В последней четверти XIX в. обозначились контуры новых направлений локомотивостроения - электровозо- и тепловозостроение.

На возможность применения электрической тяги на железных дорогах указывал еще в 1874 г. в заявке на привилегию русский специалист Ф. А. Пироцкий. В 1875-1876 гг. он проводил опыты на Сестрорецкой железной дороге по передаче электроэнергии по изолированным от земли рельсам. Передача осуществлялась на расстояние около 1 км. В качестве обратного провода был использован второй рельс. Элоктроэнергия передавалась маленькому двигателю. В августе 1876 г. Ф. А. Пироцкий поместил в «Инженерном журнале» статью с результатами своих работ. Эти опыты навели его на мысль использовать электроэнергию для вагонеток, движущихся по металлическим рельсам.

Практическая реализация идеи использования электрической энергии на транспорте принадлежит Вернеру Сименсу (Германия), построившему первую электрическую железную дорогу, экспонировавшуюся на Берлинской промышленной выставке в 1879 г.Она представляла маленькую узкоколейную дорогу, предназначавшуюся для прогулок посетителей выставки. Короткий поезд из открытых вагончиков приводился в движение электровозом с двумя моторами, которые получали постоянный ток напряжением 150 В от железной полосы, уложенной между рельсами. Обратным проводом служил один из ходовых рельсов.

В 1881 г. В. Сименс построил пробный участок электрической дороги в пригороде Берлина Лихтерфельде, впервые применив мотор-вагон. Ток напряжением 180 В подводился к одному из ходовых рельсов, а другой рельс служил обратным проводом.

Во избежание больших потерь электроэнергии, которые возникали из-за плохой изолирующей способности деревянных шпал, В. Сименс решил изменить электрическую схему питания электродвигателя. Для этого на электрической дороге, построенной в том же 1881 г. на Всемирной Парижской выставке, был применен подвесной рабочий провод. Он представлял железную трубку, подвешенную над рельсами. Нижняя часть трубки была снабжена продольным прорезом. Внутри трубки ходил челночок, соединенный через прорез с гибким проводом, который прикреплялся к крыше локомотива и передавал электрический ток электродвигателю. Такая же трубка, подвешенная рядом с первой, служила обратным проводом. Подобная система была применена на построенных в 1883- 1884 гг. пригородных трамваях Мёдлинг - Фордербрюль в Австрии и Франкфурт - Оффенбах в Германии, работавших при напряжении 350 В.

Примерно в это же время в Кинреше (Ирландия) на трамвайной линии была применена проводка тока по третьему рельсу, который устанавливали на изоляторах рядом с ходовыми рельсами. Однако эта система оказалась совершенно неприемлемой в условиях города, мешая движению экипажей и пешеходов.

Интересно отметить, что техническую обреченность такой системы подачи электрического тока мотору предвидел ранее Ф. А. Пироцкий, который писал в 1880 г. в газете «С.-Петербургские ведомости»: «Построенная мною электрическая железная дорога есть простейшая и дешевейшая. Она не требует затрат на среднюю рельсовую линию, напрасно увеличивающую стоимость дороги на 5% и прекращающую экипажное движение в городе. Она не требует затрат и на чугунные столбы, стоящие чрезмерно дорого».

Это письмо было опубликовано Пироцким в связи с появившимися в печати сообщениями о результатах проведенных им 3 сентября 1880 г. в Петербурге испытаний электрического трамвая. В это время Ф. А. Пироцкий усиленно занимался реализацией своих проектов, связанных с созданием надежного городского электрического транспорта. Он понимал, что развитие магистрального железнодорожного электрического транспорта невозможно без решения коренной проблемы электротехники - осуществления передачи электроэнергии на дальние расстояния. Учитывая это, Ф. А. Пироцкий сконцентрировал свое внимание на опытах электродвижения вагона, принятого на городских конно-железных дорогах. В результате ему удалось в 1880 г. впервые осуществить движение по рельсам настоящего двухъярусного моторного вагона. Результаты своей работы Ф. А. Пироцкий представил в 1881 г. на Международную электрическую выставку в Париже, где экспонировал свою схему электрической железной дороги.

В 1884 г. в Брайтоне (Англия) была построена по схеме Пироцкого электрическая железная дорога с питанием от одного из рельсов протяженностью 7 верст. Эксплуатация только одного вагона дала чистой прибыли, по сравнению с конной тягой 420 франков в день.

С середины 80-х годов XIX в. развитием электрической тяги на железных дорогах начинают усиленно заниматься американские инженеры и предприниматели, которые энергично принялись за усовершенствование электрических локомобилей, а также способов подводки тока.

Над проблемой электрического железнодорожного транспорта работал в США Т. А. Эдисон, построивший за период с 1880 по 1884 г. три небольшие опытные линии. В 1880 г. он создает электровоз, который по своему внешнему виду напоминал паровоз. Электровоз питался электрическим током от путевых рельсов, один из которых был подключен к положительному, а другой к отрицательному полюсу генератора. В 1883 г. Т. А. Эдисон совместно с С. Д. Филдом построил более совершенный электровоз («The Judge»), экспонировавшийся на выставке в Чикаго и позже в Луизвилле.

К 1883 г. относятся работы американского инженера Л. Дафта, создавшего первый магистральный электровоз («Атрёг») для стандартной колеи, предназначенный для железной дороги Саратога-Мак-Грегор. В 1885 г. Дафт построил улучшенную модель электровоза для Нью-Йоркской эстакадной железной дороги. Локомотив, названный «Benjamin Franklin», весил 10 т, имел длину более 4 м и был снабжен четырьмя ведущими колесами. Электрический ток напряжением 250 В подавался по третьему рельсу к мотору мощностью 125 л. с, который мог тянуть состав из восьми вагонов со скоростью 10 миль в час (16 км/ч).

В 1884 г. швейцарский инженер Р. Тори построил экспериментальную железную дорогу с зубчатым зацеплением, соединив с ее помощью находящуюся на горном склоне гостиницу с местечком Терри (недалеко от Монтре на Женевском озере). Локомотив имел четыре ведущих колеса и перемещался по весьма крутому наклону (1: 33). Его мощность была небольшой и позволяла перевозить одновременно четырех пассажиров. На спуске в процессе торможения мотор работал как генератор, возвращая электрическую энергию в сеть.

В течение ряда лет инженерная мысль неустанно работала над совершенствованием техники подачи тока к электровозу.

В 1884 г. в Кливленде Бентли и Найт построили трамвай с подземным проводом. Аналогичная система была введена в 1889 г. в Будапеште. Этот способ электропитания оказался неудобным в эксплуатации, так как желоб быстро загрязнялся.

В конце 1884 г. в Канзас-Сити (США) Генри испытал систему с медными воздушными проводами, из которых один был прямой, другой - обратный.

К 1885 г. относится постройка бельгийским специалистом Ван-Депулем в Торонто (Канада) первого трамвая с одним воздушным рабочим проводом. В его схеме обратным проводом служили ходовые рельсы. Вдоль линии сооружали столбы с консолями, к которым прикрепляли изоляторы с рабочим проводом. Контакт с рабочим проводом осуществлялся с помощью металлического ролика, насаженного на штангу трамвая, который во время движения «катился» по проводу.

Эта система подвески оказалась очень рациональной, после дальнейшего совершенствования была принята во многих других странах и вскоре получила всеобщее распространение. К 1890 г. в США находилось в эксплуатации около 2500 км электрических дорог трамвайного типа, а к 1897 г. 25 тыс. км. Электрический трамвай стал вытеснять старые виды городского транспорта.

