Лекция 1 Введение
Электрическая энергия является наиболее удобным и универсальным видом энергии. Она легко преобразуется в механическую, тепловую и световую энергию и потому стала основой развития промышленности и транспорта.
Железнодорожный транспорт является одним из основных потребителей электроэнергии, главным образом – электрифицированные дороги.
Электроснабжение железных дорог осуществляется с помощью высоковольтных сетей трехфазного переменного тока от электрических систем, объединяющих мощные электростанции и обеспечивающих электрической энергией практически всех потребителей народного хозяйства.
На электровозах в качестве тяговых применяют электродвигатели постоянного тока, так как они имеют благоприятные электромеханические характеристики и частота их вращения легко регулируется в широком диапазоне. Именно поэтому получаемая от энергосистем электроэнергия преобразуется с напряжения переменного на напряжение постоянного тока. В некоторых случаях такое преобразование выполняется на подстанциях, осуществляющих питание тяговых сетей на постоянном токе напряжением 3 кВ (дороги постоянного тока). С 1956 г. получила распространение система электрификации железных дорог на переменном токе напряжением 25 кВ, при этом преобразование переменного тока в постоянный выполняется на электровозах.
Электроэнергетические системы и электрические сети
Производство электрической энергии в основном сосредоточено на тепловых и гидравлических, а также на атомных электростанциях (АЭС). Крупные конденсационные электрические станции (КЭС) и гидростанции (ГЭС) располагают возле мест добычи топлива или в удобных створах рек, как правило, удаленных от центров потребления энергии. Передача больших мощностей от таких электростанций в районы потребления осуществляется по линиям передачи трехфазного тока высокого напряжения: 110—1150 кВ.
Значительно
меньше электрической энергии вырабатывается
на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), размещаемых
на территории промышленных предприятий
или в районах городских жилищных
Большинство районных тепловых станций и гидростанций, как и теплоэлектроцентралей, связывают линиями передачи, предусматривая повышающие и понижающие подстанции для совместной (параллельной) работы их на общую нагрузку. Совокупность нескольких электрических станций, объединенных под единым хозяйственным и техническим руководством с целью совместного непрерывного производства и распределения между потребителями электрической и тепловой энергии, составляет энергетическую систему (энергосистему).
Электрическую часть энергосистемы, состоящую из генераторов распределительных устройств электростанций, повышающих и понижающих подстанций, воздушных и кабельных линий передачи различных напряжений и электроприемников разных типов, называют электрической системой.
Устройства
для передачи и распределения электрической
энергии состоят из подстанций и линий
передачи и называются электрических
сетями. Отсюда видно, что в состав
последних входят не только линии
различных конструкций и напряжений, но
и все электрическое оборудование
подстанций — силовые трансформаторы,
выключатели, разъединители, устройства
защиты и автомати
Электрическая энергия подводится к потребителям с помощью питающих и распределительных сетей различных напряжений. В СССР построены и успешно функционируют мощные электропередачи трехфазного тока напряжением до 1150 кВ включительно Намечено сооружение линии постоянного тока 1500 кВ.
Пример схемы электрической системы представлен на рис. 1.1.
Мощная гидроэлектрическая станция 1 расположена далеко от центров потребления энергии. Поэтому энергия вырабатываемая генераторами при напряжении 20 кВ, трансформируется на напряжение 500 кВ и при этом напряжении передается на подстанцию 2. На подстанции с помощью понижающих автотрансформаторов она преобразуется на напряжение 220 кВ. Одна из линий передачи напряжением 220 кВ передает энергию на мощную районную подстанцию 8, где с помощью автотрансформаторов (или трансформаторов) напряжение снижается до 110 кВ и подается в замкнутую кольцевую сеть. В эту же сеть энергия поступает еще от районной конденсационной электростанции 6 и теплоэлектроцентрали 5. По питаемой с двух сторон линии передачи 110 кВ энергия подводится к трем тяговым подстанциям 4.
Тяговые подстанции оборудованы трехобмоточными трансформаторами 115/38,5/27,5 кВ или 115/27,5/11 кВ. Обмотка 27,5 кВ предназначена для питания тяговых сетей переменного тока 25 кВ, а вторичная обмотка на 38,5 или 11 кВ — для электроснабжения нагрузок, расположенных невдалеке от железной дороги, промышленных предприятий, ремонтных заводов, железнодорожных узлов, предприятий местной промышленности и сельскохозяйственных потребителей — так называемых нетяговых потребителей. Мелкие железнодорожные линейные потребители, не относящиеся к электрической тяге (приборы освещения путевых будок, платформ, разъездов, жилых и культурно-бытовых зданий), обычно получают энергию от специальных линий продольного электроснабжения, прокладываемых на опорах контактной сети. К кольцевой линии 110 кВ присоединены также понижающие трансформаторные подстанции 7, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий и городов, расположенных в районе действия рассматриваемой части электрической системы.
Итак, в современной системе прежде, чем электрическая энергия достигнет потребителя, осуществляется три, четыре и даже пять ее трансформаций. Часть электроприемников может получать питание непосредственно от шин генераторного напряжения станции.
Электроснабжение электрифицированных железных дорог осуществляется от электроэнергетических систем через тяговые подстанции, причем, кроме устройств электрической тяги, от тяговых подстанций получают питание еще и нетяговые железнодорожные потребители: ремонтные заводы и депо, мастерские, подъемно-транспортные механизмы, устройства водоснабжения железнодорожных станций, дорожно-путевой инструмент, внутреннее и наружное освещение станционных путей, пассажирских зданий и жилищно-бытовых помещений железнодорожных поселков. От тех же источников зачастую электрическая энергия подается на мелкие и средние предприятия местной промышленности, к сельскохозяйственным потребителям, в небольшие поселки.
При электрификации железных дорог отпадает необходимость в работе тепловых электростанций малой мощности, имеющих низкий к. п. Д., ранее применявшихся для питания электрических нагрузок железнодорожных станций и других нетяговых потребителей электрической энергии. Одновременно в связи с прекращением выброса продуктов сгораний топлива улучшаются экологические условия в окружающем районе.