Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по электроснабжению на железнодорожном транспорте. Часть 1 - файл 1.doc


Лекции по электроснабжению на железнодорожном транспорте. Часть 1
скачать (3716 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc3716kb.23.11.2011 00:37скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Г. П. МАСЛОВ, Г. С. МАГАЙ, О. А. СИДОРОВ


ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

ЧАСТЬ 1

ОМСК 2006

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

_________________
Г. П. Маслов, Г. С. Магай, О. А. Сидоров
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Конспект лекций
ЧАСТЬ 1


Омск 2006

УДК 621.331.025 (076.5)

ББК 39.217-01я73

М31

Маслов Г. П. Электроснабжение железных дорог: Конспект лекций. Часть 1/ Г. П. Маслов, Г. С. Магай, О. А. Сидоров; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 48 с.
В конспекте лекций рассмотрены системы электроснабжения железных дорог и других тяговых потребителей, электрические параметры их элементов, взаимодействие систем и электрического подвижного состава, расчеты параметров, выбор основного силового оборудования тяговых подстанций, изложены пути совершенствования систем электроснабжения, их влияние на безопасность движения поездов, показаны особенности эксплуатации.

Предназначен для студентов, изучающих дисциплину «Электроснабжение железных дорог» при обучении по специальности 190400 – «Электроснабжение железных дорог».
Библиогр.: 10 назв. Рис. 26.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор Е. Г. Андреева;

доктор техн. наук, профессор В. Т. Черемисин.
_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Системы тягового электроснабжения железных дорог, метрополитенов и других видов электрического транспорта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1. Структура электроснабжения железной дороги . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2. Системы тягового электроснабжения железных дорог . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1. Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.2. Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.3. Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.4. Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.5. Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока промышленной частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.6. Схемы подключения группы тяговых подстанций к линии электропередач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.7. Трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.8. Схемы питания контактной сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. Стыкование участков с различным напряжением в тяговой сети или с различными системами тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4. Зарубежные системы тягового электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5. Системы электроснабжения метрополитена и других видов электрического транспорта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.1. Система электроснабжения метрополитена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транс- порта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта . . . . . . . . .

1.6. Электроснабжение нетяговых потребителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5
7

8

10
12
14
16
18
19
23
28

29
32

33
34

35
37

39

45

47

ВВЕДЕНИЕ
Системы электроснабжения электрических железных дорог по сравнению с системами электроснабжения промышленных предприятий отличаются условиями работы, оборудованием и устройством. Поэтому имеются особенности в теории их работы, методах расчета и проектирования, что вызвало необходимость создания новой науки, основы которой изложены в дисциплине «Электроснабжение железных дорог».

Она базируется на таких курсах, как «Теоретическая электротехника», «Электрические машины», «Высшая математика», и тесно связана с дисциплинами «Основы выработки электроэнергии и тяга поездов», «Тяговые и трансформаторные подстанции», «Релейная защита», «Контактная сеть и линии электропередач», «Электрические сети и системы», «Переходные процессы в электрических системах», «Электробезопасность в устройствах электроснабжения», «Информационные технологии» и др.

Содержание дисциплины включает в себя все основные вопросы теории, расчета, выбора наивыгоднейших параметров, а также определение конкретных показателей работы системы электроснабжения электрических железных дорог.

Цель изучения дисциплины – установить взаимосвязь режимов работы последовательной цепи элементов системы электроснабжения при реализации технологического процесса перевозки грузов, определить ее оптимальные параметры, методы эксплуатации и управления.

Изучив дисциплину, студент должен

знать схемы, режимы работы и методы расчета систем электроснабжения, показатели качества электрической энергии, средства защиты от электрокоррозии металлических подземных сооружений, опор и фундаментов контактной сети, условия электрического взаимодействия системы электроснабжения и электроподвижного состава, принципы управления режимами работ систем электроснабжения;

владеть методами оценки и расчета показателей эффективности устройств электроснабжения, их отдельных элементов и устройств для регулирования качества электрической энергии с широким применением вычислительной техники;

иметь представление о зарубежном опыте, перспективах развития электрификации железных дорог и их связи с достижениями научно-технического прогресса.

Конспект лекций включает в себя разделы, предусмотренные

примерной программой дисциплины «Электроснабжение железных дорог», утвержденной руководителем Департамента образовательных программ и стандартов профессионального образования Минобразования России 15.02.2005 г. (составители – доктор техн. наук, профессор А. А. Быкадоров и канд. техн. наук, профессор Э. В. Тер-Оганов);

рабочей программой дисциплины «Электроснабжения железных дорог», утвержденной деканом электромеханического факультета Омского государственного университета путей сообщений (ОмГУПСа) 18.05.2005 г. (состави- тель – доктор техн. наук, профессор Г. П. Маслов).

Дисциплина читается на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа для студентов, обучающихся по специальности 190400 – «Электроснабжение железных дорог» – по направлению подготовки дипломированного специалиста 657700 – «Системы обеспечения движения поездов».

