Модуль 1. Системы электроснабжения электрифицированных дорог

Лекция №1, 2. Основные определения. Система электрификации железных дорог (2 часа)

План лекции:

1. Общие сведения о железнодорожном транспорте.

2. Основные определения. Показатели электроустановок.

3. Системы электрификации железных дорог.

Вековой опыт эксплуатации электрических железных дорог показал, что они являются эффективным транспортным средством. Большим преимуществом железных дорог по сравнению с автомобильным, авиационным и водным транспортом является значительно меньшее потребление энергии на единицу веса перевезенного груза и единицу расстояния. Эта величина называется удельным потреблением энергии и измеряется в кВтч на 10⁴ткм брутто. Для железных дорог она на порядок ниже, чем для автомобильного транспорта и составляет в среднем по России 150 кВтч на 10⁴ткм брутто. Таким образом, для того чтобы перевезти тонну груза по железной дороге на 1 км потребуется 15 Втч. Это равносильно работе электрической лампочке мощностью 15 Вт в течение одного часа.

За многие годы эксплуатации в качестве средств тяги использовались локомотивы, работа которых основывалась на различных физических принципах – паровозы, тепловозы, электровозы, газотурбовозы. Однако наиболее совершенной оказалась электрическая тяга поездов. Это объясняется тем, что в качестве привода подвижного состава применяются самые экономичные из известных на сегодняшний день двигателей - электродвигатели. Коэффициент их полезного действия лежит в пределах 90…95%. Однако в отличие от автономных видов тяги (паровозы, тепловозы, газотурбовозы и др.), требуется передача энергии к локомотиву, а это сопровождается потерями во всех звеньях такой передачи.

Начиная с 1885 года, когда впервые в мире стала действовать магистральная электрическая железная дорога Балтимор - Огайо в США протяженностью в 115 километров, во многих странах стали уделять серьезное внимание вопросам электрической тяги поездов. И хотя на первом этапе она в значительной мере уступала паровой тяге, распространившейся к тому времени уже на огромных территориях ряда стран, вслед за американской магистралью стали появляться электрические железные дороги и в других странах. Темпы развития электрических магистралей определялись состоянием электротехнической промышленности и уровнем развития соответствующих отраслей науки и техники. Радикальные усовершенствования электрических магистралей следовали за существенными прорывами в области электротехнической науки и промышленности.

1. Общие сведения о железнодорожном транспорте

Железнодорожный транспорт, появившийся в начале 19 столетия, сегодня играет огромную роль в экономике многих стран мира. Уникальные качества железнодорожного транспорта определяются:

1. Значительно меньшим по сравнению с другими видами транспорта удельным расходом энергии на перемещение грузов (табл. 1.).

2. Возможностью организации массовых перевозок на достаточно высоких скоростях.

3. Способностью функционирования при любой погоде и в любое время года (всепогодность).

4. Возможностью организации устойчивых и надежных транспортных связей между отдаленными регионами.

5. Сравнительно низкой степенью воздействия на окружающую среду.

Таблица 1

Энергетические показатели различных видов транспорта

№	Транспортные средства	Удельный расход энергии, МДж/100 ткм
1	Автомобили большой грузоподъемности	108,8
2	Автомобили средней грузоподъемности	242,8
3	Автомобили малой грузоподъемности	711,7
4	Электрифицированный железнодорожный транспорт	2,8
5	Железнодорожный транспорт при тепловозной тяге	8,8
6	Морской транспорт	30
7	Речной транспорт	37,7
8	Нефтепроводы	5,4
9	Газопроводы	368,4

Из-за высокой доли расходов, не зависящих от расстояния, экономическая эффективность железнодорожного транспорта растет по мере увеличения дальности перевозок. Минимальная экономически целесообразная граница дальности приблизительно равняется 800 км.

Этапы электрификации железнодорожного транспорта. В 1921 г. был утвержден государственный план элек­трификации России (ГОЭРЛО). Наряду со строительством электростанций и линий электропередач (ЛЭП) он предусматривал электрификацию железнодорожных линий Петроград- Москва - Курск - Донецкий бассейн - Мариуполь - Кривой Рог - Александровск - Чаплино - Дебальцево - Лиски - Царицын и Москва - Нижний Новгород с продолжением в будущем их на Урал и в Сибирь. Шестого июля 1926 г. было открыто движение электропоездов на первом в нашей стране электрифицированном железнодорожном участке Баку - Сабунчи - Сураханы, который соединил город с нефтяными промыслами. Протяженность участка составила 20 км, он был электрифицирован по системе постоянного тока напряжением 1200 В. Спустя три года, 26 августа 1929 г, отправилась в путь первая электричка от Москвы до Мытищ. Планом ГОЭЛРО намечалось электрифицировать 3,5 тыс. верст железных дорог.

В настоящее время, контактные провода подвешены почти на 40 тыс. км стальных магистралей России. Это составляет примерно половину железнодорожной сети, но на нее приходится свыше 60% всего грузооборота железных дорог страны. Осуществить это могло только государство, имеющее высокоразвитые электротехническую промышленность, приборостроение, машиностроение, металлургию и энергетику, а главное талантливых ученых, опытных инженеров, строителей и монтажников.

