ЭЖД,. 2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы

• Название: 2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы
• Анкор: ЭЖД,.doc
• Дата: 16.05.2018
• Размер: 4.43 Mb.
• Имя файла: ЭЖД,.doc
• Тип: Документы; #19310
• страница: 1 из 8

2. Системы электроснабжения электрических железных дорог, предприятий железнодорожного транспорта и режимы их работы.

2.1 Краткая история и современное состояние электрификации железных дорог.

2.1.1 История электрической тяги.

Первая ЭЖД демонстрировалась в 1879г фирмой «Сименс» в Берлине на промышленной выставке. Электровоз мощностью 2,2 кВт возил три вагона с 18 пассажирами. В Петербурге в 1880г выполнялись опытные поездки 40 местного вагона с электродвигателем 3 кВт. В 1881г первая трамвайная линия начала работать в Берлине. В России первый трамвай пущен в 1892г. Первый участок железной дороги с электровозным движением был открыт в США в 1895г.

2.1.2 Основные этапы электрификации железных дорог в России. Планы электрификации.

Электрификация железных дорог России была намечена Государственным планом электрификации (ГОЭЛРО) в 1920г. Первая электрическая железная дорога на постоянном токе напряжением 3 кВ Баку – Сабунчи была пущена в 1926 г. В 1932г первые электровозы пошли через Сурамский перевал на Кавказе. К 1941г было электрифицировано1865 км. В годы Великой отечественной войны 1941 – 1945г электрификация железных дорог продолжалась: участки Челябинск – Златоуст, Пермь – Чусовская и др. Электрифицированный участок Мурманск – Кандалакша работал устойчиво при фронтовой зоне.

Генеральный план электрификации железных дорог СССР был принят в 1956г. С этого года значительно увеличились темпы ввода электрической тяги.

Темпы электрификации по СССР составляли:

Года	Километры
1956 – 1960	8437
1961 – 1965	10812
1966 – 1970	8186
1971 - 1975	4797
1976 - 1980	2500
1981 – 1985	6000
1986 – 1990	4000
1991-1995	850
1996 -2000	1990

На начало 1991 г электрифицировано 55,2 тыс. км. Из 147500км железных дорог СССР это составляло 37,4%. Объём перевозок на электрических железных дорогах составлял 65%. Таким образом, электрифицировано 1/3 железных дорог, а на них перевозится 2/3 грузов. Электрифицировались, как правило, самые грузонапряжённые направления. Такое соотношение электрификации ЖД и перевозимых грузов говорит о значительной эффективности электрификации ЖД.

Протяжённости электрифицированных железных дорог по годам:

Год	Всего, тыс. км	На переменном токе, тыс. км	Протяжённость, в % от общей длины
По СССР
1950	3	0	2,6
1955	5,4	0,08	4,4
1960	13,8	1,4	11
1965	24,9	7,9	19
1970	33,9	12,5	25
1975	38,9	14,8	28,2
1980	43,7	17,7	30,8
1985	49,4	21,3	32,8
1990	55,2	27,4	37,4
По России
1991	38147
1992	38396
1993	38506
1994	38842
1995	38994
1996	39290
1997	39699
1998	39836
1999	40293
2000	40987
Планы электрификации
2001	41785
2002	43030
2003	43576
2004	44526
2005	45190
2006	46318
2007	46969
2008	47789
2009	48182
2010	49115

На электрической тяге работают такие направления железных дорог:

• 
  Выборг – Санкт-Петербург – Москва – Ростов на Дону – Тбилиси – Ереван, Баку – 3642 км.
  
• 
  Москва - Киев – Львов – Чоп – 1765 км.
  
• 
  Москва – Самара – Уфа – Целиноград – Чу – 3855км.
  
• 
  Брест – Минск –Москва – Свердловск – Омск – Иркутск – Чита – Хабаровск - Владивосток – 10000 км. В 2002г закончена электрификация Трансиба.
  
• 
  Уфа – Челябинск – Омск – Иртышская – Алтайская – Абакан – Тайшет – Северобайкальск – Таксимо
  

До 1956г электрификация железных дорог производилась исключительно на постоянном токе, сначала напряжением 1,5 кВ, затем – 3 кВ. В 1956г был электрифицирован первый участок на переменном токе с напряжением 25 кВ (участок Ожерелье – Павелец Московской дороги).

Начат этап перевода электрической тяги постоянного тока напряжением 3 кВ на переменный ток напряжением 25 кВ.