  1. ^ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ

ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ И ДРУГИХ ВИДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
Основными поставщиками электрической энергии (ЭЭ) для железнодорожного транспорта являются энергосистемы, входящие в российское акционерное общество «Единая энергетическая система России» (РАО «ЕЭС России»), электростанции независимых производителей электроэнергии (как правило, это электростанции крупных промышленных предприятий) и собственные электростанции открытого акционерного общества «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Электроснабжение железной дороги

1.1. Структура электроснабжения железной дороги
Поступление электрической энергии на железную дорогу (см. рис. 1.1) осуществляется в пунктах ее приема (ПП). Такими пунктами являются тяговые подстанции (ЭЧЭ), центральные распределительные подстанции (ЦРП), трансформаторные подстанции (ТП). Электроэнергия также может поступать отраслевым предприятиям железнодорожного транспорта от трансформаторных подстанций низкого напряжения (ПП НН), принадлежащих энергосистемам и промышленным предприятиям.

Контактная сеть, линия СЦБ, все ЛЭП передают электроэнергию от тяговой подстанции конкретному потребителю. Трансформаторная подстанция питает потребителя по специальной линии электропередачи.

Потребители электрической энергии подразделяются на два типа – предприятия железнодорожного транспорта и посторонние железнодорожному транспорту. Структура потребления электрической энергии на железной дороге представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Потребление электрической энергии на железной дороге

Предприятия железнодорожного транспорта обеспечивают потребление электрической энергии на тягу поездов и на нетяговые нужды. К последним относится обеспечение эксплуатационной работы и подсобно-вспомогательной деятельности. Эксплуатация включает в себя потребление электрической энергии, связанное с перевозочным процессом и с прочими производственными нуждами. Подсобно-вспомогательная деятельность предполагает потребление электрической энергии на производство промышленной продукции, коммунально-бытовое и др.

Предприятия, посторонние железнодорожному транспорту, могут быть самые разнообразные: промышленные, сельскохозяйственные, для оказания услуг населению и пр.

Вся совокупность устройств, начиная от генератора электрической станции и кончая тяговой сетью, линиями электропередач, составляет систему электроснабжения железной дороги, обеспечивающую питание электрической энергией как электрической тяги, так и нетяговой нагрузки.

Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги. При этом необходимо обеспечить мощность всех элементов системы такой, чтобы удовлетворялась потребность мощности каждого локомотива в любых условиях работы. Отсюда следует, что параметры системы электроснабжения должны быть выбраны так, чтобы обеспечивалась работа оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке с учетом соответствующего резерва. При этом затраты должны быть мини-мальными.

Питание различных стационарных потребителей, а также прилегающих к железной дороге районов осуществляется от одной и той же системы электроснабжения. При этом питание железнодорожных потребителей связано с работой конкретного участка железной дороги и поэтому должно обеспечиваться высокой надежностью.

Излагаемый ниже материал включает в себя в основном вопросы питания тяговой нагрузки магистральных железных дорог. Вместе с тем очень коротко приводятся сведения о системах электроснабжения метрополитена, городского наземного транспорта и о нетяговых железнодорожных потребителях. Подробно эти системы рассматриваются в дисциплинах специализаций.

^ 1.2. Системы тягового электроснабжения железных дорог
Система электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги состоит [1]

из внешней части системы электроснабжения, включающей в себя устройства выработки, распределения и передачи электрической энергии до тяговых подстанций (исключительно);

тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций линейных устройств и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии и контактной подвески непосредственно или через специальные автотрансформаторы.

Основным потребителем электрической энергии в тяговой сети является локомотив. Вследствие случайного расположения поездов неизбежны случайные сочетания нагрузок (например, пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом), которые могут существенным образом повлиять на режимы работы системы тягового электроснабжения.

Наряду с этим поезда, удаляющиеся от тяговой подстанции, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что влияет на скорость движения поезда и, как следствие, на пропускную способность участка.

Кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезд, на локомотивах имеются вспомогательные машины, выполняющие различные функции. Производительность этих машин также связана с уровнем напряжения на их зажимах. Отсюда следует, что в системах тягового электроснабжения весьма важным является поддержание заданного уровня напряжения в любой точке тяговой сети.

Питание электрифицированного участка железной дороги осуществляется от энергосистемы конкретного региона. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.

Внешняя система электроснабжения (I) включает в себя электрическую станцию 1, трансформаторную подстанцию 2, линию электропередачи 3. Тяговая система электроснабжения (II) содержит тяговую подстанцию 4, питающие фидеры 5, отсасывающий фидер 6, контактную сеть 7 и тяговый рельс 9 (см. рис. 1.3), а также линейные устройства.

Электроснабжение железных дорог осуществляется по линиям 35, 110, 220 кВ, 50 Гц. Система тягового электроснабжения может быть как постоянного, так и переменного тока.

