Электроснабжение электрических железных дорог

Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем.

Энергосистема – это совокупность крупных электрических станций, объединены линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объ­единяют электростанции различных ти­пов: тепловые, где используются разно­образные виды органического топлива, гидравлические и атомные.

 

Рис. 3 Общий вид электрифицированной железной дороги постоянного тока и питающих её устройств

 

Следует отметить, что нагрузки элек­трической тяги отличаются большой равномерностью, а это способствует бо­лее стабильной работе энергосистем. От Единой энергетической системы нашей страны питаются электрические маги­страли европейской части страны, Ура­ла, Сибири. Питание от мощных энерго­систем обеспечивает бесперебойность снабжения электроэнергией потребите­лей, в том числе и электрического подвижного состава.

На рис. 3 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде об­щая схема электроснабжения электри­фицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции.

Трехфазный переменный ток напря­жением 6—10 кВ от генераторов элек­тростанции по кабелю проходит к повы­шающему трансформатору, здесь в за­висимости от различных условий напря­жение может быть повышено до 20. 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номиналь­ные значения напряжений предусмотре­ны действующими в СССР стандартами.

Затем ток по линии электоопередачи (ЛЭП) проходит к потребителям, в дан­ном случае к тяговой подстанции. Если произойдет короткое замыкание на ли­нии электропередачи или возникнут не­допустимые перегрузки, высоковольт­ный выключатель отключит ее от элек­трической станции. Этот же выключа­тель используют для снятия напряже­ния с линии, например, при ее осмотре.

Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первич­ную обмотку трансформатора тяговой подстанции, который понижает напряжение переменного трехфазного тока до значения, необходимого¹ для нормаль­ной работы электроподвижного состава (э. п. с).

Устройство и работа тяговых под­станций дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, резко различаются.

На тяговой подстанции постоянного тока, которая показана на рис. 2, пере­менный ток преобразуется в постоян­ный. Первоначально для этой цели ис­пользовали вращающиеся преобразова­тели, которые состояли из мощных дви­гателей переменного тока, установлен­ных на одном валу с генераторами по­стоянного тока. Затем вместо тяжелых и громоздких машинных преобразовате­лей стали применять ртутные выпрями­тели. В дальнейшем все ртутные вы­прямители были заменены полупровод­никовыми.

Выпрямленное напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий выключатель — и питающую линию (фидер) подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях электровоза ток от вторичной обмотки трансформатора проходит через выпрямитель, быстро­действующий выключатель, фидер, кон­тактную сеть, пускорегулирующие аппа­раты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электриче­скую цепь, рельсы соединяют отсасыва­ющей линией с нулевой точкой вторич­ной обмотки трансформатора.

Быстродействующий выключатель автоматически отключает фидер, а, сле­довательно, и контактную сеть в случае перегрузки и коротких замыканий по­следней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства ка­ких-либо работ, для чего также отклю­чают быстродействующий выключатель.

Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для по­нижения напряжения, подводимого от ЛЭП, преобразования переменного тока в постоянный и распределения электри­ческой энергии постоянного тока по уча­сткам контактной сети.

Если железная дорога электрифици­рована на переменном токе промышлен­ной частоты, то тяговая подстанция предназначена для понижения напря­жения, подводимого ЛЭП, и распреде­ления электрической энергии по участ­кам контактной сети. На линиях, элек­трифицированных на переменном токе, замкнутый контур тока образуется при­соединением одного конца первичной обмотки трансформатора, расположен­ного на электровозе, к контактной сети, а другого — к рельсу и далее через отсасывающую линию к подстанции. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, поскольку выпрямление напряжения для питания тяговых двигателей осу­ществляется на самом подвижном со­ставе.

Коэффициент полезного действия электрической тяги выражается произ­ведением к. п. д. отдельных звеньев сис­темы питания электрифицированной железной дороги: электростанции, ли­нии электропередачи, тяговой подстан­ции, контактной сети и самого элек­тровоза. Если энергия поступает от теп­ловой электростанции, к. п. д. которой примерно 35%, то полный к. п. д. элек­трической тяги составляет около 28%. С тем же примерно к. п. д. работают электрифицированные железные доро­ги, которые начали получать энергию от атомных электростанций. Гидроэлек­тростанции, к. п. д. которых достигает 85%, питают примерно одну пятую часть электрифицированных железных дорог; к. п. д. электротяги составляет при этом 60—62%.

Тяговые подстанции

Тяговая подстанция — в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии.

Электроустановка — совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены). Может быть предназначена для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования её в другой вид энергии.

Основным нормативным документом для создания электроустановок являются «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), а при эксплуатации — «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭЭП).

Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только для подстанций постоянного тока 3,3 кВ) для передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.

Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 5—25 км для подстанций постоянного тока и 50—80 км для подстанции переменного тока. Это расстояние зависит как от размеров движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций РАО «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередач напряжением 10—220 кВ. Электроэнергия поступает в открытое распределительное устройство, на понижающий трансформатор. С понижающего трансформатора электроэнергия поступает на тяговый трансформатор, откуда она подаётся на преобразовательный агрегат (выпрямитель). С преобразовательного агрегата выпрямленный ток подаётся на основную и резервную системы шин и распределяется в контактную сеть через быстродействующие автоматы. В Российской Федерации номинальное напряжение выпрямленного тока нормируется Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и установлено на уровне 3100 В.

Тяговые подстанции переменного тока имеют то же предназначение, что и подстанции постоянного тока, за исключением того, что в них отсутствуют преобразовательные агрегаты для выпрямления тока.

Исторически сложилось так, что тяговые подстанции в России иногда были единственными источниками электрической энергии приемлемого уровня напряжения для её последующего распределения, поэтому на всех тяговых подстанциях имеется распределительное устройство для распределения и дальнейшей транспортировки электрической энергии напряжением 35—0,4 кВ как железнодорожным, так и нежелезнодорожным потребителям.

Тяговые подстанции преобразующие переменный ток высокого напряжения в постоянный ток более низкого напряжения 850 В (750-900 В) применяются и в метро.

 

1.3.1. Тяговые подстанции для электрификации железных дорог
постоянного и переменного тока

Подстанции в модульном исполнении собираются из типовых модулей-контейнеров, содержащих готовые функциональные блоки. Подстанции в капитальных зданиях монтируются из укрупненных функциональных блоков (ФБ), собранных в заводских условиях.

Рис. 7 Схема основных цепей типовой тяговой подстанции постоянного тока

Таблица 1 Основные технические параметры

Напряжение входное			220 (110, 35, 10) кВ
Напряжение выходное			3,3 кВ
Мощность преобразования			до 10 МВт
Количество фидеров постоянного тока			4 - 8 шт.

Рис. 8 Тяговая подстанция переменного тока "Олехновичи" (Белоруссия)

Рис. 9 Схема основных цепей типовой тяговой подстанции переменного тока

Таблица 2 Основные технические параметры

Напряжение входное	110 (220) кВ
Напряжение выходное	27,5 кВ
Количество фидеров контактной сети	4-8 шт.
Количество фидеров ДПР	2 шт.