Система тягового энергоснабжения электрифицированных железных дорог

В Советском Союзе применяются в настоящее время две системы электрической тяги — постоянного тока с напряжением тяговой сети 3 кВ и переменного однофазного тока с напряжением тяговой сети 25 кВ (напряжения на шинах тяговых подстанций для этих систем см. в табл. 1).
В последнее время получает распространение модификация системы 25 кВ — система 2X25 кВ, которая при том же подвижном составе дает значительное улучшение характеристик тягового электроснабжения. Ниже будут приведены основные отличия этой системы.
В связи с широкой электрификацией железных дорог в настоящее время определились характерные решения, по которым выполняют схемы питания тяговых подстанций. Эти решения зафиксированы специальным указанием МПС и МЭЭ, в котором приведены рекомендации по подключению тяговых подстанций к ВЛ 110 или 220 кВ, проходящим вдоль трассы электрифицируемой железной дороги. К таким ВЛ тяговые подстанции подключают по упрощенной схеме без силовых выключателей или с минимальным количеством их (как правило, с одним). Через каждые 100—120 км для В Л 110 кВ и 130—170 км для В Л 220 кВ должны быть сооружены так называемые опорные подстанции с выключателями на каждой питающей линии. Желательно на такой подстанции иметь дополнительный ввод от питающего центра энергосистемы, чтобы поддерживать напряжение в ВЛ, снабжающих энергией тяговые подстанции.
Там, где тяговые подстанции постоянного тока расположены вблизи районных подстанций энергосистемы, можно применять питание тяговых подстанций на напряжении 35, 10 или 6 кВ. При этом связь между тяговой и районной подстанциями должна быть выполнена несколькими линиями, чтобы при выходе из строя вследствие аварии одной из них остальные могли обеспечить максимальную нагрузку тяговой подстанции. При размещении тяговых подстанций на застроенной территории допускается BJI 10 и 6 кВ делать кабельными.
В связи с большой мощностью тяговых подстанций переменного тока напряжения ниже 110 кВ для их питания не применяют. Поэтому при размещении такой подстанции вблизи районной рекомендуется совмещать их на одной площадке.
На рис. 7 показана примерная схема внешнего энергоснабжения, электрифицированной железнодорожной линии. Система тягового энергоснабжения включает в себя следующие элементы: тяговые подстанции, питающие и отсасывающие линии, тяговую сеть и вспомогательные устройства (посты секционирования, пункты группировки переключателей на станциях стыкования, пункты параллельного соединения, отсасывающие трансформаторы). Конструкции этих устройств очень разнообразны и зависят от принятой системы тока, объема перевозочной работы железной дороги и ее технического вооружения. Схематически элементы системы тягового энергоснабжения изображают обычно на схеме питания и секционирования контактной сети электрифицированного участка.
Участок контактной сети между двумя тяговыми подстанциями носит название зоны двустороннего питания. Если участок питается только одной тяговой подстанцией, он называется зоной консольного питания. При наличии на двух путном участке пунктов параллельного соединения (ППС), по одному между подстанцией и постом секционирования, схема питания называется параллельной, а при отсутствии ППС — узловой.
Тяговые подстанции. Тяговые подстанции питают тяговую сеть (контактную сеть и ходовые рельсы) и преобразуют трехфазный переменный ток питающих ВЛ в постоянный ток напряжением 3300 В (при электротяге постоянного тока) или в однофазный переменный ток напряжением 27 500 В (при электротяге переменного тока).
Питающие и отсасывающие линии. Питающие линии предназначены для передачи тягового тока от подстанций в контактную сеть, -г отсасывающие — для возвращения тока из ходовых рельсов железнодорожного пути на тяговую подстанцию.
Питающие линии для железных дорог выполняют, как правило, воздушными на металлических или железобетонных опорах. Конструкция таких линий подобна конструкции трехфазных BJI, однако опоры применяют более мощные, так как на них подвешивают значительное число проводов — две-три линии, каждая из которых может состоять из трех — пяти проводов. При системе переменного тока в некоторых случаях возможно применять для питающих линий типовые опорные конструкции ВЛ 35 кВ. Сортамент проводов и изоляторов используют такой же, как и для ВЛ общего назначения. Для ВЛ 27,5 кВ берут то же число изоляторов, что и для В Л 35 кВ.
Питание контактных подвесок отдельных путей осуществляется самостоятельными питающими линиями (фидерами). Подвеска каждого пути вправо и влево от тяговой подстанции также питается отдельным фидером. Если на станции, где расположена тяговая подстанция, менее пяти путей, контактная сеть ее питается от перегонных фидеров; если же путей более пяти, для питания контактной сети станции на тяговой подстанции обычно сооружают специальный «станционный» фидер. На крупных станциях часто применяют отдельные фидеры, питающие сеть крупных парков. Питание пунктов группировки станций стыкования выполняют, как правило, отдельными фидерами, соединенными в кольцо.