Рис. 1.3. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги: 1 – районная электрическая станция; 2 – повышающая трансформаторная подстанция; 3 – трехфазная линия электропередачи; 4 – тяговая подстанция; 5 – питающая линия (фидер); 6 – отсасывающая линия (фидер); 7 – контактная сеть; 8 – электрический локомотив; 9 – рельсы
На железных дорогах России распространение получили система электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ и система электроснабжения переменного тока с напряжением в контактной сети 25 кВ и 2 × 25 кВ, частотой 50 Гц.

Протяженность электрифицированных железных дорог России на 1 января 2005 г. составила 42,6 тыс. км.
1.2.1. Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ
Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.

Питание тяговой сети в большинстве случаев осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный трансформатор, который обеспечивает снижение напряжения до 10 кВ. К шинам 10 кВ подключен преобразователь, который состоит из тягового трансформатора и выпрямителя. Последний обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный напряжением на шинах 3,3 кВ. Контактная сеть подключается к «плюс шине», а рельсы – к «минус шине».



Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ
Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока – электрическая связь тягового двигателя с контактной сетью, т. е. имеется контактная система токосъема. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Достоинство системы постоянного тока определяются качеством сериесного двигателя постоянного тока, характеристика которого в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока можно назвать следующие

вследствие низкого напряжения в тяговой сети токовыми нагрузками и большими потерями электроэнергии (полный коэффициент полезного действия (КПД) системы электрической тяги постоянного тока оценивается рав- ным 22 %);

при больших токовых нагрузках расстояние между тяговыми подстанциями равно 20 км и менее, что определяет высокую стоимость системы электроснабжения и большие эксплутационные расходы;

большие токовые нагрузки определяют необходимость иметь контактную подвеску большего сечения, что вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов, а также возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети;

система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов при разгоне (для пригородного движения они составляют примерно 12 % от общего расхода электрической энергии на тягу поездов);

при электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт- ной сети;

применявшиеся до последнего времени на тяговых подстанциях шестипульсовые выпрямители имели низкий коэффициент мощности (0,88 ÷ 0,92) и вследствие несинусоидальности кривой потребляемого тока являлись причиной ухудшения показателей качества электрической энергии (особенно на шинах 10 кВ).

На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. В случае распределенного питания все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается.

Существует требование [1], чтобы в случаях выхода из работы одного агрегата обеспечивались нормальные размеры движения. В первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты, а во вто- рой – сознательный отказ от резервирования оборудования подстанций по узлам и переход к резервированию подстанций целиком.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км.
1.2.2. Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц
На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, наибольшее распространение получила система электроснабжения напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц. Принципиальная схема питания электрифицированного участка показана на рис. 1.5.


Рис. 1.5. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги переменного тока напряжением в контактной сети 25 кВ, частотой 50 Гц

Питание тяговой сети осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный (тяговый) трансформатор. Он имеет три обмотки:

I – обмотка высокого напряжения 110 (220) кВ;

II – обмотка низкого (среднего) напряжения 27,5 кВ для питания контактной сети;

III – обмотка среднего (низкого) напряжения 35, 10 кВ для питания нетяговых потребителей.

К шинам 27,5 кВ подключены фидеры контактной сети. При этом фазы А и В питают разные плечи тяговой подстанции. Для разделения фаз на контактной сети устраивается нейтральная вставка. Фаза С подключается к рельсам.

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения переменного тока – электромагнитная связь тягового двигателя с контактной сетью – обеспечивается посредством трансформатора электровоза.

Достоинства системы:

установлены независимые режимы напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе при сохранении тягового двигателя постоянного тока;

повышено напряжение в контактной сети до 25 кВ переменного тока. Вследствие этого уменьшается ток нагрузки при одинаковой передаваемой мощности; уменьшаются потери напряжения и мощности;

увеличено расстояние между тяговыми подстанциями и уменьшено их число (в два – три раза);

уменьшен срок строительства и повышены темпы электрификации;

сокращен расход цветных металлов.

Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока:

несимметричный режим работы трехфазных трансформаторов (на двухплечевую нагрузку) и, как следствие, ухудшение показателей качества электрической энергии и значительное снижение их располагаемой мощности. Заметим, что под располагаемой мощностью трансформатора, работающего в несимметричном режиме, понимается мощность, соответствующая току прямой последовательности при такой нагрузке, когда ток в одной из фаз трансформатора принимает значение номинального;

несинусоидальность системы потребляемых токов и также ухудшение качества электрической энергии в питающей системе электроснабжения (в кривой потребляемого электровозами тока при установленной на них двухпульсовой выпрямительной установке содержатся негативные высшие гармоники 3, 5, 7… с большим численным значением);

низкий коэффициент мощности электровозов переменного тока. Коэффициент полезного действия системы электрической тяги в целом оценивается равным 26 %;

тяговая сеть переменного тока является источником электромагнитного влияния на смежные устройства, в том числе на линии связи, что определяет необходимость применения специальных мер, направленных на снижение электромагнитного влияния;

наличие при двухсторонней схеме питания тяговой сети переменного тока уравнительных токов, а следовательно, дополнительных больших потерь электрической энергии.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока с напряжением в тяговой сети 25 кВ, частотой 50 Гц, на 1 января 2005 г. составила 24,0 тыс. км.
1.2.3. Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока
Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы [1].