В ноябре 1995г впервые в мировой практике был осуществлён перевод магистрального участка железной дороги Зима – Слюдянка протяжённостью 434 км с постоянного тока напряжением 3 кВ на переменный ток напряжением 25 кВ. При этом были ликвидированы две станции стыкования. Это позволило повысить вес грузовых поездов. Создана единая непрерывная магистраль Мариинск – Хабаровск протяжённостью 4812 км и 2002г до Владивостока, электрифицированная по системе электроснабжения переменного тока 25 кВ. В октябре 2000г переведён на переменный ток участок Лоухи – Мурманск с ветвями (490) км Октябрьской железной дороги.

Статистическая информация по электрификации железных дорог России:

• 
  по протяжённости: тепловозная тяга – 53,2%, электрическая тяга – 46,8%;
  
• 
  по объёмам перевозок: тепловозная тяга – 22,3%, электрическая тяга 77,7%;
  
• 
  по родам тока: постоянного тока напряжением 3 кВ – 46,7%, переменного тока напряжением 25 кВ – 53,35%;
  

Доля электрифицированных железных дорог России в мире:

• 
  по протяжённости от общей сети железных дорог мира: Россия – 9%, другие страны мира – 91%;
  
• 
  по протяжённости электрифицированных железных дорог: Россия – 16,9%, другие страны мира – 83,1%.
  

Программу электрификации железных дорог и переключения грузопотоков с тепловозных на электрифицированные хода предусматривает в период с 2001 – 2010гг электрификацию 7640 км и перевода примерно 1000 км ЖД линий с постоянного тока на переменный. При этом 90% новой электрификации проводится на переменном токе и лишь отдельные ответвления на постоянном токе. К 2010 г Россия будет иметь 49,1 тыс. км электрифицированных линий. Это составит 56,7% общей протяжённости железнодорожной сети при выполнении на ней 81,2% всего объёма перевозок. Россия попадёт в область наиболее оптимального использования электрической тяги

Внедрение электрической тяги имеет на следующие этапы:

1.Электрификация пригородных участков на постоянном токе напряжением 1,5 кВ;

2.Электрификация магистральных участков железной дороги напряжением 3 кВ и перевод на напряжение 3 кВ пригородных участков.

3.Внедрение переменного тока с напряжением 25 кВ наряду с расширением полигона постоянного тока напряжением 3 кВ. Разработана надёжная система стыкования двух родов тока секционированием контактной сети.

4.Внедрение трёхпроводной автотрансформаторной системы электроснабжения повышенного напряжения 2х25 кВ и сокращение электрификации на постоянном токе 3 кВ.

5.Перевод участков постоянного тока на переменный ток.

2.1.3 Состояние и тенденции развития электрических железных дорог мира

Общая протяжённость железных дорог мира 954,6 тыс. км: 25% составляют электрифицированные линии (238,5 тыс. км), 75% (около 716 тыс. км) – тепловозные линии (рис. 6).Распределение мирового объёма перевозок между этими видами тяги примерно одинаково по 50% (рис.6).

В промышленно развитых странах большие объёмы грузовых и пассажирских перевозок осваиваются преимущественно электрической тягой;

Грузонапряжённость (млн. ткм/км) электрифицированных железных дорог мира в 3 раза выше, чем на тепловозных линиях. В промышленно развитых странах в 4 раза выше тепловозных.

Распределение электрификации железных дорог между континентами и регионами различно: Европа – 45,7% , страны СНГ – 24,3% (в основном за счёт России), Юго-Восточная Азия – 19,3% (в основном Япония, Китай, Индия), Африка – 8% ( в основном за счёт ЮАР), Южная Америка – 1,3%, Австралия и Новая Зеландия – 1,0%, Северная Америка – 0,4% (рис.6). В Европе 70% объёма перевозок осуществляется электрической тяги.

На Американском континенте (Северная и Южная Америка) электрифицировано всего 1,7%. Причины по данным американских специалистов:

• 
  Большие капиталовложения в инфраструктуру электроснабжения железных дорог:
  

• 
  Необходимость изменения системы сигнализации и связи для обеспечения её совместимости с электротягой;
  
• 
  Отсутствие возможности перевозок контейнеров в два яруса.
  
• 
  Агрессивный маркетинг тепловозной тяги: политика гарантий, скидок для опта, протекционизма, низких цен на топливо, унификации локомотивов по основным энергосиловым узлам тепловозов.
  

• 
  Две фирмы Дженерал Электрик и Дженерал Моторс монопольно обеспечивают и контролируют огромный рынок производства тепловозов в мировом масштабе.
  

По всем остальным промышленно развитым странам больший объем перевозок выполняется электрической тягой.