В 1890 г. воздушный провод появился впервые в Европе на трамвайной линии в Галле (Пруссия). С 1893 г. электрические железные дороги в в Европе развиваются ускоренными темпами, в результате чего уже к 1900 г. их протяженность достигла 10 тыс. км.

В 1890 г. электрическая тяга была применена на выстроенной подземной лондонской дороге. Электрический ток напряжением 500 В подавался на электродвигатель с помощью третьего рельса. Эта система оказалась очень удачной для дорог с самостоятельным полотном и начала быстро распространяться в других странах. Одно из ее достоинств - возможность электрификации дорог с очень большим расходом электроэнергии, к которым относились метрополитены и магистральные железные дороги.

В 1896 г. электрическая тяга с использованием токоведущего третьего рельса была впервые введена на участке железнодорожной магистрали Балтимор-Охай. Электрификация коснулась отрезка дороги на подходе к Балтимору длиной 7 км. На этом участке пути был проложен 2,5-километровый тоннель, побудивший строителей электрифицировать его. Электровозы, работавшие на этом участке, получали электрическую энергию от третьего рельса при напряжении 600 В.

Первые электрифицированные железные дороги по своей протяженности были небольшими. Строительство железных дорог большой протяженности наталкивалось на трудности, связанные с большими потерями энергии, которые вызывает передача постоянного тока на длительные расстояния. С появлением в 80-х годах трансформаторов переменного тока, дающих возможность передавать ток на большие расстояния, они были введены в схемы питания электроэнергией железнодорожных магистралей.

С введением трансформаторов в системе энергоснабжения образовалась так называемая «система трехфазно-постоянного тока», или, иначе, «система постоянного тока с трехфазной передачей силы». Центральная электрическая станция вырабатывала трехфазный ток. Он трансформировался на высокое напряжение (от 5 до 15 тыс. В, а в 20-х годах - до 120 тыс. В), которое подавалось к соответствующим участкам линии. На каждом из них имелась своя понижающая подстанция, от которой переменный ток направлялся к электромотору переменного тока, насаженному на один вал с генератором постоянного тока. От него питался электроэнергией рабочий провод. В 1898 г. значительная по протяженности железная дорога с самостоятельным полотном и с трехфазной системой тока была сооружена в Швейцарии и соединяла Фрейбург-Муртен-Инс. Вслед за ней последовала электрификация и ряда других участков железнодорожных магистралей и метрополитенов.

К 1905 г. электрическая тяга полностью вытеснила паровую на подземных дорогах.

Шухардин С. "Техника в её историческом развитии"

О первых возможностях оснащения железной дороги электротягой заговорили в 1874 году. Русским специалистом Ф.А. Пироцким в означенный период времени проводились первые практические опыты на железнодорожных путях под Сестрорецком по возможности передачи электрической энергии посредством использования изолированных от земли рельсов.

Первые попытки оснащения электрической тягой

Работы проводились на дистанции одного километра. Второй рельс послужил обратным проводом. Полученная электрическая энергия поступала на небольшой двигатель. Спустя два года, после начала проводимых работ, специалистом Ф.А. Пироцким осуществляется публикация статьи о полученных результатах в одном из технических инженерных журналов. Конечным результатом стало то, что им был опробован пуск вагонеток, двигающихся с помощью полученной электроэнергии по железным путям.

Первое практическое применение

Вернер Сименс, живущий в Германии, осуществил практическое применение электроэнергии на железной дороге. Берлинская промышленная выставка 1879 года экспонировала на своих площадях данное достижение, в виде узкоколейной дороги, на которой имели честь проехать гости выставки. Поездной состав состоял из нескольких вагонов открытого типа, которые тащил электровоз. Движение ему обеспечивали два мотора, запитанных от постоянного тока, величину напряжения в сто пятьдесят вольт давала железная полоса, расположенная в междурельсовом пространстве. Один из ходовых рельсов служил в качестве обратного провода.

Пробный участок

Через два года, в берлинской пригородной части Лихтерфельда было завершено изобретателем В. Сименсом строительство пробных железных путей, обеспеченных электрическим питанием, по ним и осуществлял движение вагон, оснащённый мотором. Напряжение тока составляло сто восемьдесят вольт и подавалось к одному ходовому рельсу – это и был, как бы, обратный провод.

Для исключения возможной большой потери электрической энергии при плохой изоляции из-за применения в этом качестве древесных шпал, инженеру Вернеру Сименсу пришлось изменить принципиальную схему подачи питания для электрического двигателя.

Первый опыт подвесной система электрификации

Всемирная парижская выставка стала той площадкой, где люди увидели электрическую дорогу с применением подвесного рабочего привода. Такое электроснабжение представляло собой в виде железной трубки, подвешенной над рельсовыми путями. В нижней части трубочки был сделан продольный прорез. Во внутренней части трубы двигался челнок, который соединялся посредством гибкого провода через имеющуюся прорезь и крепился непосредственно к локомотивной поверхности крыши, таким образом, осуществляя передачу тока электрическому двигателю.

Аналогичная трубочка подвешивалась рядом, параллельно первой трубке и выполняла функции обратного привода. Подобную систему применили на созданных в 1884 году трамвайчиках, появившихся на германской и австрийской территориях в городах Оффенбаха, Франкфурта, Фордербрюля и Мёдлинга. Для обеспечения трамвайного движения осуществлялась подача напряжения в триста пятьдесят вольт.

Ирландский город Кинреш в те же годы стал своего рода, площадкой для новаторов, применивших третий рельс в качестве токового проводника на трамвайных линиях. Он устанавливался с применением изоляторов, стоявших параллельно ходовым рельсам. К сожалению, эта новая схема не имела длительного практического применения, поскольку в городских условиях, она являлась явной помехой для пешеходов и конных упряжек.

Работа русского инженера

Самое интересное, что обо всех этих обстоятельствах технической обречённости по подаче питания для электрического мотора, предупреждал в одной из своих работ Фёдор Аполлонович Пироцкий, напечатанной в газетном издании «Санкт-Петербургских ведомостей». В них прямым текстом говорилось, что его детище в виде электрической железной дороги является простейшим и дешёвым сооружением. Нет необходимости производить дополнительные затраты на укладку средней рельсовой линии, что удорожает проект сразу на пять процентов и препятствует экипажному движению на городских улицах. Для осуществления его проекта не потребуется закупка чугунных столбов, стоящих немалых денежных средств. В последующем, иностранные изобретатели вняли столь разумному предупреждению русского инженера и всё осуществили на практике.

Изобретатель Ф.А. Пироцкий активно занимался реализаций своего проекта, понимая, что у городского и железнодорожного транспорта нет будущего без электричества. По итогам его новых исследований и испытаний станет появившийся на улицах Санкт-Петербурга двуярусный моторный вагон, двигающийся по рельсовым путям. В 1881 году данный вагон экспонировался на парижской выставке.

Английский город Брайтон стал первопроходцем в практической реализации проекта русского инженера в 1884 году. Длина электрической железной дороги, где был запитан только один рельс, составляла семь вёрст. В итоге, чистая прибыль одного электрического вагона в сравнении с экипажем, работающим на конной тяге, в течение рабочего дня составила четыреста двадцать франков.

Разработки американских инженеров

На американском континенте тоже не сидели сложа руки, а активно занимались усовершенствованием способа токовой подводки на уже созданном электрическом локомобиле.

