Структурная схема электрической железной дороги

Производство электрической энергии для нужд промышленности, сельского хозяйства и быта осуществляется генераторами, установленными на электрических станциях (ЭС) различного типа: тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС). Основу энергетической базы страны составляют ТЭС, незначительное количество энергии вырабатывается на ЭС других типов: геотермальных, ветровых, солнечных, приливных.

Генераторы ЭС вырабатывают энергию при напряжении 5 -20 кВ, затем производится повышение напряжения в трансформаторах ЭС до 220-1150 кВ и энергия передается по линиям электропередачи (ЛЭП) на районные подстанции. (РП). Необходимость повышения напряжения обусловлена тем, что потери энергии при ее передаче тем меньше, чем выше напряжение. Это особенно важно при передаче энергии на большие расстояния.

Совокупность ЭС и ЛЭП образует энергетическую систему. В настоящее время в нашей стране около 90% всей электроэнергии вырабатывают ЭС, объединенные в единую энергетическую систему — ЕЭС РК (рис. 3.1).

На районных подстанциях происходит понижение напряжения и после этого ее получают промышленные предприятия и другие потребители. Непосредственно от ЭС (или от РП) питаются и тяговые подстанции (ТП), расположенные вдоль трассы железной дороги и предназначенные для обеспечения энергией электрического подвижного состава (ЭПС). Заметим, что ТП снабжают электрической энергией не только ЭПС, а и предприятия, расположенные вблизи подстанции (нетяговые потребители).

Рис. 3.1

Электрический подвижной состав получает электрическую энергию через тяговую сеть, которая, в свою очередь, состоит из контактной сети (КС), подвешенной над железнодорожным путем, и рельсовой цепи (РЦ), то есть по ходовым рельсам ТП и тяговая сеть образуют систему электроснабжения.

Таким образом, движущийся подвижной состав через скользящий контакт (токоприемник - контактный провод) и катящийся контакт (колесо - рельс) постоянно связан с источником электрической энергии. В метрополитенах вместо воздушной контактной сети используется так называемый третий рельс (см. рис. 24 в [2]), по которому скользит башмак, укрепленный на электропоезде вагона метрополитена. Такое техническое решение вызвано необходимостью уменьшить габариты тоннеля и тем самым сократить его стоимость.

ЭПС непосредственно осуществляет транспортный процесс - перевозку грузов и пассажиров, преобразуя электрическую энергию в механическую, затрачиваемую на движение поезда.

Энергетическая система находится в ведении Министерства энергетики и электрификации РК, а тяговые подстанции, тяговые сети и ЭПС в ведении ЗАО «НК Казахстан темiр жолы».

Устройства электроснабжения (ТП и КС) и Э11C. образуют систему электрической тяги.

Как следует из структурной схемы электрической железной дороги (см. рис. 3.1), энергия, необходимая для движения поезда, на своем пути от генератора ЭС до колес ЭПС претерпевает несколько преобразований, при каждом из которых возникают потери. В результате этого коэффициент полезного действия (КПД) электрической тяги, как системы , является произведением КПД отдельных звеньев всей цепи" преобразований:

η_эт = η_эс η_лэп η_тп η_тc η_эпс , (3,1)

где η_эс, η_лэп, η_тп, η_тc и η_эпс — КПД электрической станции, линии электропередачи, тяговой подстанции, тяговой сети и ЭПС соответственно. Определяющим в этой совокупности КПД является η_эс который неуклонно увеличивается по мере роста единичной мощности генераторов ЭС, а также за счет увеличения доли энергии, вырабатываемой ГЭС и АЭС, в настоящее время η_эс ≈ 0,48.

Тогда КПД электрической тяги, по (3.1).

η_эт =0,48 0,95 0,95 0,94 0,81 = 0,330.