Электрифицированные стальные магистрали составляют основной транспортный скелет страны, они обеспечивают низкую стоимость перевозок и обладают высокой провозной способностью. Удельный расход топлива в условном исчислении при тепловозной тяге в грузовом движении составляет при мерно 43 кг на 10 тыс. ткм брутто, а при электровозной тяге тот же расход топлива, отнесенный к электростанциям, равен 34,5 кг, т.е. на 20% меньше. При этом на электростанциях используется, как правило, дешевое низкосортное топливо, а на тепловозах высоко­качественное дизельное.

Электрификация железных дорог решает важные социально - экономические проблемы. С переходом на электрическую тягу коренным образом изменились условия работы локомотивных бригад, исчезли многие профессии с тяжелыми и вредными условиями труда: кочегары, промывальщики котлов и т.д. В зоне электрических магистралей, особенно на станциях и вокзалах, стал чище воздух, так как не происходит загрязнения его продуктами сгорания. С увеличением доли электроэнергии, производимой на гидро - и атомных станциях, преимущества электрического транспорта с точки зрения охраны окружающей среды будут еще более ощутимы. В сельских районах, где проходят электрифицированные железные дороги, закрыты тысячи мелких дизельных электростанций.

Ежегодно на тягу поездов расходуется примерно 3,7% электроэнергии от общего потребления ее в народном хозяйстве, и дизельного топлива - 13.4% общего его расхода. На долю топлива и энергии приходится более 20% себестоимости перевозок. Эти цифры говорят о важности бережного отношения к электроэнергии и топливу.

Замечательное свойство электрических локомотивов - способность возвращать часть затраченной энергии путем рекуперативного торможения. При этом накопленная кинетическая энергия поезда преобразуется в электрическую и по контактным проводам передается локомотивам, находящихся в режиме тяги или другим потребителям в сеть общего назначения.

Системы электрической тяги. В настоящее время в мире имеют место различные системы тяги как постоянного, так и переменного тока.

Система тяги постоянного тока. Исторически первой появилась система тяги постоянного тока. Этому способствовали возникновение первых электротехнических отраслей, которые использовали технику постоянного тока, достаточно хорошо изученную к тому времени. Был создан двигатель постоянного тока, имевший наилучшие тяговые характеристики среди известных тогда двигателей. Система оказалась настолько удачной, что, появившись в конце прошлого века, успешно функционирует и в наши дни. Существуют различные модификации систем тяги постоянного тока, различающихся, в основном, уровнем подводимого к электроподвижному составу (ЭПС) напряжением - от 750 до 3000 вольт. На рис. 23 приведена принципиальная схема наиболее распространенной системы тяги постоянного тока.

Недостаток этой системы состоит в необходимости преобразования переменного тока в постоянный. Тяговые подстанции получают электроэнергию от электроэнергетических систем общего назначения с высоким уровнем напряжения (чаще всего 110…220 кВ). На тяговых подстанциях постоянного тока происходит преобразование энергии переменного тока высокого напряжения в энергию постоянного тока с уровнем напряжения, необходимым для работы цепей тяговых двигателей (чаще всего 3000 В). На большинстве отечественных подстанций постоянного тока имеет место двойная трансформация, что и отражено на рис. 23. Промежуточный уровень напряжения (обычно 10 кВ) используется для питания нетяговых железнодорожных потребителей.

Способы регулирования скорости движения электроподвижного состава постоянного тока. Скорость ЭПС постоянного тока, как, впрочем, и любой другой системы электрической тяги регулируется скоростью вращения тяговых электродвигателей (ТЭД). Наибольшее распространение получили двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

Рис. 1.1. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения 3 кВ на рисунке А, В, С – фазы ЛЭП; ПТ – понижающий трансформатор; Р – шины нетяговых (районных потребителей); ТТ – тяговый трансформатор; ПВ – полупроводниковый выпрямитель; НВ – нейтральная вставка; ЭПС – электроподвижной состав

Для них справедливо соотношение

, (1.1)

где -угловая скорость вращения двигателя (пропорциональная линейной – поступательной скорости ЭПС); U- подводимое к двигателю напряжение; I*r- падение напряжения в якорной обмотке двигателя; c- постоянная величина, характеризующая свойства тягового электродвигателя; Ф- магнитный поток (пропорциональный току ТЭД или что тоже самое току якоря). Следует заметить, что потери напряжения I*r для современных ТЭД по сравнению с величиной подводимого напряжения U незначительны ((3-5%) U) и ими можно пренебречь.

Тогда можно записать

(1.2)

Из (1.2) видно, что имеется две возможности регулирования скорости вращения ТЭД: 1) путем изменения напряжения на зажимах ТЭД, 2) путем изменения магнитного потока ФI (для ТЭД последовательного возбуждения).