• 
  Лидирующие страны мира по протяжённости электрифицированных линий (более 5000 км) и процент от общей протяжённости сети ЖД страны
  

Россия – 40300 км (46,8%);	Япония – 12037 км (59,8%);
Германия – 18857 км (49,5%);	Польша – 11614 км (50,0%);
ЮАР – 16858 км (84,2%);	Италия 10488 км (65,2%);
Франция – 14148 км (44,5%);	Украина – 8927 км (39,7%);
Индия – 13490 км (43,5%);	Швеция – 7483км (74,4%);
Китай – 12984 км (22,5%);	Испания – 6450 км (54,6%).

• 
  Россия владеет 9% общей протяжённости сети железных дорог мира и имеет 16,9% их общего электрифицированного перегона (рис. 3, 4);
  
• 
  Российские железные дороги занимают первое место в мире по абсолютной протяжённости электрифицированных железных дорог и степени их загруженности.
  

По мнению международных экспертов для стран с развитой железнодорожной инфраструктурой аналогично России оптимальным является электрификация 50-60% общей протяжённости железнодорожной сети с выполнением электрической тягой 80-90% общего объёма перевозки грузов.

На ЭЖД применяют различные по роду тока, номинальному напряжению и частоте СТЭ:

• 
  система постоянного тока напряжением 1,5 и 3 кВ;
  
• 
  система переменного тока напряжением 1х25 кВ 50 Гц;
  
• 
  система переменного тока напряжением 2х25 кВ 50 Гц;
  
• 
  система переменного тока напряжением 15 кВ частотой 16 ²/₃ Гц;
  
• 
  системы переменного 50 кВ 50 Гц..
  

Преимущественно применяется тяга переменного тока напряжением 25 кВ.

2.1.4 Технико-экономическая эффективность электрификации железных дорог

Полезность и эффективность электрификации железных дорог радикально определилась в 1956г при принятии Генерального плана электрификации железных дорог. Сегодня электрифицированные линии при 47,7% протяжённости железных дорог России выполняют 78,3 % общего объёма ЖД перевозок в стране.

Основные преимущества электрической тяги перед автономной (тепловозной), имеющей генераторы на локомотивах, определяются централизованным электроснабжением:

1.Производство электроэнергии на крупных электростанциях уменьшает её стоимость.

2. Тепловозы работают только на дорогом дизельном топливе высокого качества.

3. При электрической тяги возможна рекуперация (возврат) электроэнергии в питающую сеть при электрическом торможении.

4. При централизованном электроснабжении реализуются большие мощности, скорости движения и веса поездов чем при автономном локомотиве.

5. Электровоз не имеет собственных генераторов энергии и поэтому он дешевле, надёжнее автономного локомотива тепловоза.

6. Электровоз имеет меньшие расходы на ремонт локомотива.

7. Опыт применения электрической тяги показал её значительную эффективность:

7.1. Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов;

7.2. Значительная экономия электроэнергии за счёт рекуперации;

7.3. Значительно меньше эксплуатационные расходы.

7.4.Удельная повреждаемость электровоза в 3-4 раза меньше тепловозов

7.4. Электрическая тяга более экологична, чем тепловозная. При ограниченных габаритах тепловоза создать очистку выхлопных газов затруднительно. На ТЭЦ имеются большие возможности очистки газов и их утилизация.

7.5. Электрификация ЖД повышает провозную и пропускную способность.

Технико-экономические показатели электрической тяги по сравнению с тепловозной:

Основные показатели полигонов	Виды тяги		Кратность
	Электрическая	Тепловозная
1. Эксплуатационная длина, тыс. км	40,3 (46,8%)	45,7 (53,2%)	--------
2.Удельный вес общего объёма перевозок, %	77,7	22,2	3,5
3. Средняя участковая скорость грузовых поездов, км/ч	40,7	33,2	1,23
4.Средний вес грузового поезда брутто, тонн	3484	2936	1,19
5. Производительность грузового локомотива, тыс. ткм брутто/сутки	1479	961	1,54
6. Среднесуточный пробег грузового локомотива, км/сутки	533,9	408,3	1,31
7.Средняя грузонапряжённость, млн. ткм/км	23,1	5,7	4,05
8. Себестоимость перевозок, коп./ткм	83.3	133,1	1, 6
9. Удельный расход условного топлива, кг на 104 ткм брутто (энергетическая эффективность)	38,2	63,8	1,67

• 
  Удельный вес общего объёма перевозок электрической тяги в 3,5 раза больше при меньшей протяженности линий 46,8% при ЭТ и 53,2% ТТ.
  

• 
  Себестоимость (коп/ткм) перевозок электрической тягой в 1,5-2 ниже, чем тепловозной (рис.1);
  
• 
  Энергетическая эффективность электрической тяги (удельный расход условного топлива, кг / 10⁴ ткм брутто) выше в 1,4 – 1.6 раз;
  
• 
  Весовые нормы поездов электрической тяги в 1,2 – 1.3 раза выше
  
• 
  Ремонтно-эксплуатационные расходы содержания тепловозов в 2-2,5 раза выше, чем у электровозов. Значительная разница в себестоимости перевозок (коп./ткм) является устойчивой на протяжении всего периода электрификации и с течением времени имеет тенденцию к росту (рис.2).
  