Американским исследователем Т.А. Эдисоном проводились поисковые работы над усовершенствованием железнодорожного локомотива, потребляющим в качестве топлива электроэнергию. За четырёхлетний период времени, до 1884 года Т.А. Эдисону удалось создать три путевые линии небольшой протяжённости. Версия созданного локомотива, работающего на электрическом токе, больше напоминала паровозную модель локомотива. Питание вырабатывали генераторы. Один из путевых рельсов был запитан от отрицательного, другой рельс подключался к положительному генераторному полюсу. Уже в 1883 году на чикагской выставке появляется на одной из площадок современный для того времени локомотив, потребляющий электроток, названный, как «The Judge». Создание этой электровозной версии проводилось в тесном содружестве с другим изобретателем С.Д. Филдом.

Американскому инженеру Л. Дафту в это же время удаётся построить первую модель магистрального электровоза, названным, как «Атрёг». Локомотив использовал стандартную колею на железнодорожных путях по маршруту от Мак-Грегора до Саратоги. В последующем времени Л. Дафту удаётся улучшить технические качества своей же локомотивной версии, но теперь она называется, как «Benjamin Franklin», его масса составляет десять тонн, длина четыре метра. Имелись ведущие колёса в количестве четырёх штук. Подача электрического тока, чьё напряжение составляло двести пятьдесят вольт осуществлялось посредством третьего рельса, что обеспечивало работу мотора, у которого мощность достигала уровня ста двадцати пяти лошадиных сил. Их хватало на то, чтобы в поездном составе было восемь вагонов, и они следовали, ведомые электровозом со скоростью, равной шестнадцати километрам в час.

Швейцарская дорога с зубчатым зацеплением

Швейцарским инженером господином Р. Торном, в том же 1884 году строится экспериментальная железная дорога, имеющая зубчатое зацепление. В итоге, селение Тори и горная гостиница получили транспортную артерию с крутым наклоном, по которой следовал небольшой электровоз с четырьмя ведущими колёсами. Параметры мощности были незначительные и позволяли осуществлять пассажирскую перевозку только четырёх человек. Спускаясь по склону, включался тормозной режим, и электрический двигатель становился генератором, отдавая в сеть выработанную электрическую энергию.

Электрификация в России

Проект

Конструкторы всех стран работали по совершенствованию уже имеющихся электровозных версий, а также над техникой подачи электричества к локомотиву.

Своим путём шла электрификация в Российской империи. Проект, как электрифицировать первую отечественную железную дорогу появился в самом конце девятнадцатого столетия, в 1898 году. Но приступить к строительству Ораниенбаумской электрической линии из Санкт-Петербурга в Красные Горки удалось только в 1913 году. Реализовать имеющиеся планы в полном объёме не удалось по причине, начавшейся Первой мировой войны. В итоге, ограниченные участки дороги стали городским трамвайным маршрутом. В Стрельне и сегодня следуют по путям трамвайчики.

В послереволюционное время молодое правительство РСФСР инициирует разработку известного плана «ГОЭЛРО» и в 1921 году его утверждает.Электрификация путей должна была осуществиться за десять – пятнадцать лет. Протяжённость новых путей по проекту составляла три тысячи пятьсот километров, охватывая только небольшую часть важнейших направлений.

Начало работы

Первые железные дороги с электрической тягой появились в 1926 году на маршруте, при следовании: из Сурахан до Сабунчи и далее в столицу Азербайджана – Баку. Через три года электрички осваивают пригородный маршрут из Москвы-Пассажирской до Мытищ по Северной железной дороге.

Прошло ещё немного времени, и в 1932 году и Сурамский перевальный участок получил электроснабжение. Теперь на этой дороге магистральное движение обеспечивали электровозы. Система электротяги использовала постоянный ток, напряжение которого достигало значения в три тысячи вольт. В последующие годы широко применялось на железнодорожных путях Советского Союза. Первые дни электровозной эксплуатации наглядно показали их преимущество в сравнении с паровозной тягой. Такими показателями являлись производительность и энергетическая эффективность.

К 1941 году длина всех путей, обеспеченных электрической энергией, равнялась одной тысяче восьмистам шестидесяти пяти километрам.

Послевоенный период

В первый послевоенный год электрифицированные линии достигли значения своей общей протяжённости, равной двум тысячам двадцати девяти километрам. Необходимо отметить, что шестьсот шестьдесят три километра дороги были восстановлены, а по сути дела, практически, отстроено.

Шло активное восстановление производственных мощностей разрушенных заводов во время войны. В городе Новочеркасске появляется новое предприятие, которое специализируется на выпуске электровозных локомотивов. Через два года после войны начинает работать рижское предприятие по выпуску электрических составов.

Нельзя забывать, что в то тяжёлое послевоенное время электрификация железнодорожных путей требовала значительных вливаний денежных ассигнований. Поэтому объёмы роста путей с электричеством значительно отставали от намеченных планов и составляли всего тринадцать процентов. Причин тому было много, начиная с дефицитного финансирования работ, и заканчивая дороговизной материалов, необходимых для ведения подобного строительства.

50-е годы

В пятидесятые годы, двадцатого столетия, уровень освоенных объёмов по отношению к плановым нагрузкам составлял семьдесят процентов.

На двадцатом съезде партии Первым секретарём ЦК КПСС Н.С. Хрущёвым всё руководство МПС подвергается жёсткой критике. Часть чиновников была отстранена от занимаемых должностей.

Одной из задач пятой пятилетки являлось возведение новых сооружений электростанций, которые смогут обеспечить потребности электрифицированной железной дороги.

Последующие создаваемые генеральные планы требовали электрифицировать к 1970 году сорок тысяч километров железнодорожных путей сообщения.

Наращивание темпов

И вновь индустриализация помогает достигнуть годового освоения по строительству железных путей, оснащённых электричеством в объёме двух тысяч километров.

К марту 1962 года появляются победные реляции о выполнении плановых нагрузок на сто пять процентов, что в натуральном выражении составляло восемь тысяч четыреста семьдесят три километра. Всё это наглядно свидетельствовало о прежнем отставании от уровня желаемых результатов.

В семидесятые годы, двадцатого века, начинают массовую замену на полупроводниковые выпрямители взамен стоящих на подстанциях ртутных выпрямителей. Каждая новая возводимая подстанция оснащалась только полупроводниковым оборудованием. Всё это означало, что в Советском Союзе появились наиболее мощные и надёжные агрегаты инверторы. Они позволяли возвращать избыточную энергию, которая вырабатывалась с помощью подвижных составов в период электрического торможения в первичную внешнюю сеть.

Безопасное и быстрое отключение тока в контактной проводной сети всегда осуществлялось трудно и болезненно, особенно в период короткого замыкания.

Наконец-то на подстанциях железной дороги появились и мощные выключатели.

Их устанавливали парами по последовательной схеме.

Российский период

С наступлением двадцать первого века ощущается заметное снижение темпов строительства в РЖД электрифицированных путей сообщения, в год – это четыреста пятьдесят километров. Порой данное значение опускалось до ста пятидесяти километров, а иногда поднималось до семисот километров. Значительная часть электрифицированных путей переведена на использование переменного тока. Подобная модернизация проводилась на Кавказкой, Октябрьской дорогах и на Сибирских направлениях.

Сочи - 2014

В канун зимней олимпиады 2014 года была построена сразу новая электрифицированная железная дорога по маршруту из Адлера до Красной Поляны. Сегодня Республика Беларусь продолжает работы по электрификации железнодорожных путей сообщения на своей территории.

