Системи електричної тяги

На залізницях України і країн СНД, залежно від роду струму і спосо­бу живлення ним контактної мережі, застосовуються такі системи елект­ротяги:

• система постійногоструму, яка забезпечує напругу в контактній ме­режі 3 кВ (не нижче 2,7 кВ і не вище 4 кВ). Для створення постійного струму на тягових підстанціях застосовуються шести- або дванадця-типульсові перетворювачі. Контактну мережу з'єднують живлячими проводами з шинами «+», а рейкову колію — відсмоктувальними про­водами з шинами «-» тягових підстанцій. До недоліків системи відно­сять порівняно низьку напругу в тяговій мережі (3 кВ), яка обме­жується максимально допустимою напругою, що має подаватись без­посередньо з контактної мережі на тягові двигуни без проміжного пе­ретворення її на локомотиві. Крім того, в цій системі виникають значні блукаючі струми, що спричиняють електрокорозію підземних металевих споруд, і останні потребують спеціального захисту;

• система однофазного змінного струму промислової частоти 50 Гц, яка забезпечує напругу в контактній мережі 25 кВ (не нижче 21 кВ і не вище 29 кВ). Для рівномірного навантаження фаз системи зовнішньо­го електропостачання, яка подає на тягову підстанцію трифазний струм, недопущення викривлень напруги на шинах тягових підстанцій, до рейкової мережі приєднують одну і ту ж фазу трансфор­маторів, а в контактній мережі між кожною парою суміжних підстанцій для живлення тягової мережі використовують різні фази. Як показано на рис. 5.6, контактна мережа 1 на дільниці між підстанціями І і II отримує живлення від фази Ь, а між підстанціями II і III — від фази а. Рейкова мережа 3 завжди приєднана до фази с. Щоб не замикались у контактній мережі різні фази {а і Ь) влаштовують еле­ктричні розділення — нейтральні вставки.

На відміну від системи постійного струму, система однофазного стру­му значно простіша і більш економна. Порівняно висока напруга в кон­тактній мережі і відповідно менші струми в ній дозволяють в 2,5-3 рази зменшити площу перерізу проводів контактної мережі, збільшити відстань між тяговими підстанціями. Тягові трансформатори, які установ­люються на електрорухомому складі, дозволяють постійно утримувати тягові двигуни паралельно включеними, що поліпшує тягові властивості електровоза. Тягові підстанції в цій системі перетворюються в звичайні трансформаторні, чим спрощується їх робота. Разом з тим, при живленні однофазним струмом не можливо уникнути певної асиметрії (нерівно­мірності завантаження) фаз, що призводить до неповного використання електроенергії, перегрівання більш навантажених фаз тощо. Значний не­долік цієї системи полягає також у відмінності параметрів прямого (кон­тактна підвіска) і зворотного (рейки + ґрунт) проводів тягової мережі. Ці проводи рознесені на значну відстань один від одного. В просторі, який обіймає тягову мережу, ство-/, с рюється потужне електро­магнітне поле, наслідком якого є високий індуктивний опір тя­гової мережі (0,5-0,6 Ом/км), великі втрати напруги в ній, інтенсивний небезпечний вплив на суміжні лінії низької ннапругиапру (СЦБ і зв'язку), які

потребують використання коштовного магістрального кабелю, релейного та іншого захис-

ту. Суттєве зменшення негативного впливу цього недоліку можливе дво­ма шляхами: зближенням проводів прямого і зворотного струмів, як це здійснюється в тролейбусній контактній підвісці, або використанням сис­тем живлення з компенсацією зовнішнього електромагнітного поля. Пер­ший шлях в умовах експлуатації залізниць застосовувати конструктивно неможливо, другий — можливий і уже застосовується в трьох таких систе­мах живлення: системі живлення з коаксіальним кабелем, автотрансфор-маторній системі, відомій під назвою 2 χ 25 кВ, і системі з екрануючими і підсилюючими проводами (ЕПП);