• 
  Грузонапряжённость (млн. ткм/км) электрифицированных линий в 4 раза выше тепловозных.
  

Мировые тенденции в развитии электрификации железных дороги и автономных видов тяги (обзор ВНИИЖТа) показал:

• 
  В промышленно развитых странах большие объёмы грузовых и пассажирских перевозок осваиваются преимущественно электрической тягой;
  
• 
  Грузонапряжённость в промышленно развитых странах на электрифицированных линиях в 2-4 раза выше тепловозных;
  
• 
  При общей протяжённости железных дорог мира 954,6 тыс. км 25% составляют электрифицированные линии (238,5 тыс. км), 75% (около 716 тыс. км) – тепловозные линии (рис. 6);
  
• 
  Распределение мирового объёма перевозок между этими видами тяги примерно одинаково по 50% (рис.6);
  
• 
  Грузонапряжённость электрифицированных железных дорог мира в 3 раза выше, чем на тепловозных линиях;
  
• 
  Промышленно развитые страны больший объем перевозок выполняют электрической тягой.
  
• 
  Серьёзным преимуществом ЭТ является экономия жидкого топлива, мировые запасы которого иссякают.
  

Для России оптимальным является электрификация 50-60% общей протяжённости железнодорожной сети с выполнением электрической тягой 80-90% общего объёма перевозки грузов.

Критический грузооборот Ткр, выше которого целесообразен перевод тепловозной тяги на электрическую, для России Ткр = 20-25 млн. ткм брутто. За рубежом: Англия – 44,Польша – 10, Германия – 16 млн. ткм брутто.

Величина Ткр корректируется в пользу дальнейшей электрификации железных дорог России из-за перспективы увеличения стоимости дизельного топлива.

На слабонагруженных не протяжённых тепловозных ответвлениях и соединительных линиях целесообразно применение упрощенной системы электрификации. Применено для участка Хребтовая – Усть-Илимская ВСЖД.

Использование тепловозной тяги целесообразно:

• 
  Транспортное обеспечение малозагруженных и малодеятельных участков;
  
• 
  Линии, имеющие социальное значение для жизнеобеспечения населения в слабо развитых регионах;
  
• 
  Участки, где отсутствует внешнее электроснабжение;
  
• 
  Военно-стратегическое значение тепловозной тяги;
  
• 
  Прикрытие электрифицированных линий в аварийных и экстремальных ситуациях.
  

Политика ОАО «РЖД»

• 
  перевод на электрическую тягу ЖД линий и участков считать приоритетной задачей развития ЖД транспорта в ближайшей перспективе.
  
• 
  Наибольший эффект от электрификации достигается повышением веса и длины поездов.
  
• 
  Целесообразным является перевод постоянного тока на переменный.
  

На ЖД преимущественное развитие получила ЭТ по системе однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ по следующим причинам:

• 
  по сравнению с постоянным током эксплуатационные расходы на переменном токе на 15-20 % ниже;
  
• 
  расход цветных металлов в 2-2,5 раза меньше;
  
• 
  на переменном токе лучше тяговые свойства ЭПС;
  
• 
  отсутствие электрокоррозии подземных сооружений;
  
• 
  высокая долговечность контактного провода;
  
• 
  отсутствие проблемы съёма токоприёмником ЭПС токов при увеличении массы и скорости движения поездов;
  
• 
  меньшая стоимость стационарных устройств электрической тяги для системы 25 кВ 50 Гц.
  

В последние годы широко применяется автотрансформаторная система тягового электроснабжения 2х25 кВ. По сравнению с системой 1х50 кВ не требуется специального подвижного состава, используется изоляция контактной сети на напряжение 25 кВ, снижается влияние на линии связи.

Многолетняя эксплуатация участков железной дороги переменного тока показали технико-экономические преимущества по сравнению с тягой постоянного тока 3 кВ:

• 
  Капитальные затраты на электрификацию с учётом реконструкции линии связи на 15-18% ниже;
  
• 
  В 2-3 раза сокращается количество тяговых подстанций:
  
• 
  Тяговые подстанции значительно проще и имеют меньшие эксплуатационные затраты;
  
• 
  Значительно легче контактная сеть и экономия меди достигает более 2т на 1км;
  
• 
  Отсутствует проблема износа контактных проводов и их периодическая их замена;
  
• 
  Исключается электрокоррозия опор контактной сети и подземных сооружений;
  
• 
  Опыт показал более высокую энергетическую эффективность (на 5-6% меньше суммарные потери электроэнергии на тягу поездов;
  
• 
  Практически не ограничивается весовая норма поезда;
  
• 
  При равных объёмах работы требуется на 15-20% меньше локомотивов и локомотивных бригад;
  
• 
  Значительно ниже повреждаемость устройств электроснабжения и ЭПС;
  
• 
  Себестоимость перевозок на 20% ниже чем при электротяге постоянного тока.
  