Рассмотрим принципиальные схемы питания при системах электрической тяги постоянного (рис. 1.6) и переменного (рис. 1.7) тока.

Обычно линия электропередачи частотой 50 Гц получает питание от энергосистемы и расположена вдоль железной дороги.

Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (ЭПС). Оно же является номинальным напряжением в контактной сети, напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10 % выше этого значения.

На рис. 1.6 и 1.7 обозначено: 1 – энергосистема; 2 – линия электропередачи; 3 – тяговые подстанции (с выпрямителями подстации постоянного тока и трансформаторные – переменного); 4 – контактная сеть; 5 – рельсы; 6 – электровоз.


Рис. 1.6. Принципиальная схема питания железной дороги постоянного тока



Рис. 1.7. Принципиальная схема питания железной дороги переменного тока
Электрифицированные железные дороги относятся к потребителям первой категории [2]. Для таких потребителей предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции – районной или тяговой. Поэтому схема питания тяговых подстанций от энергосистемы должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы быть причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции. Достичь этого можно путем выбора рациональной схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы.
1.2.4. Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям

электропередачи
Схема питания тяговых подстанций от ЛЭП показана на рис. 1.8.

Рис 1.8. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от двухцепной линии электропередач
В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и др. Во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двухстороннего питания тяговых подстанций (см. рис. 1.8). На рис. 1.8. обозначено: 1 – опорная тяговая подстанция (не менее трех вводов высоковольтных линий). Оснащается комплексом высоковольтных коммутационных аппаратов и устройств автоматической защиты от повреждений; 2 – промежуточная отпаячная подстанция. Высоковольтные выключатели не устанавливаются, за счет чего удешевляется система электроснабжения; 3 – промежуточная транзитная подстанция, обеспечивается секционирование высоковольтных линий для ремонта или отключения при повреждениях.

Обеспечение надежности системы электроснабжения достигается: использованием двухцепной линии высокого напряжения, обеспечением двухстороннего питания каждой сети ЛЭП, секционированием ЛЭП на транзитных подстанциях, наличием быстродействующей автоматической защиты на опорных, транзитных тяговых и районных подстанциях.

Обеспечение экономичности системы электроснабжения достигается сокращением высоковольтной аппаратуры (выключателей) за счет промежуточных подстанций, не имеющих таких выключателей. При повреждениях на этих подстанциях быстродействующей защитой отключаются линии на опорных подстанциях, а в бестоковую паузу – на промежуточных. Неповрежденные подстанции включаются системой автоматического повторного включения.

При питании от одноцепной линии передачи присоединение подстанций на отпайках не допускается. Все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой подстанции промежуточные линии передачи секционируются выключателем.
1.2.5. Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока

промышленной частоты
На дорогах однофазного переменного тока питание тяговой сети осуществляется от трехфазной линии передачи электрической энергии через трансформаторы, обмотки которых соединены в ту или иную схему.

На отечественных железных дорогах применяют в основном трехфазные трехобмоточные трансформаторы, включаемые по схеме «звезда – звезда – треугольник», типа ТДТНГЭ (трехфазный, масляный, с принудительным охлаждением – дутьем, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, грозоупорный, для электрической тяги) мощностью 20, 31,5 и 40,5 МВ∙А. Первичное напряжение – 110 или 220 кВ, вторичное на тягу – 27,5 кВ, для районных потребителей – 38,5 и 11 кВ.

Для питания только тяговой нагрузки применяют трехфазные двухобмоточные трансформаторы типа ТДГ и ТДНГ со схемой соединения обмоток «звезда – треугольник » (–11). Мощность указанных трансформаторов такая же, как и у трехобмоточных. Соединение тяговой обмотки «треугольником» позволяет получить более пологую внешнюю характеристику. Одну вершину «треугольника» присоединяют к рельсам, а две другие – к разным секциям контактной сети.

Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда – треугольник» показана на рис. 1.9.

При питании тяговой нагрузки от трех фаз секции тяговой сети слева и справа от подстанции должны питаться от разных фаз. Следовательно, они имеют напряжения, не совпадающие по фазе друг с другом.