Отсасывающие линии также большей частью выполняют , воздушными, однако,, если тяговая подстанция расположена вблизи путей на застроенной территории, при системе постоянного тока можно использовать и кабельные линии. Для системы переменного тока 27,5 кВ во многих случаях в качестве отсасывающих проводов дополнительно используют рельсы подъездного пути тяговой подстанции. Отсасывающие провода присоединяют не непосредственно к ходовым рельсам, а к нулевой точке путевых дросселей автоблокировки. Это обеспечивает нормальную работу устройств автоблокировки и централизации (СЦБ) железной дороги. Отсасывающие провода присоединяют, как правило, к ближайшим по отношению к тяговой подстанции путям. На станциях стыкования для отсоса рельсы подъездного пути, как правило, не используются.
Тяговая сеть. Контактная сеть вместе с ходовыми рельсами образует тяговую сеть, предназначенную для передачи тока от подстанции к локомотиву, движущемуся по железнодорожному пути (электровоз, моторный вагон), и отвода тока обратно на подстанцию. Ходовой рельс используют в качестве обратного провода. Контактная сеть имеет сложную конструкцию, обеспечивающую передачу тока с провода на токоприемник локомотива при больших скоростях движения последнего; достаточную механическую устойчивость положения провода относительно оси пути при атмосферных изменениях (температура, ветер, гололед); механическую прочность проводов, истираемых быстродвижугцимися токоприемниками; сохранение вертикальных габаритов между проводами и рельсами; безопасность для населения, пассажиров и обслуживающего персонала.
Контактная сеть состоит из контактной подвески, опорных и поддерживающих конструкций.
Контактные подвески применяют различных типов в зависимости от условий движения поездов (профиля и плана линии, скоростей движения). Наибольшее распространение на железных дорогах нашли так называемые цепные подвески, состоящие из несущего троса и контактного провода 2, соединенных струнами 3. Если ток одного локомотива может превысить 1200—1400А, к несущему тросу подвешивают два контактных провода, по которым токоприемник скользит одновременно. Для компенсации больших потерь напряжения или уменьшения нагрева проводов цепную подвеску часто дополняют усиливающими проводами, подвешиваемыми отдельно на тех же опорах. Несущий трос, контактные и усиливающие провода электрически представляют собой единый токопровод.
Чтобы выдержать необходимый вертикальный габарит контактного провода, в каждом участке подвески (так называемом анкерном участке) создают натяжение специальными грузами 5, подвешиваемыми к проводам в конце участка. Если грузы подвешивают только к контактным проводам, подвеску называют полукомпенсированной, если же и к проводам, и к несущему тросу, подвеску называют полностью компенсированной. Грузы компенсируют изменение длины провода под влиянием изменения температуры окружающей среды.
Опорными конструкциями являются опоры и их фундаменты 7. В настоящее время большинство опор выполняют из железобетона. В некоторых случаях применяют металлические, а еще реже деревянные опоры. Опоры классифицируют по несущей способности, определяемой изгибающим моментом в месте заделки опоры в грунт или присоединения к фундаменту. Кроме того, железобетонные опоры разделяют на цельные, заделываемые в грунт частью своего ствола (иногда с использованием поперечин, увеличивающих сопротивление грунта)| и раздельные, укрепляемые в так называемых стаканных фундаментах. Применяемые на станциях металлические решетчатые опоры всегда устанавливают на фундаменты. Фундаменты всех опор изготовляют из железобетонных элементов.
Поддерживающие конструкции включают в себя консоли, кронштейны, гибкие и жесткие поперечины и некоторые другие элементы. Консоли 9 служат для подвески проводов к опорам над осью пути, по которому двигаются локомотивы. Вид и величина консолей зависят от их назначения, габарита установки опор и наличия кривых участков пути. Фиксаторные кронштейны, также имеющие несколько разновидностей, предназначены для четкой фиксации контактных проводов над осью пути 6 с помощью специальных элементов (фиксаторов) 8. Кроме того, их используют для создания так называемых зигзагов проводов, т. е. смещения проводов от оси пути. Зигзаги проводов необходимы для обеспечения равномерного истирания всей поверхности токоприемника локомотива, а не одной какой-то его узкой полосы. Гибкие поперечины, состоящие из; проводов, прикрепленных к опорам поперек пути, служат для подвески контактной сети над многими путями сразу, например на станциях, где имеется более восьми путей. Жесткие поперечины 4 (металлические фермы) предназначены для той же цели при подвеске сети над двумя — восемью путями.