Применяемая система тяги постоянного тока напряжением 3 кВ имеет недостатки:

• 
  Ограничение потребляемой мощности, скорости движения и весовых норм поездов;
  
• 
  Лимитируется пропускная способность линий;
  
• 
  Повышенный расход энергии и себестоимости перевозок .
  

Выполнен переход на переменный ток: участок Транссиба Зима – Слюдянка ВСЖД (1995г); Лоухи - Мурманск ОктЖД (2001г).

Эффективность перевода ряда участков с постоянного на переменный ток обусловлено:

• 
  заменой устаревших устройств постоянного тока;
  
• 
  ликвидацией пунктов стыкования родов тока;
  
• 
  удлинением зон обращения электровозов переменного тока;
  
• 
  сокращением расходов электроэнергии на тягу поездов на 5-7% в связи с уменьшением технологических потерь в устройствах электроснабжения;
  
• 
  ликвидацией коррозии подземных сооружений и опор контактной сети от блуждающих токов;
  
• 
  сокращением затрат на эксплуатацию устройств электроснабжения.
  

На электрифицированных железных дорогах России и мира преимущественно применяется система тяги переменного тока 25 кВ 50Гц. Перспектива электрификации за этой системой тяги.

• 
  Российские железные дороги в ближайшей и отдалённой перспективе также ориентируются на преимущественное применение электрической тяги переменного тока 25 кВ 50Гц.
  

Для наращивания энергетических возможностей электрической тяги разработаны:

• 
  системы тягового электроснабжения 1х25 кВ;
  
• 
  многопроводные с усиливающими и экранирующими проводами (1х25кВ + УЭП);
  
• 
  системы тягового электроснабжения 2х25 кВ;
  
• 
  системы тягового электроснабжения 35/25 кВ, 65/25 кВ, 85/25 кВ, 110/25 кВ, которые позволяют гибко подобрать энергетически эффективную СТЭ под размеры перевозок.
  

Границы применения СТЭ приведены на рис. 8.

2.1.5. Эффективность электрификации железных дорог и перспективы дальнейшего её развития (информация ВНИИЖТ)





Изменение соотношения себестоимости грузовых перевозок,

выполненных при тепловозной и электрической тяге, в период 1965-1998



Лидирующие страны мира по протяженности электрифицированных линий (более 5000 км)



Электрификация железных дорог мира



Электрификация железных дорог стран Европы (без СНГ)

Электрификация железных дорог стран СНГ



Электрификация железных дорог России



Статистическая зависимость доли относительного объема перевозок на электрической тяге (Тэл/Т) к удельной протяженности электрифицированных линий (Lэл/L) для развитых стран мира


Определение критического объема грузонапряженности (Ткр) экономически целесообразного перевода тяги поездов с тепловозной на электрическую


Прогноз мировой суточной добычи нефти




Прогноз добычи органического топлива по «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.»





Принципиальная схема границ применения различных систем тягового электроснабжения по условиям оптимальной энергетической эффективности










2.2. Системы электрической тяги, схемы их электроснабжения и их технико-экономическое сравнение

2.2.1 Системы электрической тяги.

Основные системы электрической тяги электрифицированных железных дорог:

1. 
   Система постоянного тока напряжением 3 кВ.
   
2. 
   Система однофазного переменного тока промышленной частоты 50(60) Гц напряжением 25 кВ и 50 кВ.
   
3. 
   Система однофазного переменного тока пониженной частоты 16 ²/_{3 ,} 25 Гц напряжением 15 кВ.
   

2.2.2 Схемы электроснабжения тяги постоянного тока напряжением 3 кВ.

На ТП трёхфазный ток поступает от электрической системы напряжением 6,10,35, 110, 220 кВ преобразуется трансформаторами, выпрямляется с помощью выпрямителей и напряжение 3 кВ подаётся в контактную сеть (КС).


220(110) кВ

35 кВ

ПТ

10 кВ

ТТ
ПА

В





+ КС

3.3 кВ

_ ТР



Рис 1. Принципиальная схема подстанции постоянного тока

с двойной трансформацией



35(10) кВ
ТТ




ПА


В




+ 3. 3 кВ

_
Рис.2. Принципиальная схема подстанции постоянного

тока с одинарной трансформацией.

