Хозяйство энергоснабжения
Система электроснабжения представляет собой единую электрическую сеть, которая состоит из внешних систем (электростанции, линии электропередачи, районные трансформаторные подстанции) и сооружений, находящихся непосредственно в системе железных дорог (тяговые подстанции, контактная сеть с питающими и отсасывающими линиями).
Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях, после необходимых преобразований передается по высоковольтным линиям передачи к тяговым подстанциям, где она снова подвергается преобразованию и по питающему проводу поступает в контактную сеть. Из контактной сети через специальные устройства на электровозах электроэнергия поступает к тяговым электродвигателям. На рис. 11.1 изображена в несколько упрощенном виде общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги условно от одной тепловой станции.
Известно, что электрическая энергия вырабатывается в виде переменного трехфазного тока. Этот ток напряжением 6—10 кВ от генераторов электростанции по кабелю идет к повышающему трансформатору, затем по линии электропередачи (ЛЭП) — к потребителям, в данном случае — к тяговой подстанции, расположенной около железной дороги. Питание электровозов осуществляется от контактной сети через токоприемники.
Рельсовая цепь является вторым проводом тяговой сети. Контактная сеть, рельсовая цепь, питающие и отсасывающие линии образуют тяговую часть системы электроснабжения железных дорог.
Тяговые подстанции на электрифицированных дорогах постоянного тока выполняют две основные функции — понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный ток. Такие подстанции на дорогах, работающих на однофазном переменном токе промышленной частоты, являются по существу трансформаторными подстанциями, понижающими напряжение с 110...220 до 25 кВ.
Если произойдет короткое замыкание на линии электропередачи или возникнут недопустимые перегрузки, высоковольтный выключатель отключит тяговую подстанцию от электрической станции. Этот же выключатель используют для снятия напряжения с линии, например, при ее осмотре.
Железнодорожный транспорт потребляет около 8% вырабатываемой электрической энергии, которая главным образом используется для тяги поездов электрифицированными дорогами, а также друг ими потребителями.
По плану ГОЭЛРО предусматривалось электрифицировать 3,5 тыс. верст (1 верста — 1,067 км), сегодня контактный провод протянут примерно над 60 тыс. км железных дорог.
Первым был электрифицирован участок Сабучинской ветки до Суроханов. в 1926 г. отправили первый поезд. «В первые же дни явственно проявились преимущества «электрички» перед печальной памятью «сабунчинки». Вместо 16 пар поездов при паровой тяге стало курсировать вдвое больше. Скорость движения возросла в 2,5—3 раза, стоимость поездки снизилась на 15 - 20%. В вагонах чисто, уютно». {Из газеты «Бакинский рабочий».)
В 1932 г. переведен на электротягу один из сложнейших участков дороги (подъемы на которой доходят до 28%о) — Сурамский перевал. В этом же году был построен первый отечественный электровоз, которому присвоена серия ВЛ - в честь Владимира Ленина.
В Швейцарии все железные дороги электрифицированы, в Швеции они составляют около 60%, в Италии — 50%, в Японии — более 30%, в Великобритании — более 20%.
Система тока и величина напряжения в контактной сети
На сети железных дорог применяют две системы электрической тяги: на постоянном токе напряжением в тяговой сети 3 кВ и на однофазном переменном токе напряжением 25 кВ стандартной частоты 50 Гц. Причем в обоих случаях на электровозах используют тяговые двигатели только постоянного тока.
Снабжение постоянным током имеет ряд недостатков: постоянный ток очень трудно трансформировать, т.е. повышать или понижать напряжение без значительных потерь. Чем выше мощность электровоза, тем больше потери; чтобы их предотвратить, необходимо уменьшить расстояние между тяговыми подстанциями и увеличить сечение контактного провода, но это приведет к расходу меди. При напряжении 3 кВ тяговые подстанции располагаются в среднем через 20—25 км, а расход меди на один километр контактной сети достигает 10 т. Кроме того, часть тягового тока уходит в землю, образуя «блуждающие токи», что вызывает электрохимическую коррозию. Это уменьшает срок службы рельсов, железобетонных мостов, эстакад и т.п.
Снабжение переменным током лишено этих недостатков. Чтобы изменить его напряжение, достаточно иметь обычный трансформатор, следовательно, тяговые подстанции проще и дешевле. Но электровоз переменного тока создали только в 1938 г., для преобразования переменного тока в постоянный на нем применили ртутный выпрямитель.
В настоящее время созданы электровозы с полупроводниковыми выпрямителями ВЛ-60, ВЛ-8()К, ВЛ-80Т. Применение однофазного переменного тока напряжением 25 кВ дало возможность уменьшить сечение контактного провода примерно в два раза и увеличить расстояние между подстанциями до 40—60 км.
Дальнейший рост грузонапряженности железных дорог, повышение массы поездов привели бы к повышению напряжения в контактной сети и созданию принципиально новых электровозов. Эту проблему решили путем внедрения более экономной системы электроснабжения переменного тока 2 х 25 кВ. При такой системе через каждые 8—15 км устанавливают линейные автотрансформаторы. Электроэнергия от тяговых подстанций к автотрансформаторам подводится с напряжением 50 кВ по контактной подвеске и дополнительному питающему проводу. От автотрансформаторов к электровозам электроэнергия передается с напряжением 25 кВ. В результате потери напряжения становятся меньше, а расстояние между смежными подстанциями можно увеличить до 70—80 км.
Существенным недостатком переменного тока является электромагнитное влияние на металлические сооружения вдоль путей. В результате на них наводится опасное напряжение, и в устройствах автоматики возникают серьезные помехи. Поэтому приходится применять дорогостоящие защитные сооружения.
До 1955 г. электрификация железных дорог осуществлялась на постоянном токе, а после 1955 г. — на переменном токе. Переход с постоянного на переменный ток обеспечил снижение удельного расхода цветных металлов и расходов на содержание тяговых подстанций. В конце 1970-х гг. была введена на участке Вязьма— Орша новая система электроснабжения 2x25 кВ, которая стабилизировала уровни напряжения контактной сети, значительно снизила электромагнитное влияние электрической тяги на устройства связи.