Рис. 1.9. Схема питания тяговой сети однофазного переменного тока от трехфазного трансформатора с соединением обмоток «звезда – треугольник»
Токи в фазах можно получить непосредственно из уравнений Кирхгофа. Если в рассматриваемый момент времени слева от подстанции нагрузка л и справа п (см. рис. 1.9), то можно записать:

ac = ba+ л; (1.1)

ba = cb + п; (1.2)

cb = ac л п; (1.3)

ac + ba + cb = 0. (1.4)
Из уравнения (1.4) следует:

ba = – ac cb. (1.5)
Выражение (1.5) подставим в уравнение (1.1):

ac = – ac cb + л. (1.6)
Подставив формулу (1.3) в выражение (1.6), получим:

ac = – ac ac + л + п + л;

3ac = 2л + п;

ac = л + п. (1.7)

Подставив формулу (1.7) в выражение (1.3), получим:

cb = л + п л п;

cb= – лп . (1.8)

Подставив формулу (1.8) в выражение (1.2) получим:

cb= – лп + п;

ba = –л + п . (1.9)

Ток в фазах вторичного «треугольника» и соответственно в фазах первичной обмотки также можно найти, построив векторную диаграмму.

Для построения векторной диаграммы принимается, что токи фидерных зон л и п, под которыми подразумеваются суммарные токи фидеров, отходящие от подстанции соответственно влево и вправо, распределяются между вторичными обмотками трансформатора. Иными словами – нужно определить долю участия вторичной обмотки трансформатора в питании обеих фидерных зон.

При соединении обмоток трансформатора по схеме и отсутствии токов нулевой последовательности в замкнутом контуре «треугольника» каждую фазу можно рассматривать независимо от другой, т. е. как однофазный трансформатор. В этом случае распределение нагрузок на вторичной стороне между фазами определяется только соотношением значений сопротивления обмоток. Левая фидерная зона с током л питается от напряжения Uac. Это напряжение генерируется как в обмотках «ах», так и в обмотках «bу» и «cz». Сопротивление обмоток «ах» в два раза меньше сопротивления двух других обмоток, соединенных последовательно. Следовательно, ток л разделяется между этими генерирующими напряжение ac обмотками в соотношении 2:1. Аналогичным образом делится ток п.

Построим векторную диаграмму для определения токов фаз трехфазного трансформатора (рис. 1.10).



Рис. 1.10. Векторная диаграмма для определения токов фаз трехфазного трансформатора
Изобразим на диаграмме векторы напряжений и токов Iл, Iп. Ток в обмотках «ах», исходя из изложенного, должен равняться сумме л и п. Отложив на векторе Iл величину, равную его длины, на векторе Iп его длины, найдем ac как сумму этих частей. Ток в фазе А «звезды» первичной обмотки (если принять коэффициент трансформации равным единице, а ток холостого хода равным нулю) будет равен току a.

Аналогично ток в обмотке «cz» складывается из п и –л. Сложив их, получим ток c. Соответственно c = C.

Нагрузка в обмотке «by» составляется из суммы –л и п. Сложив векторы, получим нагрузку третьей наименее нагруженной фазы b = В. Заметим, что наименее нагруженной фазой является та фаза «треугольника», которая непосредственно не соединена с рельсами.

На диаграмме рис. 1.10 показаны углы сдвига фаз А, В, С между током IА, IВ, IС и напряжением UА, UВ, UС. Заметим, чтоА > Л, а С < П, т. е. углы сдвига А и С для двух наиболее загруженных фаз оказываются разными (даже для Л = П). У «опережающей» (по ходу вращения векторов) С угол меньше, чем у «отстающей» фазы А. Это существенно влияет на потери напряжения в трансформаторе.

Для обеспечения равномерной загрузки фаз ЛЭП осуществляется их чередование при подключении к тяговым подстанциям.
1.2.6. Схемы подключения группы тяговых подстанций к линии электропередач
Требования к схеме подключения предъявляются следующие

обеспечение возможности параллельной работы на контактную сеть смежных тяговых подстанций;

создание равномерной загрузки линии электропередачи.

Если питание ЛЭП одностороннее, то цикл из трех подстанций с разным чередованием фаз обеспечивает их равномерную нагрузку на участке между источником электрической энергии и первой подстанцией (рис.1.11). Генераторы электрической станции будут работать в нормальном режиме симметричной нагрузки. Потери мощности напряжения ЛЭП уменьшаются из-за уменьшения неравномерности нагрузки.

Рассмотрим схемы подключения тяговых подстанций к ЛЭП (см. рис. 1.11).

Подстанция № 1. В данном случае зажим трансформатора «Ат» присоединяется к фазе А, а два других – «Вт» и «Ст» – к фазам В и С соответственно. При таком подключении подстанция обозначается I типа. Построим векторную диаграмму для этой подстанции (рис. 1.12).

Отстающая фаза ас > а. Следовательно, ток Iас сдвинут током Ib соседнего плеча в сторону отставания. Потребление реактивной мощности увеличивается (по отстающей фазе), что приводит к уменьшению напряжения в ней.

Опережающая фаза cb < b. Следовательно, ток I a сдвигает вектор тока I cb в сторону опережения. Потребление реактивной мощности снижается, напряжение увеличивается.

Из сказанного следует, что из трех фаз менее нагружена одна – средняя – В.