При наличии первичного напряжения 6, 10, 35 кВ на ТП происходит преобразование в постоянный ток непосредственно с помощью тягового трансформатора и выпрямителя. При первичном напряжении 110, 220 кВ устанавливается промежуточный понижающий трансформатор 110(220)/10 кВ.

На ТП используются 6 – пульсные схемы выпрямления две обратных звезды (нулевая) и мостовые; 12 – пульсные мостовые схемы выпрямления.

Преимущества СТЭ постоянного тока 3 кВ:

1.При напряжении 3 кВ в КС энергия к тяговым двигателям передаётся без изменения уровня напряжения на электровозе. Поэтому электровоз получается простым. Это главное преимущество системы постоянного тока 3 кВ.

2. Тяговая нагрузка постоянного тока для трёхфазной сети внешнего электроснабжения является симметричной нагрузкой и поэтому не влияет на несимметрию токов в трёхфазной сети внешнего электроснабжения.

Недостатки:

1. 
   Низкое напряжение в КС ограничивает расстояние между ТП до15 км, а на грузонапряжённых участках с горным профилем до 8-10км.
   
2. 
   Значительное сечение контактной сети, которое достигает 400 – 600 мм² в медном эквиваленте на один путь. Это в 2-3 раза больше чем в системе переменного тока. Максимальное сечение подвески М120 + 2МФ100 + 3А185 (647 мм²).
   
3. 
   Значительные потери электроэнергии, что связано с низким уровнем напряжения в КС и большими значениями потребляемых токов. Потери электроэнергии Р = I²R составляют 12 – 15%.
   
4. 
   Cложная схема регулирования скорости двигателей: путём перегруппировки двигателей, включением реостатов, переключениями в цепях возбуждения. Включение пусковых реостатов увеличивает расход электроэнергии. Это особенно заметно на электропоездах пригородного сообщения.
   
5. 
   При питании ТП от 110(220) кВ требуется промежуточная трансформация 110(220)/10 кВ.
   
6. 
   Наличие блуждающих токов вызывает электрокоррозию металлических подземных сооружений.
   
7. 
   На особо грузонапряжённых участках с горным профилем при организации движения тяжеловесных поездов система тяги постоянного тока 3 кВ ограничивает пропускную и провозную способность участков по нагреву проводов КС и напряжению на токоприёмнике ЭПС. В связи с этим участок постоянного тока Зима – Черемхово – Слюдянка в 1995г заменён на прогрессивный вид тяги переменного тока 25 кВ. В настоящее время в России электрификация преимущественно выполняется на переменном токе 25 кВ. Электрификация на постоянном токе ограничена.
   

2.2.3 Схема электроснабжения тяги переменного тока 1х25 кВ.

Для данной схемы электроснабжения ТП превращаются в простые трансформаторные понижающие подстанции (рис.3). Преобразовательный агрегат перемещается с подстанции на электровоз. Это усложняет электровоз, но при этом исключаются пусковые резисторы и коммутационная аппаратура для переключения двигателей при пуске. Двигатели включаются параллельно. Пуск ЭПС обеспечивается регулированием напряжения на трансформаторе электровоза.

КС имеет меньшее сечение. На тяговых подстанциях устанавливают трёх- обмоточные трансформаторы: обмотка 27,5 кВ выполняется для питания тяговых и нетяговых железнодорожных потребителей, а вторая напряжением 35(10) кВ для питания районных нетранспортных потребителей.

Основные преимущества системы тяги 1х25 кВ по сравнению с системой тяги 3 кВ:

1. 
   Более высокое напряжение 25 кВ в КС уменьшает потребляемые токи. Это приводит к значительному уменьшению сечения КС (экономия меди) при больших расстояниях между подстанциями 40 – 60 км. При той же мощности S = UI с увеличением напряжения уменьшается ток и, следовательно, потери напряжения и активной мощности.
   
2. 
   Значительно упростились тяговые подстанции.
   
3. 
   Обеспечивается комплексное электроснабжение тяги и районных потребителей от одного трансформатора.
   
4. 
   Величина потерь электроэнергии значительно меньше и составляет 5 - 6%.
   

Недостатки:

1. 
   Однофазное потребление тягового тока от симметричной трёхфазной системы создаёт в трёхфазной сети внешнего электроснабжения, районных нетранспортных потребителей и нетяговых железнодорожных потребителей несимметрию токов и напряжений.
   
2. 
   Нелинейность выпрямителя ЭПС создаёт несинусоидальный тяговый ток. Кроме тока основной частоты 50 Гц имеются токи высших частот 150, 250, 350, 450 и т.д. (высшие гармоники 3, 5, 7. 9 и т. д.). Соответственно и напряжение на всех элементах в трёхфазной сети внешнего электроснабжения, районных нетранспортных потребителей и нетяговых железнодорожных потребителей и системы электроснабжения тяги имеет несинусоидальный характер.
   