Электрификация железных дорог

Во всем мире сегодня более 100 тыс. км электрифицированных железных дорог. Наиболее быстрыми темпами электрификация осуществлялась в нашей стране до 1990 г.

Днем рождения электрической тяги принято считать 31 мая 1879 г., когда на промышленной выставке в Берлине демонстрировалась первая электрическая железная дорога длиной 300 м, построенная Вернером Сименсом (рис. 20). Электровоз, напоминавший современный электрокар,

Рис. 20. Первая электрическая железная дорога

приводился в движение электродвигателем мощностью 9,6 кВт (13 л.с.). Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по отдельному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд – три миниатюрных вагончика со скоростью 7 км/ч.

В том же 1879 г. была пущена внутризаводская линия электрической железной дороги протяженностью примерно 2 км на текстильной фабрике Дюшен-Фурье в г. Брейль во Франции. В 1880 г. в России Ф.А. Пироцкому удалось электрическим током привести в движение большой тяжелый вагон, вмещавший 40 пассажиров. 16 мая 1881 г. было открыто пассажирское движение на первой городской электрической железной дороге Берлин - Лихтерфельд. Рельсы этой дороги были уложены на эстакаде. Несколько позже электрическая железная дорога Эльберфельд – Бремен соединила ряд промышленных пунктов Германии.

Как видно, первоначально электрическая тяга применялась на городских трамвайных линиях и промышленных предприятиях, особенно на рудниках и в угольных копях. Но очень скоро оказалось, что она выгодна на перевальных и тоннельных участках железных дорог, а также в пригородном движении. В 1895 г. в США были электрифицированы тоннель в Балтиморе и тоннельные подходы к Нью-Йорку. Для этих линий построены электровозы мощностью 185 кВт (50 км/ч).

После первой мировой войны на путь электрификации железных дорог вступают многие страны. Электрическая тяга начинает вводиться на магистральных линиях с большой плотностью движения. В Германии электрифицируют линии Гамбург – Альтон, Лейпциг – Галле – Магдебург, горную дорогу в Силезии, альпийские дороги в Австрии. Электрифицирует северные дороги Италия. Приступают к электрификации Франция, Швейцария. В Африке появляется электрифицированная железная дорога в Конго.

В России проекты электрификации железных дорог имелись еще до первой мировой войны. Уже начали электрификацию линии Санкт-Петербург – Ораниенбаум, но война помешала ее завершить. И только в 1926 г. было открыто движение электропоездов между Баку и нефтепромыслом Сабунчи. С 1 октября 1929 г. началось регулярное движение электропоездов на участке Москва – Мытищи.

16 августа 1932 г. вступил в строй первый в СССР магистральный электрифицированный участок Хашури – Зестафони, проходящий через Сурамский перевал на Кавказе. В этом же году был построен первый отечественный электровоз серии С с (рис. 21). В 30-е годы были электрифицированы отдельные участки с большим грузопотоком и тяжелым профилем пути, такие, как Кизел - Чусовская, Гороблагодатская – Свердловск, Кандалакша – Мурманск и ряд других. К началу 1941 г. общая длина электрифицированных линий превысила 1800 км. Электрификация не прекращалась даже в годы Великой Отечественной войны.

Рис. 21. Первый советский электровоз серии С с

Техника электрических железных дорог за время их существования изменилась коренным образом, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, которые используют энергию электростанций. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу – по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля.

Применяются три различные системы электрической тяги - постоянного тока, переменного тока пониженного тока пониженной частоты и переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц. В первой половине текущего столетия до второй мировой войны применялись две первые системы, третья получила признание в 50-60-х годах, когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами. В системе постоянного тока к токоприемникам электроподвижного состава подводится ток напряжением 3000 В (в некоторых странах 1500 В и ниже). Такой ток обеспечивают тяговые подстанции, на которых переменный ток высокого напряжения общепромышленных энергосистем понижается до нужного значения и выпрямляется мощными полупроводниковыми выпрямителями.

Достоинством системы постоянного тока в то время была возможность применения коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами. А к числу ее недостатков относится сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, ограниченное допустимым значением напряжения двигателей. По этой причине по контактным проводам передаются значительные токи, вызывая потери энергии и затрудняя процесс токосъема в контакте между проводом и токоприемником. Интенсификация железнодорожных перевозок, увеличение веса поездов привели на некоторых участках постоянного тока к трудностям питания электровозов из-за необходимости увеличения площади поперечного сечения проводов контактной сети (подвешивание второго усиливающего контактного провода) и обеспечения эффективности токосъема.

Все система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах, более половины всех электрических линий работают по такой системе.

Задача системы тягового электроснабжения – обеспечить эффективную работу электроподвижного состава с минимальными потерями энергии и при возможно меньших затратах на сооружение и обслуживание тяговых подстанций, контактной сети, линий электропередачи и т.д.

Стремление поднять напряжение в контактной сети и исключить из системы электрического питания процесс выпрямления тока объясняется применение и развитие в ряде стран Европы (Германия, Швейцария, Норвегия, Швеция, Австрия) системы переменного тока напряжением 15 000 В, имеющую пониженную частоту 16 2 / 3 Гц. В этой системе на электровозах используют однофазные коллекторные двигатели, имеющие худшие показатели, чем двигатели постоянного тока. Эти двигатели не могут работать на общепромышленной частоте 50 Гц, поэтому приходится применять пониженную частоту. Для выработки электрического тока такой частоты потребовалось построить специальные «железнодорожные» электростанции, не связанные с общепромышленными энергосистемами. Линии электропередачи в этой системе однофазные, на подстанциях осуществляется только понижение напряжения трансформаторами. В отличие от подстанций постоянного тока в этом случае не нужны преобразователи переменного тока в постоянный, в качестве которых применялись ненадежные в эксплуатации, громоздкие и неэкономичные ртутные выпрямители. Но простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение, что определило ее более широкое использование. Это и обусловило распространение системы постоянного тока на железных дорогах СССР в первые годы электрификации.

В послевоенный период были восстановлены демонтированные в военные годы устройства электроснабжения, продолжена электрификация линий с высокой грузонапряженностью.

Темпы электрификации резко возросли после принятия правительством в 1956 г. постановления «О генеральном плане электрификации железных дорог». К 1980 г. протяженность участков, работающих на электрической тяге, составила 32,8 % общей протяженности, а выполняемый ими объем перевозок был равен 54,8 %.

В первые десятилетия железные дороги электрифицировали на постоянном токе напряжением 1500 В (пригородные участки) и 3000 В (магистральные). Для стыкования участков с различным напряжением в контактной сети были построены специальные электровозы (ВЛ19) и моторвагонные электросекции (СР), созданы трансформаторы для ртутных выпрямителей, способные работать на двух напряжениях: 1650 и 3300 В. Впоследствии все участки с напряжением в контактной сети 1500 В переведены на 3000 В. В 50-е годы был создан более мощный восьмиосный электровоз постоянного тока ВЛ8, а затем – ВЛ10 и ВЛ11.

Начиная с 30-х годов, изучались возможности применения однофазного переменного тока промышленной частоты для целей тяги. Проводимые исследования были возобновлены в 1951 г. В качестве опытного в 1955 - 1956 гг. на переменном токе напряжением 22 кВ электрифицировали участок Ожерелье - Павелец длиной 137 км. На нем прошли испытания электроподвижной состав и система тягового электроснабжения переменного тока, создана первая станция стыкования контактной сети двух родов тока.

