Электроснабжение железных дорог

В систему электрифицированных железных дорог России (рис. 6.1) входят сооружения и устройства, составляющие ее внешнюю часть (тепловые, гидравлические и атомные электростанции, линии электропередачи) и тяговую часть (тяговые подстанции, контактная сеть, рельсовая цепь, питающая и отсасывающая линии).

Ðèñ. 6.1. Îáùèé âèä ýëåêòðèôèöèðîâàííîé æåëåçíîé äîðîãè ïîñòîÿííîãî òîêà è ïèòàþùèõ åå óñòðîéñòâ: 1 — ýëåêòðîñòàíöèÿ; 2 — ïîâûøàþùèé òðàíñôîðìàòîð; 3 — âûñîêîâîëüòíûé âûêëþ÷àòåëü; 4 — ëèíèÿ ýëåêòðîïåðåäà÷è; 5 — òÿãîâàÿ ïîäñòàíöèÿ; 6 — áëîê áûñòðîäåéñòâóþùèõ âûêëþ÷àòåëåé è ðàçúåäèíèòåëåé; 7 — îòñàñûâàþùàÿ ëèíèÿ;

8 — ïèòàþùàÿ ëèíèÿ; 9 — âûïðÿìèòåëü; 10 — òÿãîâûé òðàíñôîðìàòîð;

11 — âûñîêîâîëüòíûé âûêëþ÷àòåëü; 12 — ðàçðÿäíèê

Электростанции вырабатывают трехфазный ток напряжением 220-380 В, который затем повышают на подстанциях для передачи на большие расстояния.

Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение понижают на трансформаторных подстанциях до 220 кВ и подают в районные сети высокого напряжения, к которым подключены потребители электроэнергии, в том числе и тяговые подстанции электрифицированных железных дорог, питающие контактную сеть.

Электрифицированные железные дороги России работают на постоянном или однофазном переменном токе. До 1955 г. электрификация железных дорог осуществлялась на постоянном токе, а с 1956 г. — на переменном.

Тяговые подстанции постоянного тока высокое напряжение трехфазного тока понижают до 3,3 кВ и преобразуют его в постоянный с помощью кремниевых выпрямителей.

Все оборудование переменного тока размещают на открытых площадках, а выпрямители и вспомогательные агрегаты — в закрытых помещениях.

Относительно низкое напряжение является основным недостатком системы постоянного тока. Для поддержания нужного уровня напряжения на токоприемниках локомотивов тяговые подстанции размещают на расстоянии 10-25 км. На линиях с большой грузонапряженностью и интенсивным пассажирским движением приходится не только уменьшать расстояние между подстанциями, но и увеличивать сечение контактной сети (подвешивают дополнительный контактный провод).

Тяговые подстанции переменного тока служат только для понижения напряжения переменного тока, получаемого от электросетей, до 27,5 кВ.

На направлениях железных дорог, работающих на переменном токе, подстанции размещают в зависимости от грузонапряженности участка на расстоянии 40-60 км, а контактная сеть может быть примерно в 2 раза меньшего сечения, чем при постоянном токе.

Дальнейший рост грузонапряженности железных дорог, повышение массы поездов создают определенные трудности в электроснабжении и при переменном токе напряжением 25 кВ. Наиболее эффективным способом усиления электрифицированных линий в таких условиях было бы повышение напряжения в контактной сети, но это связано с большими капитальными затратами на увеличение прочности изоляции, постройку принципиально новых электровозов и реконструкцию некоторых устройств электроснабжения.

Эти проблемы решаются путем внедрения новой более экономной системы электроснабжения переменного тока напряжением 2 х 25 кВ с промежуточными автотрансформаторами, размещаемыми на расстоянии 8-15 км. Электроэнергия от тяговых подстанций к автотрансформаторам подводится с напряжением 50 кВ по контактной подвеске и дополнительному питающему проводу.

От автотрансформаторов к электроподвижному составу электроэнергия подается с напряжением 25 кВ. В результате, потери напряжения становятся значительно меньше, а расстояние между смежными подстанциями можно увеличить до 70-80 км.

Контактная сеть предназначена для передачи электрической энергии, получаемой от тяговых подстанций к электроподвижному составу и должна обеспечивать надежный токосъем при наибольших скоростях движения в любых атмосферных условиях.

Существуют различные конструкции контактной сети для наземного электрического транспорта и метрополитенов. На наших железных дорогах принята конструкция основными элементами которой являются опоры; контактная подвеска, состоящая из несущего троса, контактных и усиливающих проводов; консоли, фиксаторы и т.д.

Ðèñ. 6.2 Óñòðîéñòâî êîíòàêòíîé ñåòè íà äâóõïóòíîì ïåðåãîíå: 1 — íåñóùèé òðîñ;

2 — êîíòàêòíûé ïðîâîä; 3 — óñèëèâàþùèé ïðîâîä; 4 — ñòðóíà; 5 — ôèêñàòîð;

6 — êîíñîëü; 7 — ìåòàëëè÷åñêàÿ îïîðà

Опоры железобетонные или металлические располагаются вдоль железнодорожного пути на расстоянии 65-80 м друг от друга.

Консоли укреплены в верхней части опор. К ним на изоляторах подвешен медный или биметаллический несущий трос.

Контактный провод, поперечное сечение которого показано на (рис. 6.3), изготовлен из меди и с помощью струн подвешен к биметаллическому или медному несущему тросу. Расстояние между струнами обычно составляет 6-12 м. В подвесках с двумя контактными проводами (постоянный ток) при шахматном расположении струн (струны каждого контактного провода смещены относительно друг друга) расстояние между ними уменьшено до 4-6 м.

Ðèñ. 6.3. Ïðîôèëü êîíòàêòíîãî ïðîâîäà

На прямых участках пути контактные провода расположены в плане зигзагообразно относительно оси пути на 300 мм в каждую сторону (рис.6.4). Это необходимо для обеспечения равномерного износа накладок токоприемников электроподвижного состава.

Рис. 6.4

Такое расположение контактного провода осуществляется с помощью фиксаторов, размещенных на каждой опоре. Фиксаторы также препятствуют раскачиванию контактной сети от бокового ветра.

На железных дорогах поезда движутся с большими скоростями, поэтому провесы контактного провода должны быть незначительными. С этой целью применяют так называемые цепные подвески.

В цепных подвесках (рис. 6.5;) контактный провод между опорами подвешен не свободно, а на струнах, прикрепленных к несущему тросу.

Ðèñ. 6.5. Ðàñïîëîæåíèå öåïíîé êîíòàêòíîé ïîäâåñêè â ïëàíå

Для уменьшения стрел провеса контактного провода при сезонном изменении температуры его оттягивают к опорам, которые называются анкерными, и через систему блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы (рис. 6.6.).