2.2.2. Система однофазного переменного тока пониженной частоты

В некоторых странах Европы широкое распространение получила система переменного тока пониженной частоты. По этой системе работают с первых лет электрификации железные дороги стран центральной и северной Европы: ФРГ, Швейцарии, Швеции, Норвегии. Понижение частоты объясняется стремлением использовать на переменном токе тяговый электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения, широко применяемый в электрической тяге на постоянном токе. Вращающий момент на валу электродвигателя пропорционален произведению тока и магнитного потока, поэтому электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения способен работать и на переменном токе, поскольку направления тока и магнитного потока меняются одновременно. Однако переменный магнитный поток электродвигателя приводит к возникновению так называемой трансформаторной эдс в обмотке якоря двигателя. При значительной эдс появляется сильное искрение под щетками, вплоть до кругового огня по коллектору при коммутации. Чтобы избежать этого, необходимо снизить частоту тока. Технически проще всего снизить частоту ровно в 3 раза: от 50 до 16 2/3 Гц (в США – 25 Гц). Этим и объясняется появление электрифицированных участков напряжением 15 кВ частотой 16 2/3 Гц в Европе и напряжением 11 кВ частотой 25 Гц в США [7].

С уществуют две разновидности таких систем – система 16 2/3 Гц центра­лизо­ван­ного питания и система 16 2/3 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. 2.3, 2.4 приводятся принципиальные схемы этих систем электрической тяги.

Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 15 кВ пониженной частоты 16 2/3 Гц с вращающимися преобразователями (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Структурная схема тяговой подстанции переменного тока напряжением 15 кВ пониженной частоты 16 2/3 Гц с распределенным преобразованием энергии

Эта система по протяженности занимает 3-е место (14 %) в мире, 1-е место в западной Европе.

К линии электропередачи трехфазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц подключен трансформатор тяговой подстанции, понижающий напряжение до 6,3 кВ. Это напряжение подается на синхронный трехфазный электродвигатель, на валу которого установлен синхронный однофазный генератор с выходным напряжением 5,7 кВ частотой 16 2/3 Гц. Полученное напряжение повышается трансформатором до 15 кВ и подается на шины тяговой подстанции. Одна из шин рельсовым фидером соединена с рельсами, а другая через фидерные выключатели с контактной сетью перегона. Контактные сети фидерных зон в этой системе отделены простым по конструкции воздушным промежутком, а не нейтральной вставкой, как в системе напряжением 25 кВ. Существует и система переменного тока 15 кВ пониженной частоты 16 2/3 Гц, питающаяся от отдельной электростанции (рис. 2.3) В данном случае от специальной электростанции с помощью высоковольтной линии 110 кВ питаются однофазные тяговые подстанции.

В некоторых странах Европы питание тяговых однофазных сетей осуществляется от однофазных электрических станций 16 2/3 Гц.

Страны, уже имеющие у себя сеть электрифицированных линий переменного тока пониженной частоты, продолжают электрификацию по этой же системе.

В России представленная система не применяется, так как, во-первых, на каждой подстанции требуется установка преобразователей частоты, во-вторых, невозможно питание районных и нетяговых потребителей.

Преимущества и недостатки системы тяги однофазного тока пониженной частоты.

К достоинствам системы электротяги следует отнести:

1) индуктивное сопротивление тяговой сети (пропорциональное частоте) в 3 раза меньше, чем при частоте 50 Гц (соответственно потери напряжения в сети меньше);

2) расстояние между тяговыми подстанциями, в среднем составляющее 50 км;

3) незначительное электромагнитное влияние на линии связи из-за более низкой частоты;

4) отсутствие проблемы несимметрии токов и напряжений, так как электрическая энергия из трехфазной сети передается в однофазную тяговую сеть посредством механического звена (преобразователь частоты, двигатель-генератор) или посредством статических преобразователей;

5) легкость контактной подвески данной системы тяги, так как сечение проводов в среднем составляет 200–250 мм²;

6) надежный электроподвижной состав со значительной мощностью 10 МВт;

7) отсутствие электрокоррозии на подземных коммуникациях, что освобождает от применения мер по их защите.

Недостатки системы переменного тока напряжением 15 кВ пониженной частоты заключаются в том, что:

1) система требует громоздких вращающихся преобразователей или строительства отдельных электростанций. Трансформаторы, работающие на пониженной частоте, массивны из-за большой площади сечения стальных сердечников, так как для создания необходимой эдс при пониженной частоте требуется больший магнитный поток;

2) невозможно применение принципа комплексности электрификации, система тяги не предусмотрена для питания районных и нетяговых потребителей.