Подстанция № 2. Зажим трансформатора «Вт» будет присоединен не к одноименной фазе, а к фазе С, которая и будет фактической фазой. Все фидерные зоны получат питание от точек «а» и «b», но в выборе фазы для питания мы уже не свободны после того, как выбрали схему питания от первой тяговой подстанции.

Построим векторную диаграмму (рис. 1.13). У второй подстанции изменилась последовательность фаз. Если у первой подстанции она была АВС (подстанция I типа), то у второй стала АСВ (подстанция II типа). Теперь менее загруженной фазой будет фаза С.

Подстанция № 3. Питание третьей зоны от подстанции № 2 возможно только от точки «b» (см. рис. 1.11). От подстанции № 3 питание этой зоны также должно быть от точки «b». Следовательно, все нечетные зоны будут получать питание от точек «b» и все четные – от точек «а».

Построим векторную диаграмму (рис. 1.14). Напряжение между контактными проводами и рельсами будет положительным на четных участках, а на нечетных – отрицательным, т. е. либо совпадающим по фазе с напряжением одной из фаз ЛЭП, либо противоположным ему. Для подстанции № 3 менее загруженной фазой оказывается фаза А. Последовательность фаз будет САВ (подстанция III типа).





Рис. 1.12. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 1



Рис. 1.13. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 2



Рис. 1.14. Векторная диаграмма напряжений и токов для подстанции № 3
Порядок чередования наименее загруженных фаз ЛЭП будет определяться количеством подстанций на участке и схемой питания тяговой сети.

При двухстороннем питании ЛЭП используются циклы, кратные трем (рис. 1.15).


Рис. 1.15. Подключение к ЛЭП тяговых подстанций разных типов

при двухстороннем питании
К сожалению, подключение группы тяговых подстанций к линии электропередачи с использованием чередования фаз не решает всей проблемы несимметрии тока и напряжения. Эти вопросы будут рассмотрены особо.

1.2.7. Трехпроводная система тягового электроснабжения

переменного тока
Указанная система является разновидностью системы электроснабжения переменного тока промышленной частоты, поскольку локомотив в этом случае остается таким же. В качестве примера рассмотрим систему тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ частотой 50 Гц.

Схема питания электрифицированного участка железной дороги по системе тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ показана на рис. 1.16.


Рис.1.16. Схема питания электрифицированного участка железной дороги по системе тягового электроснабжения переменного тока 2 × 25 кВ:

1 – понизительные трансформаторы подстанции №1 и 2 (однофазные)

220/25 кВ; 2 – линейные автотрансформаторы 50/25 кВ мощностью 16 мВ∙А, устанавливаемые между подстанциями через 10 – 20 км; 3 – подключение рельсов в средней точке понизительного трансформатора и линейного автотрансформатора (ЛАТ); 4 – поток мощности при U = 50 кВ; 5 – при U = 25 кВ; 6 – электровоз
Расстояние между подстанциями составляет 60 – 80 км.

Достоинства системы можно назвать следующие:

за счет передачи мощности к ЛАТ при более высоком напряжении (50 кВ) в тяговой сети уменьшаются потери мощности и напряжения;

экранирующее действие питающего провода 50 кВ позволяет снизить влияние контактной сети на смежные линии.

Названные преимущества рассматриваемой системы определяют ее применение на железных дорогах с большой грузонапряженностью и высокоско-ростным пассажирским движением.

К недостаткам системы можно отнести

удорожание электрификации за счет установленной мощности ЛАТ;

усложнение обслуживания контактной сети;

сложность регулирования напряжения.

Впервые трехпроводная система тягового электроснабжения переменного тока была применена в Японии в 1971 г. В странах содружества в 1979 г. был смонтирован первый участок Вязьма – Орша Белорусской железной дороги.

В настоящее время по этой системе электрифицировано более 2 тыс. км на Московской, Горьковской и бывшей Байкало-Амурской железных дорогах.

Более подробно предоставленная система электроснабжения рассмотрена в работах [3,4].
1.2.8. Схемы питания контактной сети
В зависимости от количества питающих путей схемы питания контактной сети могут быть одно- и многопутные. При этом возможно использование как одностороннего, так и двухстороннего питания.

На однопутных участках получили распространение схемы одностороннего раздельного, консольного и встречно-консольного питания. Используется также и двухстороннее питание.

На двухпутных участках – схемы раздельного, узлового, встречно-консольного, встречно-кольцевого и параллельного питания.

Выбор способа питания контактной сети связан с конкретными показателями ее работы – надежностью и экономичностью. Обеспечение надежности достигается секционированием контактной сети и автоматизацией сборки схем, экономичности – уменьшением потерь электрической энергии и равномерной нагрузкой контактной сети отдельных участков и путей.

Схемы питания контактной сети показаны на рис.1.17 и 1.18.

