6 Электроснабжение подвижного состава
Контактный электрический транспорт получает электрическую энергию от контактного провода, для этого создается специальная система тягового электроснабжения, включающая в себя тяговые сети, тяговые подстанции и системы их управления. Система электроснабжения электрического транспорта получает электроэнергию от энергетической системы. Энергетической системой называют совокупность электрических станций, подстанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью производства, передачи, распределения электрической и тепловой энергии. Электрическая часть энергосистемы состоит из генераторов электростанций, магистральных линий электропередачи, электрических подстанций и распределительных электрических сетей с присоединенными к ним приемниками электрической энергии. При объединении отдельных электростанций и линий электропередачи в энергосистемы достигаются укрупнение генерирующих мощностей и за счет этого уменьшение потерь электрической энергии, снижение расходов на производство электроэнергии, уменьшение величины резервируемых электрических мощностей и в целом повышение экономичности работы энергосистемы. На рисунке 28 в качестве примера приведена структурная схема электрической части энергосистемы.
Рисунок 28 - Структурная схема электрической части энергосистемы:
1 - электростанции (ГЭС, КЭС, ТЭЦ, АЭС); 2 - распределительные подстанции;
3- синхронный компенсатор; 4 - фидеры (линии электропередачи) нагрузки;
5 - фидеры собственных нужд электростанций
Поскольку генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию с напряжением не выше 21 кВ, при котором ее передача по линиям электропередач неэффективна из-за больших потерь, обычно рядом с электростанциями располагаются электрические подстанции, повышающие напряжение до 35, 110, 220 кВ для дальнейшей передачи энергии. Кроме того, подстанции через местные распределительные сети обеспечивают снабжение местных потребителей. Распределительные трансформаторные подстанции, присоединенные к линиям электропередачи 110, 220 кВ, обеспечивают понижение напряжения до необходимого уровня и через распределительные сети передают энергию приемникам. При необходимости передачи электроэнергии на большие расстояния соответствующие подстанции обеспечивают уровень напряжения 330, 500, 750 кВ и выше, а в ряде случаев и преобразование в постоянный ток для уменьшения потерь.
Тяговые подстанции электрического транспорта получают питание от соответствующих подстанций энергосистемы, которые обычно называют центрами питания. Линии электропередачи от центров питания к тяговым подстанциям магистрального железнодорожного транспорта имеют обычно напряжение 110 или 220 кВ. Тяговые подстанции городского электрического транспорта получают электроэнергию по кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ. Тяговые подстанции преобразуют электрическую энергию по роду тока и уровню напряжения для питания ЭПС. От тяговой подстанции по питающим линиям ток поступает в контактную сеть и через токоприемник, скользящий по контактному проводу, протекает к тяговым электрическим двигателям. Через рельсы или обратный контактный провод ток возвращается по отсасывающему проводу к тяговой подстанции. Общая схема питания контактного ЭПС приведена на рисунке 29.
Рисунок 29 - Общая схема питания контактного электроподвижного состава на электрифицированной железной дороге:
ЦП - центр питания (подстанция энергосистемы); ЛЭП1, ЛЭП2 - линии электропередачи для электроснабжения тяговой подстанции; ТТ - трансформатор тяговой подстанции; В - выпрямитель тяговой подстанции; ПЛ - питающая линия; ОТС - отсасывающая линия; КС - контактная сеть; Р - рельсы; ЭПС - электроподвижной состав
На электрифицированных дорогах в разных странах мира в электрической тяге с передачей энергии ЭПС по проводам применяются системы постоянного и переменного тока.
Система постоянного тока - трехфазный ток промышленной частоты преобразуется на тяговых подстанциях в постоянный ток такого напряжения, которое может быть использовано для тяговых электродвигателей, установленных на ЭПС. Наибольшее развитие на железнодорожном транспорте получила система постоянного тока с напряжением 3 000 В. На рельсовом промышленном транспорте и на отдельных железных дорогах некоторых стран применяется также система с уровнем напряжения 1 500 и 750 В. На городском наземном электрическом транспорте по условиям безопасности применяется система 550 или 750 В, на метрополитенах - 825 и 750 В. Увеличение уровня напряжения в контактной сети выгодно из-за уменьшения потерь электрической энергии в тяговой сети и увеличения расстояния между тяговыми подстанциями. Попытка использовать систему постоянного тока с напряжением 6000 В предпринималась в Советском Союзе, но не была реализована из-за сложности создания тягового электрооборудования на подвижном составе.
Система однофазного тока промышленной частоты (50 Гц) - трехфазный ток промышленной частоты преобразуется на тяговых подстанциях при помощи трансформаторов до требуемого уровня напряжения и передается в контактную сеть в виде однофазного тока. Наибольшее развитие и широкое распространение получила система с уровнем напряжения 25 кВ. На электрическом подвижном составе (электровозах, электропоездах) трансформатор понижает напряжение и через выпрямительные установки питает тяговые электродвигатели постоянного тока.
Системы электрической тяги на однофазном токе с применением на ЭПС однофазных коллекторных тяговых двигателей или с преобразованием однофазного тока в многофазный (чаще всего, в трехфазный) и применением асинхронных тяговых двигателей широкого распространения не получили.
Разновидностью системы однофазного тока 25 кВ можно считать автотрансформаторные системы 2x25 кВ, которые отличаются меньшими потерями и не требуют такого высокого уровня изоляции на подвижном составе, как система 50 кВ.
Система однофазного тока пониженной частоты - в тяговую сеть от тяговых подстанций подается однофазный ток пониженной частоты (162/3, 25 Гц), а на ЭПС используются однофазные коллекторные тяговые двигатели, которые надежнее и проще однофазных двигателей с частотой 50 Гц.
Система трехфазного тока - контактная сеть выполняется двухпроводной, а рельсы служат третьим проводом. На тяговых подстанциях напряжение понижается до необходимого уровня, а на ЭПС устанавливаются трехфазные асинхронные тяговые двигатели. Опыт работы такой системы тяги с напряжением 6000 В на железных дорогах Италии показал бесперспективность этой системы, и она была заменена системой постоянного тока напряжением 3000 В.
Автономный электрический транспорт вырабатывает необходимую для его движения электрическую энергию с помощью установленного на нем теплового двигателя, который обеспечивает работу электрического генератора. Вырабатываемая генератором электроэнергия подводится к тяговым электродвигателям. Электрический генератор, тяговые электрические двигатели, аппараты для их управления и регулирования называются электрической передачей (электрической трансмиссией). Чаще всего в качестве теплового двигателя применяется дизель, хотя могут использоваться газовые турбины и другие двигатели. Автономный электрический транспорт может двигаться по рельсам или по обычным дорогам на колесах или гусеницах. Использование аккумуляторов в качестве бортовых источников энергии для автономного электрического транспорта не получило широкого распространения из-за малой емкости и ограниченных по этой причине пробеге и скорости. Могут быть использованы и другие бортовые источники энергии: топливные элементы, солнечные батареи и др.