• система однофазного змінного струму з коаксіальним кабелем —
розроблена в Японії, має надзвичайно високі електротехнічні характе­
ристики. Проте вона потребує спеціального висококоштовного мідно­
го кабелю перерізом 2 χ 200 мм² і товще, тому ніде в інших країнах не
застосовується;

• система однофазного змінного струму 2 χ 25 кВ — вперше була за­
стосована в США, Японії і Франції при електрифікації швидкісних
пасажирських магістралей, а також в Росії — при електрифікації ван-
тажонапружених ліній. На залізницях України ще не запроваджува­
лась. Суть її полягає в тому, що на тягових підстанціях встановлюють
однофазні трансформатори з вторинними обмотками напругою 50 кВ
(рис. 5.7). Середню точку цих обмоток з'єднують з рейковою мережею,
а крайні -і одну з контактною підвіскою, а другу з живлячим прово­
дом, підвішеним паралельно контактному проводу з протилежного від
нього боку на опорах контактної мережі. Через кожні 8-15 км вста­
новлюють лінійні автотрансформатори на 50 кВ, які вмикають між
живлячим і контактним проводами. Таким чином, у контактну мере­
жу поступає напруга 50 кВ. Між контактним проводом і рейками збе­
рігається напруга 25 кВ, що дозволяє експлуатувати такий же елект­
рорухомий склад змінного струму і не застосовувати спеціальні

пристрої в місцях стикування дільниць систем змінного струму 25 кВ і2х25кВ.

Порівняно з системою 25 кВ, опір тягової мережі в системі 2 χ 25 кВ зменшується в 2 рази, втрати електроенергії — в 2-2,5 рази, суттєво змен­шуються також індуктивний вплив на лінії зв'язку, значно подовжуються підстанційні зони і відстані між підстанціями. Регулювання коефіцієнта трансформації лінійних автотрансформаторів дозволяє підтримувати за­даний рівень напруги в контактній мережі і цим самим реалізувати не­обхідну потужність і швидкість локомотивів. Проте ця система теж дуже дорога через необхідність застосування великої кількості автотрансфор­маторів;

• система однофазного змінного струму 25 кВ з екрануючими і підси­люючими проводами (ЕПП)— вперше була розроблена і запровадже­на в СРСР в 1978 році на дільницях Північно-Кавказької залізниці і далі застосовувалась переважно для підсилення раніше електрифіко­ваних вантажонапружених дільниць з метою збільшення допустимих струмів та зниження втрат електроенергії, а також на дільницях, де особливо проявлявся високий рівень індуктивного впливу на суміжні електричні лінії. Ця система в 90-х роках минулого століття стала по­ширюватись також на залізницях Західної Європи. Успішно запрова­джується в ході комплексної модернізації системи електропостачання на залізницях України. Суть системи змінного струму з ЕПП полягає в тому, що рядом з контактною підвіскою звичайного типу на опорах контактної мережі з боку поля підвішуються два проводи — підсилю­ючий провід ПП і зворотний екрануючий провід ЕП, розміщення яких показано на рис. 5.8. Ці проводи кріпляться до того ж кронштейна, що і провід ДПР і наближаються один до одного з урахуванням експлуа­таційної надійності на відстані 80 см.

Існують два способи заземлення проводу ЕП: в першому (рис. 5.8) £77 заземлюється на нульові точки звичайних дросель-трансформаторів ДТ через лінійні проміжки не менше4 км (тобто через два ізольованих стики на третій) або на додатково встановлені колійні дроселі; в другому варіанті (рис. 5.9) ЕП заземлюється на індивідуальні заземлювачі (стержні довжиною 3 м, які забиваються в ґрунт біля опори приблизно через кожні 200 м, тобто на кожній четвертій опорі). Заземлювачі при цьому взагалі не зв'язуються з рейками, що покращує умови роботи автоблокування.