Однопутный участок (см. рис. 1.17). Контактная сеть делится на две секции (изолирующим сопряжением или нейтральной вставкой), и каждая секция питается от подстанции через свой питающий фидер. При повреждении какой-либо секции отключается только эта секция (рис. 1.17,а). При консольной схеме (рис. 1.17,б) участок питается от одной подстанции с одной стороны. При повреждении питание снимается со всего участка. При встречно-консольной схеме (рис. 1.17,в) участок питается от одной подстанции с одной стороны. На каждом участке – свой питающий фидер. В случае отключения одной из подстанций участок оказывается без питания.

Рис.1.17. Схемы питания контактной сети однопутного участка
Двухпутный участок (см. рис. 1.18). Раздельная схема питания (рис. 1.18,а) обеспечивает питание каждого пути независимо друг от друга. В связи с этим уменьшается общее сечение контактной подвески, что приводит к увеличению потерь электрической энергии. В то же время надежность данной схемы питания выше по сравнению с другими схемами. Узловая схема питания (рис. 1.18,б) выполняется с помощью постов секционирования. В этом случае потери электрической энергии уменьшаются за счет возможного увеличения сечения контактной подвески. При повреждении контактной сети исключается из работы не вся межподстанционная зона, а лишь поврежденный участок между подстанцией и постом секционирования.



Рис.1.18. Схемы питания контактной сети двухпутного участка

Консольная схема (рис.1.18,в) обеспечивает питание каждого пути отдельно от разных подстанций. Недостатки здесь те же, что и в аналогичной схеме однопутного участка. Встречно-консольная схема (рис.1.18,г) дает возможность разделить межподстанционную зону на участки, которые электрически между собой не связаны. Каждый путь питается своим фидером. При отключении фидера участок оказывается без напряжения. Увеличиваются потери электрической энергии. Встречно-кольцевая схема (рис.1.18,д) позволяет питать участки по кольцу от двух подстанций, что снижает потери электрической энергии и повышает надежность. Параллельная схема (рис.1.18,е) питания получила наибольшее распространение. При такой схеме контактная сеть питается от двух подстанций с двух сторон. Поскольку контактная подвеска обоих путей электрически связана между собой, ее сечение увеличивается, что приводит к снижению потерь электрической энергии. Вместе с тем параллельная схема питания отличается высокой надежностью по сравнению с другими схемами.

На отечественных железных дорогах схема параллельного питания принята как основная.


    1. ^ Стыкование участков с различным напряжением в тяговой сети

или с различными системами тока
Для стыкования участков с различным напряжением и разным родом тока возможно

использование автономного локомотива (тепловоза);

применение электровоза с двумя системами тока (электровоз двойного питания);

снабжение электрической энергией электровозов разных систем тока посредством подвески двух контактных проводов для каждого приемоотправочного пути стыковой станции (один провод над осью пути, а другой – сбоку, в междупутье);

сооружение станций стыкования с секциями, переключаемыми на разное напряжение.

На отечественных железных дорогах, как правило, используются станции стыкования. При этом способе контактная сеть приемоотправочных путей грузовых и пассажирских поездов и соответствующих горловин делится на секции посредством секционных изоляторов. Каждую секцию при помощи двух разъединителей можно подключить к питающим линиям постоянного или переменного тока. Секция может быть также отключена от обеих систем и находиться без напряжения. Разъединители контактной сети блокируются с соответствующими стрелками и сигналами стыковой станции. С установкой стрелочного маршрута переключаются и разъединители.
^ 1.4. Зарубежные системы тягового электроснабжения
К числу основных систем электроснабжения электрических железных дорог зарубежных стран следует отнести системы электроснабжения постоянного тока напряжением 1,5 и 3 кВ; переменного тока напряжением 25 и 50 кВ, частотой 50 и 60 Гц; переменного тока напряжением 11–15 кВ, частотой 16 2/3 и 25 Гц.

Система электроснабжения постоянного тока напряжением 1,5 кВ применяется в Германии, Франции, Англии, Голландии, Японии и в других странах, напряжением 3 кВ – в Польше, Италии, Чехии, Словакии, Румынии, Болгарии и др. По системе постоянного тока напряжением 1,5 и 3 кВ электрифицировано около 100 тыс. км, или 47 % от общей протяженности электрических железных дорог.

Система электроснабжения переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50–60 Гц применяется в Англии, Венгрии, Румынии, Чехии, Словакии и других странах, а напряжением 50 кВ – в ЮАР, США, Канаде. По системе переменного тока напряжением 25 и 50 кВ, частотой 50 и 60 Гц электрифицировано около 80 тыс. км, или 36 % от общей протяженности электрических железных дорог.

Система электроснабжения переменного тока напряжением 11–15 кВ, частотой 16 2/3 Гц применяется в Германии, Франции, Швеции, Австралии, Швейцарии и в других странах, а частотой 25 Гц – в США. По системе переменного тока напряжением 11–15 кВ, частотой 16 2/3 и 25 Гц электрифицировано около 34 тыс. км, или 16 % от общей протяженности электрических железных дорог.