3. 
   Выпрямительные ЭПС потребляют значительную реактивную мощность, которая по величине в режиме тяги примерно равна активной мощности Q = P, а в режиме рекуперации Q = 1,5 P.
   
4. 
   Электромагнитное влияние на линии связи, смежные воздушные ЛЭП, на отключённую контактную сеть соседнего пути усложняет безопасные условия работы. Требуется каблирование проводной связи или переход на оптоволоконную связь,
   

Несимметрия, несинусоидальность и значительное потребление реактивной мощности снижает технико-экономическую эффективность электрической тяги на переменном токе. Однако более высокое напряжение тяговой сети переменного тока 25 кВ обеспечивает большую эффективность электрической тяги постоянного тока 25 кВ.

2.2.4 Схема электроснабжения тяги переменного тока 2х25 кВ.

Схема электроснабжения однофазного тока промышленной частоты повышенного напряжения 2х25 кВ (автотрансформаторная трёхпроводная схема электроснабжения) сохраняет существующее электрооборудование 25 кВ (рис. 4). Электроэнергия к ЭПС передаётся напряжением 50 кВ на большей части межподстанционной зоны. ЭПС получает питание от автотрансформаторов (АТ) слева и справа напряжением 25 кВ от АТ.

Схема электроснабжения 2х25 кВ по сравнению со схемой 1х25 кВ позволяет увеличить расстояние между подстанциями до 70 - 90 км, значительно увеличивается пропускная способность, уменьшаются потери активной энергии и потери напряжения в тяговой сети, уменьшается электромагнитное влияние тяговой сети на смежные устройства. При равной потребляемой мощности ток в сети уменьшается в 2 раза так как S = UI.Схема электроснабжения 2х25 кВ является наиболее прогрессивной системой электрической тяги на современном этапе развития электрифицированных железных работ.

На тяговой подстанции устанавливается три однофазных тяговых трансформатора. Один питает левое плечо питания тяги поездов, другой питает левое плечо и третий используется в качестве резервного.




2.2.5. Система однофазного тока пониженной частоты 16²/₃ и 25 Гц напряжением 15 кВ.

Преимущество этой системы по сравнению с системой постоянного тока:

Более высокое напряжение в КС и, следовательно, допускается большее расстояние между подстанциями ( 40 –50 км ) при одновременном уменьшении сечения проводов КС.

В качестве двигателей применяют коллекторные двигатели переменного тока, близкие к характеристикам постоянного тока. Напряжение на зажимах двигателя регулируется изменением коэффициента трансформации трансформатора ЭПС. Коллекторные двигатели потребляют значительную реактивную мощность ( cos f = 0,8, при трогании 0,3 – 0,4 ). К недостаткам системы относятся значительное влияние на линии связи и воздушные ЛЭП, сложность рекуперации электроэнергии, усложнение питания районных и нетяговых ЖД потребителей.

Для электроснабжения используются две схемы: от электрических станций пониженной частоты или от отдельных агрегатов пониженной частоты, установленных на районных подстанциях.

2.3 Стыкование электрифицированных участков с различными системами электрической тяги и системами электроснабжения.

Стыкование участков ЖД, работающих на разных системах тока, осуществляется с помощью специальных ЭПС двойного питания или с помощью станции стыкования по принципу секционирования КС. Станция стыкования делится на не переключаемые секции постоянного тока, на не переключаемые секции переменного тока и переключаемые секции. На переключаемые секции напряжение подаётся в зависимости от рода тока ЭПС. При этом обеспечивается прибытие поездов с ЭПС одного рода тока, проход любого ЭПС из одного парка в другой и на пути отстоя.

Коммутационным устройством, обеспечивающим подачу в переключаемую секцию КС напряжения постоянного или переменного тока, является переключатель. Переключатель имеет три фиксированных положения: постоянный ток, переменный ток, обесточено. Переключатели устанавливают в пунктах группировки. Пункт группировки имеет три шины: переменного и постоянного тока и резервную.

Для защиты устройств постоянного тока 3 кВ от повреждений при попадании напряжения переменного тока 25 кВ применена специальная защита станции стыкования на дуговом коммутаторе, работающая на принципе КЗ для тяговой сети переменного и постоянного тока станции стыкования. В настоящее время для защиты используется устройство защиты станции стыкования УЗСП-1-3,3, выполненное на силовых полупроводниковых приборах.

Переключатель снабжён приводом с электродвигателем. Управление приводом включено в автоматику задания маршрута поезду.

