрифицированной по системе переменного тока 15 кВ пониженной частоты 16⅔ Гц с вращающимися преобразователями
В некоторых странах широкое распространение получила система переменного тока пониженной частоты. По этой системе работают с первых лет электрификации железные дороги стран центральной и северной Европы: Германии, Швейцарии, Швеции, Австрии, Норвегии. Понижение частоты объясняется стремлением использовать на переменном токе тяговый электродвигатель последовательного возбуждения, широко применяемый в электрической тяге на постоянном токе. Вращающий момент на валу электродвигателя пропорционален произведению тока и магнитного потока, поэтому электродвигатель последовательного возбуждения способен работать и на переменном токе, поскольку направления тока и магнитного потока меняются одновременно. Однако переменный магнитный поток электродвигателя приводит к возникновению так называемой трансформаторной э.д.с. в обмотке якоря двигателя. При значительной э.д.с. появляется сильное искрение под щётками, вплоть до кругового огня по коллектору при коммутации. Чтобы избежать этого, необходимо снизить частоту тока. Технически проще всего снизить частоту ровно в 3 раза: с 50 до 16⅔ Гц. Этим и объясняется появление электрифицированных участков 15 кВ частоты 16⅔ Гц. На рисунке 3 показан такой участок длиной 35—40 км с двумя соседними тяговыми подстанциями / и //, расположенными вблизи ст. А и В.
К линии электропередачи (ЛЭП) трёхфазного переменного тока 110 кВ 14 подключён трансформатор тяговой подстанции 13, понижающий напряжение до 6,0 кВ. Это напряжение подаётся на синхронный трёхфазный электродвигатель 12, на валу 11 которого установлен синхронный однофазный генератор 10 с выходным напряжением 5,7 кВ частотой 16⅔ Гц. Полученное напряжение повышается трансформатором 9 до 15 кВ и подаётся на шины 8 и 7 тяговой подстанции. Одна из шин 8 рельсовым фидером 6 соединена с рельсами, а другая через фидерные выключатели 5 и фидер контактной сети 4 — с контактной сетью перегона 3. Таким образом, после включения фидерного выключателя 5 тяговая сеть перегона, образованная контактным проводом 3 и рельсом 18, оказывается под напряжением. После этого машинист ЭПС может, подняв токоприёмник 15 и включив выключатель 16, подать напряжение на двигатели 17. Последние начинают вращаться, и ЭПС приходит в движение.
Контактная сеть 1 ст. А подключена к той же шине 7, что и сеть 3 перегона, поэтому перегон и станция в этой системе отделены простым по конструкции воздушным промежутком 2, а не двумя промежутками с нейтральной вставкой, как при системе 25 кВ.
Недостатки системы 15 кВ пониженной частоты заключаются прежде всего в том, что эта система требует громоздких вращающихся преобразователей. Трансформаторы, работающие на пониженной частоте, массивны из-за большой площади сечения стальных сердечников, так как для создания необходимой э.д.с. при пониженной частоте требуется больший магнитный поток. При некоторой предельной для стали индукции его можно получить только увеличивая площадь сечения сердечника трансформатора.
Однако система пониженной частоты 16⅔ Гц обладает и достоинствами: индуктивное сопротивление тяговой сети (пропорциональное частоте) в 3 раза меньше, чем при частоте 50 Гц (соответственно падения напряжения в сети меньше, и расстояния между тяговыми подстанциями могут быть увеличены), электромагнитное влияние на линии связи из-за более низкой частоты незначительно. Так как электрическая энергия из трёхфазной сети передаётся в однофазную через механическое звено (вал 11 между двигателем и генератором), то снимаются все проблемы несимметрии токов и напряжений, в контактной сети не нужны нейтральные вставки. Страны, уже имеющие у себя сеть электрифицированных линий переменного тока пониженной частоты, продолжают электрификацию по этой же системе. Однако другие страны систему пониженной частоты не применяют.