3.1.1 Классификация систем электроснабжения тяги по роду тока и устройство тяговых подстанций

Различают следующие системы электроснабжения по роду тока:

– системы постоянного тока;

– системы однофазного переменного тока промышленной частоты;

– системы однофазного переменного тока пониженной частоты.

Электрификация железных дорог СССР и в дальнейшем России производится с использованием двух первых систем. Последняя применяется в некоторых странах Западной Европы (16 2/3 Гц при U = (11–16) кВ) и в США (25 Гц при U = 11 кВ) с подвижным составом, оборудованным коллекторными двигателями переменного тока. Регулирование двигателей осуществляется с помощью изменения коэффициента трансформации локомотивного трансформатора. Коллекторные электродвигатели отличаются низким коэффициентом мощности, вследствие чего эти системы имеют средний .

3.1.2 Система постоянного тока

Система постоянного тока – это первая система, с которой началась электрификация железных дорог в нашей стране. Напряжение ЛЭП энергосистемы на тяговых подстанциях трансформируется до 10 кВ и далее подаётся на преобразовательный агрегат, где происходит дополнительная трансформация и выпрямление до уровня 3300 В постоянного тока. Это напряжение контактной сети и оно непосредственно подаётся на тяговые электродвигатели подвижного состава, которые соединяются между собой в различные группы в зависимости от режима тяги, но основное звено соединений – это два последовательно соединённых электродвигателя, так как они выпускаются электропромышленностью на номинальное напряжение 1650 В.

Тяговые подстанции располагаются на расстоянии (15–20) км одна от другой на и содержат:

– понизительный трёхфазный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 10 кВ;

– выпрямительный агрегат, преобразующий трёхфазную систему в систему постоянного тока с напряжением 3,3 кВ;

– питающую и отсасывающую линии.

Основная составляющая часть тяговой подстанции – это выпрямительный агрегат. На рисунке 3.5 приведена схема одного из наиболее распространённых агрегатов типа ТПЕД – 3150. Он содержит преобразовательный трансформатор Т, выпрямительные устройства UV1–UV6, разрядники для снижения атмосферных перенапряжений FU1 и FU2, высоковольтные выключатели QF1и QF2, разъединители QS1и QS2.

Трансформатор Т имеет первичную обмотку на напряжение 10 кВ и подсоединяется к понизительному трансформатору подстанции.

Вторичные обмотки трансформатора соединяются одна по схеме «звезда», другая по схеме «треугольник», благодаря чему обе они образуют шестифазную систему линейных напряжений. Выпрямительная часть представляет собой два последовательно соединённых трёхфазных моста (схема Ларионова), выходные зажимы которых через выключатель QF2 и разъединитель QS2 присоединяются к питающей и отсасывающей линиям и далее – к контактной сети и рельсовому пути. Поскольку подводимая к мостам система напряжений шестифазная, то обеспечивается двенадцатипульсное выпрямление с малым коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения. Поэтому такие выпрямительные агрегаты не имеют фильтров.

На рисунке 3.5 а изображена схема двух последовательных плеч из группы UV1–UV6. В выпрямителях применены лавинные диоды ДЛ – 133 – 500 – 14, в каждом плече содержится 6 параллельных ветвей и в каждой ветви последовательно соединены по четыре диода.

С целью обеспечения лучшего качества электроэнергии для тяги путём регулирования напряжения в зависимости от текущей нагрузки в 1991 году заводом «Элетротехника» разработан преобразовательный агрегат типа В – ТПП – 2Б4к – 4к – 3/12-43 с управляемым выпрямителем, схема которого изображена на рисунке 3.6.

В нём применены стандартные секции с мощными таблеточными тиристорами, охлаждаемыми воздухом с помощью тепловых труб. Для управления тиристорами используется контроллер К, получающий питание от трансформатора собственных нужд ТН и первичный сигнал от трансформатора ТТ2.

Рисунок 3.5 – Схемы двенадцатипульсового выпрямителя последовательного типа ТПЕД -3150 (а) и шкафа с диодами (б): QS1, QS2 – разъединители; QF1, QF2 – высоковольтные выключатели на напряжение 10 и 3,3 кВ; Т – преобразовательный трансформатор ТРДП – 12500; FU1, FU2 – разрядники РВКУ – 1,65 ДО; UV1–UV6 – шкафы диодов и RC – цепей; VD1 – VD48 – диоды ДЛ133-500-14 с охладителями О243 - 150; С1 – С2 – конденсаторы К75 – 15 – 16 кВ, 0,1 мкФ; R1 – R6 – резисторы ПЭВ – 199 – 47 Ом; 1–6 – выводы из шкафа через проходные изоляторы (2,5 – типа ИП – 10/2000 – 1250УХЛ1; 1,3,4,6 – типа ИП – 10/1000 – 730УХЛ1

К основным преимуществам системы тяги на постоянном токе относят следующие:

– простота устройства электроподвижного состава;

– слабое влияние тяговой сети на смежные линии электропередачи и связи.

Но в современных условиях система постоянного тока не удовлетворяет возросшие потребности грузоперевозок, в связи с чем, возникает необходимость возведения дополнительных тяговых подстанций и уменьшения расстояний между ними.

Недостатки системы сводятся к следующему:

– низкое напряжение контактной сети, необходимость увеличения сечения её проводов;

– большое число тяговых подстанций, имеющих высокую насыщенность электроустановками;

– электроэрозионное влияние на подземные сооружения от блуждающих токов;

– повышенное рассеяние энергии на пусковых реостатах электроподвижного состава (до 25 % от суммарного потребления энергии).

В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию системы электротяги на постоянном токе: например, применение импульсных преобразователей для управления тяговыми электродвигателями; изучаются возможности повышения напряжения контактной сети до 6 кВ. Но применение этой системы рассматривается исключительно в случаях, когда проводится работа по ограниченному продлению ранее электрифицированных участков железной дороги.

Рисунок 3.6 – Схема двенадцатипульсного выпрямителя В – ТПП – 2Б4к – 3/12 – У3: QS1, QS2 – разъединители; QF1, QF2 – высоковольтные выключатели