Принципиальные схемы секционирования контактной сети станции стыкования с последовательным расположением приемоотправочных парков (а) и с параллельным расположением парков (в) приведены в справочнике по электроснабжению железных дорог т.2 стр. 221, рис. 26.17.

Стыкование двух СТЭ 1х25 и 2х25 кВ производится на стыковой ТП, на которой одно плечо питается трёхфазным трансформатором «звезда / треугольник» по СТЭ 1х25 кВ, а другое плечо однофазным трансформатором по СТЭ 2х25 кВ.


2.4. Схемы контактной сети их технико-экономическое сравнение

2.4.1.Схемы питания тяговой сети переменного тока

Надёжность и экономичность работы контактной сети зависят от схемы её питания и секционирования. Секционирование позволяет отключить при повреждении КС или её ремонте небольшой участок. Секционирование осуществляется с помощью секционирующих устройств: изолирующие сопряжения анкерных участков (воздушные промежутки), нейтральные вставки (НВ), секционные изоляторы. Рельсовый путь не секционируется.

У мест расположения ТП КС секционируется. Каждая примыкающая секция КС питается через свой фидер, который присоединяется к шинам ТП через выключатель. На переменном токе секционирование станции с ТП с одной стороны выполняется с помощью НВ, так как контактная сеть станции и перегона имеют разные фазы. С другой стороны воздушным промежутком, так как контактная сеть станции и перегона имеют одинаковые фазы. Для питания КС станций и локомотивного депо используют отдельные ФКС.

Изолирующее сопряжение для отделения станции и перегона располагают между входным сигналом и первой стрелкой станции со стороны перегона, чтобы при снятии напряжения со станции поезд мог быть остановлен у входного сигнала.

2.4.2.Схемы контактной сети однопутных участков:

Все схемы питания разделяют на схемы одностороннего и двустороннего питания.

1.Одностороннее питание контактной сети:

1.1. Встречно-консольное питание (раздельная работа подстанций) рис 1,а провода контактной сети межподстанционной зоны (МПЗ) в середине участка между под-станциями разделяются, как правило, нейтральной вставкой на две секции на посту секционирования (ПСК). Питание каждой секции осуществляться от одной подстанции. Разделение секций нейтральной вставкой вызвано возможной значительной разницей напряжения, появлением дуги при замыкании токоприёмником двух секций КС и её пережога.

НВ

ТП А ТП В
Рис.1,а. Встречно-консольное питание контактной сети (раздельная работа смежных ТП по КС).

1.2.Одностороннее питание контактной сети на всю длину МПЗ рис. 1,б.

При встречно-консольном питании поезд получает питание от одной ТП. Подстанция и секция КС загружаются током в течении меньшего времени, но с большей величиной тока.



2. Двустороннее питание контактной сети:

2.1.Двустороннее питание контактной сети (параллельная работа тяговых подстанций (ТП) по контактной сети) рис.1,в обеспечивает питание поезда одновременно от двух ТП.
ТП А ТП В




Рис. 1,в. Двустороннее питание контактной сети (параллельная работа смежных ТП по КС).

2.4.3.Схемы контактной сети двухпутных участков:

Схемы двустороннего питания КС двухпутного участка различают:

1.Раздельная схема КС первого и второго пути;
ТПА ТПВ


Рис. 3. Раздельная схема КС двухпутного участка.

2.Узловая схема КС:

В середине МПЗ включён пост секционирования (ПСК) для электрического соединения КС обеих путей, разделения на секции и защиты КС;



ТПА ПСК ТПВ



Рис.4 Узловая схема КС двухпутного участка.

3.Встречно-кольцевая схема контактной сети;



4. Встречно-консольная схема контактной сети;



5.Консольная схема контактной сети на всю межподстанционную зону;


6.Параллельная схема контактной сети:

ТПА ППС ПСК ППС ТПВ








Рис. 5. Параллельная схема КС двухпутного участка.

Между ПСК и ТП включёны дополнительно пост параллельного соединения (ППС), который электрически соединяет КС обеих путей.

2. 4.4.Эффективность схем контактной сети.

Схемы питания КС оцениваются по технико-экономическим показателям: потери активной мощности (электроэнергии), напряжение на электровозе, нагрев проводов КС, эффективность рекуперации, длина участка, отключаемая при КЗ.

1.Односторонние схемы контактной сети.

При схеме одностороннего питания КС до ПСК (раздельная работа смежных ТП) КС в середине участка между ТП делится на две секции нейтральной вставкой (НВ). При этом каждая секция питается от одной ТП через питающий провод (ФКС).

При схеме двустороннего питания КС (параллельная работа ТП по КС) поезда в МПЗ получают питание одновременно от двух смежных подстанций.