В эксплуатационной практике используются оба этих способа. Однако реализация первого из них сопряжено с определенными трудностями, заключающимися в том, что ЭПС постоянного тока, как это уже указывалось ранее, питается от тяговых сетей с напряжением 3 кВ. Это напряжение превышает номинальное напряжение ТЭД, равное примерно 1500 В, поэтому на ЭПС постоянного тока пара двигателей всегда включена последовательно. Пары двигателей, образующие моторный блок могут включаться между собой параллельно. При этом каждый из двигателей в нормальных условиях получает напряжение, равное 1500 В. Это напряжение обуславливает и наибольшую скорость. Для реализации всего диапазона скоростей можно пары последовательно соединенных ТЭД включать последовательно или последовательно - параллельно, так как это показано на рис. 25-26. Внутри каждого скоростного диапазона, определяемого схемами соединения пар двигателей регулирование скорости ЭПС осуществляется изменением магнитного потока Ф – путем шунтирования обмотки возбуждения. При этом, вследствие отведения части тока от обмотки возбуждения через параллельно включенное ей сопротивление, уменьшается магнитный поток.

Рис. 1.2. Регулирование скорости вращения коллекторного двигателя последовательного возбуждения изменением магнитного потока возбуждения (шунтированием обмотки возбуждения)

Рис. 1.3. Последовательное соединение двигателей восьмиосного ЭПС постоянного тока. U_Д=U_KC/8 (схема, соответствующая наименьшему диапазону скоростей)

Рис. 1.4. Сериес - параллельная соединение двигателей восьмиосного ЭПС постоянного тока. U_Д=U_KC/4 (схема, соответствующая среднему диапазону скоросте

Рис. 1.5. Параллельное соединение двигателей восьмиосного ЭПС постоянного тока. U_Д=U_KC/2 (схема, соответствующая наибольшему диапазону скоростей)

Достоинства и недостатки системы тяги постоянного тока 3 кВ.

Достоинством системы тяги постоянного тока являются: 1. Слабое электромагнитное влияние на смежные устройства электрических железных дорог, 2. Отсутствие реактивных потоков по тяговым сетям и, вследствие этого, исключение необходимости использования средств компенсации реактивной мощности.

К основным недостаткам следует отнести:

1. Низкий уровень напряжения в тяговой сети и малые расстояния между тяговыми подстанциями (в среднем 15 км).

2. Значительное гальваническое влияние на подземные коммуникации (оболочки кабелей, трубопроводы и др.), устройства пути (крепежные элементы), и арматуру контактной сети, что приводит к их коррозии.

3. Относительно большое сечение проводов контактной сети и значительный расход цветных металлов.

4. Сложность тяговых подстанций.

5. Наличие пусковых реостатов на электроподвижном составе, приводящих к значительным потерям при пуске. Это особенно проявляется на ЭПС пригородного сообщения с частыми остановками и пусками.

Системы тяги переменного тока. Системы тяги переменного однофазного тока пониженной частоты. Системы тяги переменного тока пониженной частоты основываются на свойстве коллекторных двигателей работать как на постоянном, так и на переменном токе. Момент, развиваемый коллекторным двигателем, как известно из курса электрических машин, пропорционален произведению тока якоря и тока возбуждения .

Исследования показали, что проще всего получить пониженную частоту, составляющую 1/3 от промышленной, то есть Гц. Так появились системы тяги переменного тока пониженной частоты Гц (в США – 25 Гц) 11…16 кВ. Существуют две разновидности таких систем - система Гц централизованного питания и система Гц распределенного питания. В первом случае специализированные мощные электрические станции вырабатывают электроэнергию переменного тока пониженной частоты, которая передается по линиям электропередачи также пониженной частоты. От ЛЭП пониженной частоты питаются непосредственно тяговые подстанции. Во втором случае тяговые подстанции питаются непосредственно от электроэнергетической системы общего назначения, а преобразование электроэнергии в электроэнергию пониженной частоты с требуемым напряжением осуществляется непосредственно на тяговых подстанциях. На рис. 32. приводятся принципиальные схемы этих систем электрической тяги.

К достоинствам этих систем следует отнести

1. Больший по сравнению с системой тяги постоянного тока уровень напряжения в тяговой сети, и следовательно, большие расстояния между тяговыми подстанциями (в среднем 50 км.).

2. Простоту тяговых подстанций.

3. Отсутствие гальванического влияния на подземные коммуникации, что освобождает от применения дорогостоящих мер по их защите. 4.

Недостатками систем тяги пониженной частоты являются:

1. Невозможность применения принципа комплексности электрификации, в соответствии с которым электрификации подлежат прилегающие к электрической железной дороги районы.

2. Высокое электромагнитное влияние на смежные линии проводной связи.

а)

б)

Рис. 1.6. Принципиальная схема системы электрической тяги переменного тока пониженной частоты a) с централизованным преобразованием электроэнергии; b) с распределенным преобразованием электроэнергии. На рисунках: 1 – энергосистема; 2. Подстанция с вращающимся преобразователем Гц; 3. ЛЭП Гц; 4. Тяговые трансформаторные подстанции пониженной частоты; 5. –контактная сеть; 6.- рельсы