Ходовые рельсы, используемые для возврата тягового тока от локомотива на тяговую подстанцию при электрической тяге, снабжают рельсовыми соединениями, которые устанавливают между отдельными звеньями рельсов для уменьшения сопротивления в стыках. На станциях устраивают соединения и между рельсами отдельных путей.
Секционирование контактной сети. Обычно предусматривают секционирование контактной сети зоны питания, т. е. разделение ее специальными разъединителями на участки, каждый из которых можно отключить (обесточить), не лишая напряжения остальные участки. Секционные разъединители служат также для подачи резервного питания на отдельные участки.
Секционирование контактной сети должно обеспечить питание от одного фидера двух путей или двух направлений одного пути с помощью продольных и поперечных нормально отключенных разъединителей на фидерных линиях подстанций и постов секционирования; отделение контактной сети станции от контактной сети перегонов с установкой дополнительного поперечного разъединителя, используемого для резервирования; выделение контактной сети групп путей на станциях с большим путевым развитием. При этом на очень крупных станциях иногда устанавливают специальный пост секционирования, от которого отдельные парки, депо и экипировочные устройства получают питание по своим линиям через силовые выключатели. Питание такого поста от подстанции обычно осуществляется специальной фидерной линией.
Значительная часть секционных разъединителей оборудуется телеуправлением. При переменном токе надо специально изолировать контактные сети, питающиеся от различных фидеров тяговой подстанции. Для этого применяют так называемые нейтральные вставки и секционные изоляторы, схематически показанные на рисунке.
На станциях, где происходит стыкование линий, электрифицированных на двух разных родах тока, осуществляют более сложную схему секционирования, которая обеспечивает автоматическую зависимость между переключателями, подающими питание на отдельные секции сети и маршрутными устройствами электрической централизации стрелок. Каждая секция на такой станции имеет специальный фидер, питающий ее от пункта переключения. Если стыкование выполняется с помощью электровоза двойного питания, то не требуется такой сложной схемы секционирования и она выполняется обычной, как для системы переменного тока.
Вспомогательные устройства. Вспомогательные устройства системы электроснабжения предназначены для улучшения условий работы основных тяговых устройств.
Посты секционирования позволяют при коротком замыкании электрически разделить участок тяговой сети между двумя подстанциями на независимые участки и этим улучшить условия защиты от токов коротких замыканий в контактной сети.
Пункты параллельного соединения служат для электрического соединения контактных сетей разных путей двух путных и многопутных участков. Такое соединение уменьшает потери напряжения и энергии в сети, одновременно позволяя разделить ее при аварии в контактной сети одного из путей.
Пункты группировки переключателей устанавливают на тех станциях, где происходит стыкование двух систем тяги — постоянного тока 3300 В и переменного тока 27,5 кВ. Для смены локомотивов на таких станциях на каждую группу путей при необходимости можно подавать то одно, то другое напряжение. Смена напряжений производится дежурным по станции с поста электрической централизации путем дистанционного управления переключателем или автоматически в зависимости от создаваемого маршрута. Переключатели сгруппированы по 6—9 шт. На каждой такой станции устанавливают по нескольку пунктов группировки переключателей. На пунктах группировки монтируют также блок защиты от попадания одного напряжения в сеть другого напряжения, так называемый блок ЗСС (защита станции стыкования).
Отсасывающие трансформаторы применяют на некоторых участках, электрифицированных по системе переменного тока 2/,5 кВ, чтобы уменьшить влияние токов контактной сети на линии связи и электрические линии других напряжений. Кроме того, эти трансформаторы уменьшают блуждающие токи и ценообразование от них в металлических трубопроводах или других сооружениях, проложенных в земле.
Возвращающийся от локомотива на подстанцию ток вследствие относительно большого сопротивления рельсов и плохой их изоляции от земли течет в значительной части по земле. Если в земле лежат металлические предметы, он течет по ним, и в местах плохих контактов происходит искрение, что может вызвать аварию (например, на нефтепроводах или газопроводах). Отсасывающие трансформаторы должны создать такую разность потенциалов между рельсами и землей, которая существенно (на практике на 85—90%) уменьшила бы токи, протекающие в земле. Для увеличения проводимости рельсовой цепи при отсасывающих трансформаторах часто применяют обратный провод, который подвешивают на опорах контактной сети.
Так как отсасывающие трансформаторы сильно уменьшают разницу между током в контактной сети и обратным током (в рельсах или в рельсах и обратном проводе), то и индуктивное влияние такой системы проводников на линии связи и другие электрические коммуникации значительно меньше, чем при отсутствии таких трансформаторов.