6.1. Системы тяги и тягового электроснабжения

Система электроснабжения электрического транспорта, в состав которой входят тяговые подстанции, является частью электроэнергетической системы (далее — энергосистемы). Электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники объединены общностью процесса производства, передачи, распределенния и потребления электрической энергии.

Тяговая подстанция — электрическая станция, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрическом энергии для питания транспортных средств на электрической тяга через контактную тяговую сеть. От тяговой подстанции могут получать питание и другие потребители.

Тяговая подстанция, включающая в себя комплекс электротехнических устройств для приема электроэнергии от источника и по­лучения необходимого напряжения, и тяговая сеть, обеспечивающая передачу его к электроприемникам подвижного состава, представляют собой систему тягового электроснабжения.

В зависимости от системы тяги, т.е. от типа используемого подвижного состава, различают три вида систем тягового электроснабжения: систему постоянного тока с напряжением на шинам подстанции 3,3 кВ; 825 В и 600 В, систему однофазного переменного тока с напряжением 27,5 кВ и систему однофазного переменного тока с напряжением 2x25 кВ и промышленной частотой 50 Гц.

Система тяги напряжением 3,3 кВ на постоянном токе реализуется более чем на 30 тыс. км железных дорог нашей страны, в том числе на наиболее грузонапряженных участках.

По системе электроснабжения постоянного тока напряжением 825 В (с номинальным напряжением 750 В на токоприемнике) ocyществляется питание подвижного состава на действующих линиях отечественного метрополитена. Для транспортных линий наземного городского электрического транспорта — трамвая и троллейбуса — применяется система тягового электроснабжения постоянного тока с напряжением на шинах 600 В (550 В на токоприемнике).

Системы однофазного переменного тока промышленной частоты получили широкое применение на железных дорогах нашей страны вследствие простоты и значительной экономичности по сравнению с электрической тягой на постоянном токе. Одним из преимуществ такой системы является упрощение тяговых подстан­ций, мало чем отличающихся от районных или промышленных трансформаторных подстанций. Однако однофазные тяговые на­грузки переменного тока резко изменяются во времени по ампли­туде и могут значительно различаться на участках (фидерных зо­нах), расположенных с левой и правой сторон от тяговой подстан­ции. Это создает неравномерную и несимметричную нагрузку по фазам для трансформаторов подстанции.

Применение системы однофазного переменного тока позволя­ет увеличить расстояние между подстанциями до 40—45 км, а на грузонапряженных участках при пропуске тяжеловесных поездов в случае системы 2x25 кВ расстояние между тяговыми подстанци­ями составляет 80...90 км.

За рубежом (Канада, США, ЮАР) в последнее время нашла применение новая система тяги переменного тока напряжением 50 кВ промышленной частоты 50 Гц, действующая в системе тяго­вого электроснабжения того же названия. В то же время в странах Центральной и Северной Европы (Германия, Швейцария, Шве­ция, Австрия, Норвегия) продолжается использование давно вве­денной тяги переменного тока напряжением 15 кВ пониженной частоты 16— Гц. Система тяги реализуется в двух вариантах: с вращающимися генераторами и преобразователями; со статическими преобразователями для частот 50 и 16— Гц.

Наличие громоздких преобразователей для получения понижен­ной частоты и массивных трансформаторов, работающих на пони­женной частоте и потому имеющих большое сечение стальных сер­дечников, является серьезным недостатком системы напряжением 15 кВ.

К достоинствам системы напряжением 15 кВ пониженной час­тоты следует отнести меньшее (в 3 раза) индуктивное сопротивле­ние тяговой сети и, соответственно, меньшие потери напряжения в сети, что позволяет увеличить расстояние между подстанциями. Электромагнитное влияние на линии связи из-за низкой частоты незначительно.

В системе тягового электроснабжения можно выделить три ос­новные части:

внешнее электроснабжение — включает в себя устройства от элек­трической станции до первичных шин тяговой подстанции, т.е. до шин, к которым подведено напряжение от внешнего источника переменного тока; в качестве внешнего источника может быть условно принята электрическая или распределительная подстанция;

тяговая подстанция — состоящая из нескольких важных функциональных узлов, основными из которых являются распределительные устройства (РУ), трансформаторы, выпрямители и инвер­торы (для тяговых подстанций постоянного тока) и устройства собственных нужд;

внутреннее (тяговое) электроснабжение — тяговая сеть, обеспечивающая питание электроэнергией подвижной состав от шин тяговой подстанции вторичного напряжения до токоприемников (фидеры — провода и кабели, соединяющие тяговую подстанцию с контактной и рельсовой сетью, собственно контактная и рельсовая сеть, включая и спецчасти—пересечения, стрелки и др.).