В этой системе тяговые подстанции, как и в системе постоянного тока, питаются от общепромышленных высоковольтных трехфазных сетей. Но на них нет выпрямителей. Трехфазное напряжение переменного тока линий электропередачи преобразуется трансформаторами в однофазное напряжение контактной сети 25 000 В, а ток выпрямляется непосредственно на электроподвижном составе. Легкие, компактные и безопасные для персонала полупроводниковые выпрямители, которые пришли на смену ртутным, обеспечили приоритет этой системы. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.

Первым на переменном токе с напряжением в контактной сети 25 кВ электрифицирован в 1960 г. один из наиболее грузонапряженных участков Восточно-Сибирской железной дороги Мариинск - Зима с тяжелым профилем пути, расположенный в районе с суровыми климатическими условиями.

Помимо традиционной системы переменного тока напряжением 25 кВ применялись и применяются ее разновидности: с отсасывающими трансформаторами (для снижения затрат на защиту линий связи от электромагнитного влияния контактной сети), с продольным проводом напряжением 50 кВ и автотрансформаторами (так называемая система 2х25 кВ), с экранирующим усиливающим проводом (для снижения сопротивления тяговой сети).

С 1956 г. электрическая тяга вводилась в действие главным образом на основных грузонапряженных направлениях большой протяженности, связывающих европейскую часть страны с Уралом и Сибирью, в том числе с восточной ее частью, а также с югом страны. В 1961 г. завершена электрификация крупнейшей в мире магистрали Москва - Байкал протяженностью 5647 км, в 1962 г. - магистрали Ленинград - Ленинакан протяженностью 3500 км. Электрификация целых направлений позволила существенно улучшить использование электровозов.

Для новых линий, электрифицированных на переменном токе частотой 50 Гц, напряжением 25 кВ, были созданы шестиосные электровозы ВЛ60 с ртутными выпрямителями и коллекторными двигателями, а затем восьмиосные с полупроводниковыми выпрямителями ВЛ80 и ВЛ80 с. Электровозы ВЛ60 также были переоборудованы на полупроводниковые преобразователи и получили обозначение серии ВЛ60 к.

Новый электроподвижной состав по сравнению с тем, который выпускали еще 20-30 лет назад, сильно изменился конструктивно и внешне. Созданы восьмиосные ВЛ80 р и 12-осные ВЛ85 (рис. 22) электровозы переменного тока, отличающиеся высокими тяговыми и тормозными характеристиками благодаря плавному регулированию силы тяги и скорости, автоматическому управлению и высоким энергетическим характеристикам. Начат выпуск 12-осных электровозов постоянного тока.

Рис. 22. Электровоз переменного тока ВЛ85

Тиристорные, или так называемые импульсные, регуляторы успешно заменили устаревшую систему ступенчатого реостатного регулирования. Во многих странах полностью перешли на выпуск электроподвижного состава постоянного тока с тиристорными преобразователями.

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники коллекторные двигатели все чаще заменяют двигателями переменного тока, асинхронными и синхронными.

На современных электровозах широко применяют автоматизацию управления и оптимизацию режимов с помощью микропроцессорной техники. Внедряется бортовое и стационарное диагностирование оборудования. Совершенствуется аппаратура защиты от токов короткого замыкания и перенапряжений.

Электрическая тяга является самым экономичным по расходу топлива способом транспортировки грузов. На перемещение 1 т груза на 100 км расходуется 1 кВт·ч электроэнергии. В 1998 г. доля электроэнергии, потребляемой железнодорожным транспортом, в структуре электропотребления по Минтопэнерго РФ составила всего 4,7 %. Электрические локомотивы обладают неоспоримым преимуществом - они способны при рекуперативном торможении вырабатывать и возвращать в тяговую сеть электрическую энергию. В 1998 г. за счет рекуперативного торможения годовая экономия электроэнергии составила примерно 0,7 млрд. кВт·ч, т. е. 3,2 % ее расхода на тягу поездов. Электрическая тяга - самый экологически чистый вид транспорта.

По мере развития техники совершенствовались устройства контактной сети и тяговые подстанции. Широкое распространение получили железобетонные опоры на блочных фундаментах, жесткие поперечины, компенсированные подвески, допускающие скорость движения 200 - 250 км/ч. Для контактной сети переменного тока используются железобетонные нераздельные опоры типа СС, а при необходимости - раздельные с фундаментами повышенной надежности.

На тяговых подстанциях вместо ртутных выпрямителей, заменивших мотор-генераторы, работают мощные силовые полупроводниковые преобразователи. Почти все электрифицированные линии телемеханизированы. Первые системы телеуправления были релейно-контактными, затем их сменили электронные устройства и, наконец, системы, выполненные на интегральных микросхемах и микропроцессорах.

На линии Санкт-Петербург - Москва смонтирована контактная подвеска типа КС-200, обеспечивающая надежный токосъем при скорости движения поездов до 200 км/ч.

В последние годы полигон электрификации со сроком службы 40 и более лет неуклонно увеличивается. Его протяженность в 2000 г. составляла 8900 км, или 22 %. В 2005 г. она превысила 15 тыс. км. Удельная повреждаемость контактной сети, прослужившей 40 лет и более, в 2,7 раза выше, чем на вновь вводимых участках. Поддержание технических средств в работоспособном состоянии только путем капитального ремонта их отдельных элементов не только не улучшает показателей всей системы, но и ограничивает возможности увеличения провозной способности участков. Необходимы новые технические решения и обновление технических средств электроснабжения.

В условиях роста протяженности электрифицированных линий, срок службы которых достиг предельного, необходимо обеспечить усиление материально-технической базы хозяйства электрификации и электроснабжения с целью стабилизации технического состояния, а основных магистральных направлениях сети – улучшения основных технических и эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения: контактной сети, тяговых подстанций, сетей нетягового электроснабжения (0,4-10 кВ).

Совершенствование технических средств должно быть направлено на создание интеллектуальных авторегулируемых систем, обеспечивающих оптимальные режимы работы устройств электроснабжения.

Применительно к контактной сети необходимо:

Оснастить вагоны-лаборатории для испытания контактной сети диагностическими комплексами на основе компьютеров, позволяющих осуществлять проверку узлов и элементов контактной подвески на нагрев, контроль исправности изоляторов, оценку износа контактного провода с анализом его состояния, а также качества токосъема и т.д.;

Разработать технические решения, направленные на снижение повреждений опор контактной сети, поддерживающих устройств, арматуры, изоляторов;

Создать саморегулируемую контактную подвеску для участков скоростного движения.

Для повышения надежности тяговых подстанций требуется разработать и внедрить следующие устройства:

Понизительные и тяговые трансформаторы новых типов;

Выключатели с новыми электроизоляционными экологически чистыми наполнителями (элегаз, мидель); вакуумные выключатели;

Выпрямительные и выпрямительно-инверторные преобразователи на силовых электронных приборах нового поколения;

Мощные накопители энергии.

При сооружении устройств электроснабжения необходимо применять комплектные быстровозводимые устройства, модули и блоки высокой заводской готовности .

В последние годы в мире выполнено много исследований всех «за» и «против» электрификации. Все исследователи признают, что электрификация экономически выгодна. Выводы этих работ расходятся только относительно величины прибыли на вложенный капитал. По разным оценкам величина прибыли превышает 14 %.

Система электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги состоит из внешней части системы электроснабжения, включающей в себя устройства выработки, распределения и передачи электрической энергии до тяговых подстанций (исключительно);

Тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций линейных устройств и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии и контактной подвески непосредственно или через специальные автотрансформаторы .