Хоча за величиною опору система ЕПП дещо поступається системі 2 χ 25 кВ, але за всіма іншими показниками вона не гірша ЇЇ, а за розміра­ми втрат електроенергії і за вартістю навіть набагато краща. Економічні розрахунки показують, що застосування тягової мережі ЕПП для елект-

Рис. 5-8. Розміщення проводів системи Рис. 5.9. Заземлення екрануючого про­вода

ЕПП на опорі контактної мережі: на індивідуальний заземлювач:

ПП — підсилюючий провід; ПП — підсилюючий провід;

£77 — екрануючий провід; ЕП — екрануючий провід;

ДПР — лінія живлення не тягових ДПР — лінія живлення нетягових залізничних

залізничних споживачів; споживачів: 1 — азбестоцементна труба;

ДТ — дросель-трансформатор. 2 — підсипка ґрунту.

Номінальна напруга на шинах тягових підстанцій вища, ніж в контакт­ній мережі: на лініях змінного струму вона складає 27,5 кВ (в контактній мережі 25 кВ), на лініях постійного струму — 3,3 кВ (в контактній ме­режі — 3 кВ).

За способом підключення до лінії ЛЕП тягові підстанції бувають опорні, прохідні (транзитні), відпайні, тупикові (див. рис. 5.2). Частіше їх суміщують з підстанціями зовнішньої енергосистеми (РТП), в деяких ви­падках з черговими пунктами контактної мережі.

Тягові підстанції мають складне обладнання, яке відповідає їх кла­сифікації і системі живлення електротяги. Основним з них є розподільчі пристрої РП (російською мовою РУ), які бувають відкритого і закритого типу.

За конструктивним виконанням підстанції бувають стаціонарні і пе­ресувні. Останні використовуються при ремонті для заміни розподільчих пристроїв, перетворювачів чи всієї стаціонарної підстанції, якщо вона вийшла з ладу, або як резервні, які встановлюють між стаціонарними для підсилення системи тягового електропостачання.

За способом управління підстанції поділяються на:

• з автотелеуправлінням, в яких контроль і регулювання роботи вико­
нуються спеціальною апаратурою з диспетчерського пункту;

• з автоматичним управлінням, які працюють у заданому автоматично­
му режимі, на підстанції відсутні чергові енергодиспетчери;

• з напівавтоматичним управлінням, в яких частина операцій вико­
нується автоматично, а частина — черговим працівником (операто­
ром).

5.2.2. Принципова будова тягових підстанцій постійного струму

Тягові підстанції залізниць постійного і змінного струму значно відрізняються за будовою.

Підстанції постійного струму, звичайно,-складніші. Крім зниження напруги зовнішнього електропостачання, вони повинні ще забезпечити перетворення трифазного змінного струму в постійний. На них встанов­люються перетворювачі — агрегати, які складаються з понижуючих транс­форматорів і з'єднаних з ними послідовно випрямлячів. Як правило, на­пруга зовнішнього електропостачання знижується у два рази — спочатку до 11 кВ, а потім до 3,3 кВ (рис. 5.10). Від РП 110 (220) кВ електроенергія надходить до триобмоточного трансформатора 1, а потім від одної з його вторинних обмоток до РП 11 кВ, від другої — до РП 38,5 кВ. Через пере­творювач, який складається з трансформатора 6 і випрямляча 5, енергія від РП 11 кВ надходить до РП 3,3 кВ. До його шини «+» підключаються

Випрямлена напруга на тягових підстанціях с пульсуючою, що викли­кає завади в повітряних лініях автоблокування. Щоб їх зменшити, до шин «-» підключають згладжуючі пристрої (реактори).

На підстанціях постійного струму застосовуються шести- і дванадця-типульсові схеми випрямлення струму.Порівняно з шестипульсовою, трифазна дванадцятипульсова схема значно зменшує пульсацію і остан­нім часом широко запроваджується на електрифікованих залізницях Ук­раїни.

Як показано на рис. 5.11, дванадцятипульсова схема випрямлення складається з двох трифазних шестипульсових мостових схем випрямлен­ня, з'єднаних послідовно, у яких амплітуди випрямленого струму зміщені за фазою на кут π/6. Одна із вторинних обмоток з'єднана «зіркою», дру­га — «трикутником». За такої схеми не потрібен згладжувальний реактор.