Основным потребителем электрической энергии в тяговой сети является локомотив. Вследствие случайного расположения поездов неизбежны случайные сочетания нагрузок (например, пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом), которые могут существенным образом повлиять на режимы работы системы тягового электроснабжения.

Наряду с этим поезда, удаляющиеся от тяговой подстанции, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что влияет на скорость движения поезда и, как следствие, на пропускную способность участка.

Кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезд, на локомотивах имеются вспомогательные машины, выполняющие различные функции. Производительность этих машин также связана с уровнем напряжения на их зажимах. Отсюда следует, что в системах тягового электроснабжения весьма важным является поддержание заданного уровня напряжения в любой точке тяговой сети.

Питание электрифицированного участка железной дороги осуществляется от энергосистемы конкретного региона. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.

Внешняя система электроснабжения (I) включает в себя электрическую станцию 1, трансформаторную подстанцию 2, линию электропередачи 3. Тяговая система электроснабжения (II) содержит тяговую подстанцию 4, питающие фидеры 5, отсасывающий фидер 6, контактную сеть 7 и тяговый рельс 9 (см. рис. 1.3), а также линейные устройства.

Электроснабжение железных дорог осуществляется по линиям 35, 110, 220 кВ, 50 Гц. Система тягового электроснабжения может быть как постоянного, так и переменного тока.

Рис. 1.3. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги: 1 - районная электрическая станция; 2 - повышающая трансформаторная подстанция; 3 - трехфазная линия электропередачи; 4 - тяговая подстанция; 5 - питающая линия (фидер); 6 - отсасывающая линия (фидер); 7 - контактная сеть; 8 - электрический локомотив; 9 - рельсы

На железных дорогах России распространение получили система электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ и система электроснабжения переменного тока с напряжением в контактной сети 25 кВ и 2 × 25 кВ, частотой 50 Гц.

Протяженность электрифицированных железных дорог России на 1 января 2005 г. составила 42,6 тыс. км.

Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ

Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.

Питание тяговой сети в большинстве случаев осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный трансформатор, который обеспечивает снижение напряжения до 10 кВ. К шинам 10 кВ подключен преобразователь, который состоит из тягового трансформатора и выпрямителя. Последний обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный напряжением на шинах 3,3 кВ. Контактная сеть подключается к «плюс шине», а рельсы - к «минус шине».

Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока - электрическая связь тягового двигателя с контактной сетью, т. е. имеется контактная система токосъема. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Достоинство системы постоянного тока определяются качеством сериесного двигателя постоянного тока, характеристика которого в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока можно назвать следующие:

Вследствие низкого напряжения в тяговой сети токовыми нагрузками и большими потерями электроэнергии (полный коэффициент полезного действия (КПД) системы электрической тяги постоянного тока оценивается равным 22 %);

При больших токовых нагрузках расстояние между тяговыми подстанциями равно 20 км и менее, что определяет высокую стоимость системы электроснабжения и большие эксплутационные расходы;

Большие токовые нагрузки определяют необходимость иметь контактную подвеску большего сечения, что вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов, а также возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети;

Система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов при разгоне (для пригородного движения они составляют примерно 12 % от общего расхода электрической энергии на тягу поездов);

При электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт- ной сети;

Применявшиеся до последнего времени на тяговых подстанциях шестипульсовые выпрямители имели низкий коэффициент мощности (0,88 ÷ 0,92) и вследствие несинусоидальности кривой потребляемого тока являлись причиной ухудшения показателей качества электрической энергии (особенно на шинах 10 кВ).

На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. В случае распределенного питания все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается.

Существует требование, чтобы в случаях выхода из работы одного агрегата обеспечивались нормальные размеры движения. В первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты, а во второй - сознательный отказ от резервирования оборудования подстанций по узлам и переход к резервированию подстанций целиком.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км.

Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц

На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, наибольшее распространение получила система электроснабжения напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц. Принципиальная схема питания электрифицированного участка показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги переменного тока напряжением в контактной сети 25 кВ, частотой 50 Гц

Питание тяговой сети осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный (тяговый) трансформатор.

Он имеет три обмотки:

I - обмотка высокого напряжения 110 (220) кВ;

II - обмотка низкого (среднего) напряжения 27,5 кВ для питания контактной сети;

III - обмотка среднего (низкого) напряжения 35, 10 кВ для питания нетяговых потребителей.

К шинам 27,5 кВ подключены фидеры контактной сети. При этом фазы А и В питают разные плечи тяговой подстанции. Для разделения фаз на контактной сети устраивается нейтральная вставка. Фаза С подключается к рельсам.

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения переменного тока - электромагнитная связь тягового двигателя с контактной сетью - обеспечивается посредством трансформатора электровоза.

Достоинства системы:

Установлены независимые режимы напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе при сохранении тягового двигателя постоянного тока;

Повышено напряжение в контактной сети до 25 кВ переменного тока. Вследствие этого уменьшается ток нагрузки при одинаковой передаваемой мощности; уменьшаются потери напряжения и мощности;

Увеличено расстояние между тяговыми подстанциями и уменьшено их число (в два - три раза);

Уменьшен срок строительства и повышены темпы электрификации;

Сокращен расход цветных металлов.

Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока:

Несимметричный режим работы трехфазных трансформаторов (на двухплечевую нагрузку) и, как следствие, ухудшение показателей качества электрической энергии и значительное снижение их располагаемой мощности. Заметим, что под располагаемой мощностью трансформатора, работающего в несимметричном режиме, понимается мощность, соответствующая току прямой последовательности при такой нагрузке, когда ток в одной из фаз трансформатора принимает значение номинального;

Несинусоидальность системы потребляемых токов и также ухудшение качества электрической энергии в питающей системе электроснабжения (в кривой потребляемого электровозами тока при установленной на них двухпульсовой выпрямительной установке содержатся негативные высшие гармоники 3, 5, 7 с большим численным значением);

Низкий коэффициент мощности электровозов переменного тока. Коэффициент полезного действия системы электрической тяги в целом оценивается равным 26 %;

Тяговая сеть переменного тока является источником электромагнитного влияния на смежные устройства, в том числе на линии связи, что определяет необходимость применения специальных мер, направленных на снижение электромагнитного влияния ;

Наличие при двухсторонней схеме питания тяговой сети переменного тока уравнительных токов, а следовательно, дополнительных больших потерь электрической энергии.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока с напряжением в тяговой сети 25 кВ, частотой 50 Гц, на 1 января 2005 г. составила 24,0 тыс. км.

Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока

Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы.

Рассмотрим принципиальные схемы питания при системах электрической тяги постоянного (рис. 1.6) и переменного (рис. 1.7) тока.

Обычно линия электропередачи частотой 50 Гц получает питание от энергосистемы и расположена вдоль железной дороги.

Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (ЭПС). Оно же является номинальным напряжением в контактной сети, напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10 % выше этого значения.

На рис. 1.6 и 1.7 обозначено: 1 - энергосистема; 2 - линия электропередачи; 3 - тяговые подстанции (с выпрямителями подстации постоянного тока и трансформаторные - переменного); 4 - контактная сеть; 5 - рельсы; 6 - электровоз.

Рис. 1.6. Принципиальная схема питания железной дороги постоянного тока

Рис. 1.7. Принципиальная схема питания железной дороги переменного тока

Электрифицированные железные дороги относятся к потребителям первой категории. Для таких потребителей предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции - районной или тяговой. Поэтому схема питания тяговых подстанций от энергосистемы должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы быть причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции. Достичь этого можно путем выбора рациональной схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы.

Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи

Схема питания тяговых подстанций от ЛЭП показана на рис. 1.8.

Рис 1.8. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от двухцепной линии электропередач

В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и др. Во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двухстороннего питания тяговых подстанций (см. рис. 1.8). На рис. 1.8. обозначено: 1 - опорная тяговая подстанция (не менее трех вводов высоковольтных линий). Оснащается комплексом высоковольтных коммутационных аппаратов и устройств автоматической защиты от повреждений; 2 - промежуточная отпаячная подстанция. Высоковольтные выключатели не устанавливаются, за счет чего удешевляется система электроснабжения; 3 - промежуточная транзитная подстанция, обеспечивается секционирование высоковольтных линий для ремонта или отключения при повреждениях.

Обеспечение надежности системы электроснабжения достигается: использованием двухцепной линии высокого напряжения, обеспечением двухстороннего питания каждой сети ЛЭП, секционированием ЛЭП на транзитных подстанциях, наличием быстродействующей автоматической защиты на опорных, транзитных тяговых и районных подстанциях.

Обеспечение экономичности системы электроснабжения достигается сокращением высоковольтной аппаратуры (выключателей) за счет промежуточных подстанций, не имеющих таких выключателей. При повреждениях на этих подстанциях быстродействующей защитой отключаются линии на опорных подстанциях, а в бестоковую паузу - на промежуточных. Неповрежденные подстанции включаются системой автоматического повторного включения.

При питании от одноцепной линии передачи присоединение подстанций на отпайках не допускается. Все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой подстанции промежуточные линии передачи секционируются выключателем.

Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока промышленной частоты

На дорогах однофазного переменного тока питание тяговой сети осуществляется от трехфазной линии передачи электрической энергии через трансформаторы, обмотки которых соединены в ту или иную схему.

На отечественных железных дорогах применяют в основном трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по схеме «звезда - звезда - треугольник», типа ТДТНГЭ (трехфазный, масляный, с принудительным охлаждением - дутьем, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, для электрической тяги) мощностью 20, 31,5 и 40,5 МВ?А. Первичное напряжение - 110 или 220 кВ, вторичное на тягу - 27,5 кВ, для районных потребителей - 38,5 и 11 кВ.

Для питания только тяговой нагрузки применяют трехфазные двухобмоточные трансформаторы типа ТДГ и ТДНГ со схемой соединения обмоток «звезда - треугольник » ( -11). Мощность указанных трансформаторов такая же, как и у трехобмоточных. Соединение тяговой обмотки «треугольником» позволяет получить более пологую внешнюю характеристику. Одну вершину «треугольника» присоединяют к рельсам, а две другие - к разным секциям контактной сети.

Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда - треугольник» показана на рис. 1.9.

При питании тяговой нагрузки от трех фаз секции тяговой сети слева и справа от подстанции должны питаться от разных фаз. Следовательно, они имеют напряжения, не совпадающие по фазе друг с другом.

Рис. 1.9. Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда - треугольник»

Токи в фазах можно получить непосредственно из уравнений Кирхгофа. Если в рассматриваемый момент времени слева от подстанции нагрузка л и справа п (см. рис. 1.9), то можно записать:

Ac = ba + л; (1.1)

Ba = cb + п; (1.2)

Cb = ac - л - п; (1.3)

Ac + ba + cb = 0. (1.4)

Из уравнения (1.4) следует:

Ba = - ac - cb . (1.5)

Выражение (1.5) подставим в уравнение (1.1):

Ac = - ac - cb + л. (1.6)

Подставив формулу (1.3) в выражение (1.6), получим:

Ac = - ac - ac + л + п + л;

3 ac = 2 л + п;

Ac = л + п. (1.7)

Подставив формулу (1.7) в выражение (1.3), получим:

Cb = л + п - л - п;

Cb = - л - п. (1.8)

Подставив формулу (1.8) в выражение (1.2) получим:

Cb = - л - п + п;

Ba = - л + п. (1.9)

Ток в фазах вторичного «треугольника» и соответственно в фазах первичной обмотки также можно найти, построив векторную диаграмму.

Для построения векторной диаграммы принимается, что токи фидерных зон л и п, под которыми подразумеваются суммарные токи фидеров, отходящие от подстанции соответственно влево и вправо, распределяются между вторичными обмотками трансформатора. Иными словами - нужно определить долю участия вторичной обмотки трансформатора в питании обеих фидерных зон.

При соединении обмоток трансформатора по схеме и отсутствии токов нулевой последовательности в замкнутом контуре «треугольника» каждую фазу можно рассматривать независимо от другой, т. е. как однофазный трансформатор. В этом случае распределение нагрузок на вторичной стороне между фазами определяется только соотношением значений сопротивления обмоток. Левая фидерная зона с током л питается от напряжения U ac . Это напряжение генерируется как в обмотках «ах», так и в обмотках «bу» и «cz». Сопротивление обмоток «ах» в два раза меньше сопротивления двух других обмоток, соединенных последовательно. Следовательно, ток л разделяется между этими генерирующими напряжение ac обмотками в соотношении 2:1. Аналогичным образом делится ток п.

Построим векторную диаграмму для определения токов фаз трехфазного трансформатора (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Векторная диаграмма для определения токов фаз трехфазного трансформатора

Изобразим на диаграмме векторы напряжений и токов I л, I п. Ток в обмотках «ах», исходя из изложенного, должен равняться сумме л и п. Отложив на векторе I л величину, равную его длины, на векторе I п его длины, найдем ac как сумму этих частей. Ток в фазе А «звезды» первичной обмотки (если принять коэффициент трансформации равным единице, а ток холостого хода равным нулю) будет равен току a .

Аналогично ток в обмотке «cz» складывается из п и - л. Сложив их, получим ток c . Соответственно c = C .

Нагрузка в обмотке «by» составляется из суммы - л и п. Сложив векторы, получим нагрузку третьей наименее нагруженной фазы b = В. Заметим, что наименее нагруженной фазой является та фаза «треугольника», которая непосредственно не соединена с рельсами.

На диаграмме рис. 1.10 показаны углы сдвига фаз А, В, С между током I А, I В, I С и напряжением U А, U В, U С. Заметим, что А > Л, а С < П, т. е. углы сдвига А и С для двух наиболее загруженных фаз оказываются разными (даже для Л = П). У «опережающей» (по ходу вращения векторов) С угол меньше, чем у «отстающей» фазы А. Это существенно влияет на потери напряжения в трансформаторе.

Для обеспечения равномерной загрузки фаз ЛЭП осуществляется их чередование при подключении к тяговым подстанциям.

Схемы подключения группы тяговых подстанций к линии электропередач

Требования к схеме подключения предъявляются следующие:

Обеспечение возможности параллельной работы на контактную сеть смежных тяговых подстанций;

Создание равномерной загрузки линии электропередачи.

Если питание ЛЭП одностороннее, то цикл из трех подстанций с разным чередованием фаз обеспечивает их равномерную нагрузку на участке между источником электрической энергии и первой подстанцией (рис.1.11). Генераторы электрической станции будут работать в нормальном режиме симметричной нагрузки. Потери мощности напряжения ЛЭП уменьшаются из-за уменьшения неравномерности нагрузки.

Рассмотрим схемы подключения тяговых подстанций к ЛЭП (см. рис. 1.11).

Подстанция № 1. В данном случае зажим трансформатора «А т » присоединяется к фазе А, а два других - «В т » и «С т » - к фазам В и С соответственно. При таком подключении подстанция обозначается I типа. Построим векторную диаграмму для этой подстанции (рис. 1.12).

Отстающая фаза ас > а. Следовательно, ток I ас сдвинут током I b соседнего плеча в сторону отставания. Потребление реактивной мощности увеличивается (по отстающей фазе), что приводит к уменьшению напряжения в ней.

Опережающая фаза cb < b . Следовательно, ток I a сдвигает вектор тока I cb в сторону опережения. Потребление реактивной мощности снижается, напряжение увеличивается.

Из сказанного следует, что из трех фаз менее нагружена одна - средняя - В.

Подстанция № 2. Зажим трансформатора «В т » будет присоединен не к одноименной фазе, а к фазе С, которая и будет фактической фазой. Все фидерные зоны получат питание от точек «а» и «b», но в выборе фазы для питания мы уже не свободны после того, как выбрали схему питания от первой тяговой подстанции.

Построим векторную диаграмму (рис. 1.13). У второй подстанции изменилась последовательность фаз. Если у первой подстанции она была АВС (подстанция I типа), то у второй стала АСВ (подстанция II типа). Теперь менее загруженной фазой будет фаза С.

Подстанция № 3. Питание третьей зоны от подстанции № 2 возможно только от точки «b» (см. рис. 1.11). От подстанции № 3 питание этой зоны также должно быть от точки «b». Следовательно, все нечетные зоны будут получать питание от точек «b» и все четные - от точек «а».

Построим векторную диаграмму (рис. 1.14). Напряжение между контактными проводами и рельсами будет положительным на четных участках, а на нечетных - отрицательным, т. е. либо совпадающим по фазе с напряжением одной из фаз ЛЭП, либо противоположным ему. Для подстанции № 3 менее загруженной фазой оказывается фаза А. Последовательность фаз будет САВ (подстанция III типа).

Рис. 1.12. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 1

Рис. 1.13. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 2

Рис. 1.14. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 3

Порядок чередования наименее загруженных фаз ЛЭП будет определяться количеством подстанций на участке и схемой питания тяговой сети.

При двухстороннем питании ЛЭП используются циклы, кратные трем (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Подключение к ЛЭП тяговых подстанций разных типов при двухстороннем питании

К сожалению, подключение группы тяговых подстанций к линии электропередачи с использованием чередования фаз не решает всей проблемы несимметрии тока и напряжения. Эти вопросы будут рассмотрены особо.

Трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока

Указанная система является разновидностью системы электроснабжения переменного тока промышленной частоты, поскольку локомотив в этом случае остается таким же. В качестве примера рассмотрим систему тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ частотой 50 Гц.

Схема питания электрифицированного участка железной дороги по системе тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ показана на рис. 1.16.

Рис.1.16. Схема питания электрифицированного участка железной дороги по системе тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ:

1 - понизительные трансформаторы подстанции №1 и 2 (однофазные) 220/25 кВ; 2 - линейные автотрансформаторы 50/25 кВ мощностью 16 мВ?А, устанавливаемые между подстанциями через 10 - 20 км; 3 - подключение рельсов в средней точке понизительного трансформатора и линейного автотрансформатора (ЛАТ); 4 - поток мощности при U = 50 кВ; 5 - при U = 25 кВ; 6 - электровоз

Расстояние между подстанциями составляет 60 - 80 км.

Достоинства системы можно назвать следующие:

За счет передачи мощности к ЛАТ при более высоком напряжении (50 кВ) в тяговой сети уменьшаются потери мощности и напряжения;

Экранирующее действие питающего провода 50 кВ позволяет снизить влияние контактной сети на смежные линии.

Названные преимущества рассматриваемой системы определяют ее применение на железных дорогах с большой грузонапряженностью и высокоско-ростным пассажирским движением.

К недостаткам системы можно отнести:

Удорожание электрификации за счет установленной мощности ЛАТ;

Усложнение обслуживания контактной сети;

Сложность регулирования напряжения.

Впервые трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока была применена в Японии в 1971 г. В странах содружества в 1979 г. был смонтирован первый участок Вязьма - Орша Белорусской железной дороги.

В настоящее время по этой системе электрифицировано более 2 тыс. км на Московской, Горьковской и бывшей Байкало-Амурской железных дорогах.

Более подробно предоставленная система электроснабжения рассмотрена в работах .

Схемы питания контактной сети

В зависимости от количества питающих путей схемы питания контактной сети могут быть одно- и многопутные. При этом возможно использование как одностороннего, так и двухстороннего питания.

На однопутных участках получили распространение схемы одностороннего раздельного, консольного и встречно-консольного питания. Используется также и двухстороннее питание.

На двухпутных участках - схемы раздельного, узлового, встречно-консольного, встречно-кольцевого и параллельного питания.

Выбор способа питания контактной сети связан с конкретными показателями ее работы - надежностью и экономичностью. Обеспечение надежности достигается секционированием контактной сети и автоматизацией сборки схем, экономичности - уменьшением потерь электрической энергии и равномерной нагрузкой контактной сети отдельных участков и путей.

Схемы питания контактной сети показаны на рис.1.17 и 1.18.

Однопутный участок (см. рис. 1.17). Контактная сеть делится на две секции (изолирующим сопряжением или нейтральной вставкой), и каждая секция питается от подстанции через свой питающий фидер. При повреждении какой-либо секции отключается только эта секция (рис. 1.17,а). При консольной схеме (рис. 1.17,б) участок питается от одной подстанции с одной стороны. При повреждении питание снимается со всего участка. При встречно-консольной схеме (рис. 1.17,в) участок питается от одной подстанции с одной стороны. На каждом участке - свой питающий фидер. В случае отключения одной из подстанций участок оказывается без питания.

Рис.1.17. Схемы питания контактной сети однопутного участка

Двухпутный участок (см. рис. 1.18). Раздельная схема питания (рис. 1.18,а) обеспечивает питание каждого пути независимо друг от друга. В связи с этим уменьшается общее сечение контактной подвески, что приводит к увеличению потерь электрической энергии. В то же время надежность данной схемы питания выше по сравнению с другими схемами. Узловая схема питания (рис. 1.18,б) выполняется с помощью постов секционирования. В этом случае потери электрической энергии уменьшаются за счет возможного увеличения сечения контактной подвески. При повреждении контактной сети исключается из работы не вся межподстанционная зона, а лишь поврежденный участок между подстанцией и постом секционирования.

Рис.1.18. Схемы питания контактной сети двухпутного участка

Консольная схема (рис.1.18,в) обеспечивает питание каждого пути отдельно от разных подстанций. Недостатки здесь те же, что и в аналогичной схеме однопутного участка. Встречно-консольная схема (рис.1.18,г) дает возможность разделить межподстанционную зону на участки, которые электрически между собой не связаны. Каждый путь питается своим фидером. При отключении фидера участок оказывается без напряжения. Увеличиваются потери электрической энергии.

Встречно-кольцевая схема (рис.1.18,д) позволяет питать участки по кольцу от двух подстанций, что снижает потери электрической энергии и повышает надежность. Параллельная схема (рис.1.18,е) питания получила наибольшее распространение. При такой схеме контактная сеть питается от двух подстанций с двух сторон. Поскольку контактная подвеска обоих путей электрически связана между собой, ее сечение увеличивается, что приводит к снижению потерь электрической энергии. Вместе с тем параллельная схема питания отличается высокой надежностью по сравнению с другими схемами.

На отечественных железных дорогах схема параллельного питания принята как основная.