Система электроснабжения переменного тока привлекательна тем, что имеется возможность использования в качестве тягового двигателя коллекторного двигателя переменного тока, имеющего тяговые характеристики, близкие к характеристикам двигателей постоянного тока. Регулирование напряжения, подводимого к тяговому двигателю, осуществляется изменением коэффициента трансформации трансформатора, установленного на подвижном составе.

Достоинства такой системы по сравнению с системой постоянного тока такие же, как и у системы однофазного тока промышленной частоты:

возможность иметь более высокое напряжение в контактной сети;

увеличивается расстояние между тяговыми подстанциями (до 40 – 60 км) при одновременном уменьшении сечения проводов контактной подвески.

Однако этой системе присущи следующие недостатки:

низкий коэффициент мощности коллекторного электродвигателя (0,80 – 0,88), а при трогании с места – (0,3 – 0,4);

значительное влияние тягового сети на смежные устройства;

трудности питания электрической энергией нетяговых потребителей;

сложность применения рекуперативного торможения.

Остальные железные дороги электрифицированы по другим системам (около 1%).

В настоящее время электрические железные дороги имеются на всех континентах. При общей протяженности железных дорог в мире почти 1,5 млн км электрифицировано примерно 220 тыс. км, т. е. 13 %.

Все данные приведены без учета электрических железных дорог России и других стран СНГ.

Более подробно с этим материалом можно ознакомиться в работах [5,6].
^ 1.5. Системы электроснабжения метрополитена и других видов

электрического транспорта
В транспортном комплексе крупных городов основным звеном, решающим проблему массовых пассажирских перевозок, является метрополитен. Городской подземный транспорт – метрополитен – появился в 1890 г. в Лондоне, а затем – в Париже, Берлине, Гамбурге, Нью-Йорке и других крупных городах.

В России первый метрополитен построен в Москве и сдан в эксплуатацию в 1935 г. В настоящее время метрополитен имеется в Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Самаре, Казани, Екатеринбурге, Новосибирске. Строится метрополитен и в Омске.
1.5.1. Система электроснабжения метрополитена
Основными потребителями электрической энергии в метрополитене являются электропоезда, эскалаторы для спуска и подъема пассажиров на станции; осветительные устройства; оборудование, обеспечивающее функционирование станции, ремонтные работы, организацию движении поездов и др.

Электропотребление в течение суток по метрополитену неравномерно: имеются два периода с наибольшей суммарной нагрузкой, совпадающие с часами самого интенсивного движения поездов (утренние и вечерние часы «пик»). На это же время приходится наибольшая нагрузка от электропривода эскалаторов. Режимы других потребителей в течение суток также изменяются, но без непосредственного совпадения наибольших нагрузок с цикличностью графика движения поездов.

Электроснабжение потребителей метрополитена осуществляется от энергосистемы города трехфазным переменным током напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц. Электроприемники метрополитена в соответствии с правилами устройства электроустановок [2] относятся к первой категории потребителей. Их электроснабжение осуществляется от двух независимых источников питания. Для повышения на­дежности электропитания подстанции метрополитена подклю­чены непосредственно к генерирующим источникам и основным (районным) подстанциям энергосистемы — линиями 6 или 10 кВ без захода к другим потребителям города. Независимыми источ­никами энергосистемы являются две раздельно действующие и питающиеся от отдельных источников секции шин распредели­тельного устройства (РУ) напряжением 6 или 10 кВ одной и той же электростанции или районной подстанции.

Одним из условий нормальной работы потребителей метропо­литена является стабильный уровень напряжения в электроснабжающей сети. Нормами допускаются отклонения напряжения в системе 6 – 10 кВ в пределах ± 5%.

Система питания тяговой сети может быть централизованной (сосредоточенной) или децентрализованной (распределенной). При централизованной системе питания применяют наземные тяговые подстанции и наземные или подземные понизительные подстанции (подстанции, от которых питаются нетяговые потребители). Питающие линии (вводы) напряжением 6 – 10 кВ от источника энергосистемы подводят к наземной тяговой подстанции, от которой электроэнергия поступает на понизительные подстанции. Таким образом, тяговые подстанции являются опор­ными распределительными пунктами электроснабжения метро­политена.

Для децентрализованной системы характерны совмещенные тяговопонизительные подстанции, которые чаще всего распола­гают под землей, вблизи от пассажирских станций, приближая источники питания к потребителям электроэнергии.

В системе метрополитена принято (с экономической точки зрения) централизо­ванное питание – для линий глубокого заложения и открытых участ­ков, а децентрализованное – для линий мелкого заложения. Расстояние между наземными тяговыми подстанциями при централизованной системе питания 3,0 – 3,5 км.

По условиям противопожарной без­опасности на подземных подстанциях устанавливается оборудование без масляного заполнения.

На тяговых подстанциях осуществляется преобразование трехфазного переменного тока напряжением 6 – 10 кВ, получаемого от энергосистемы города, в постоянный ток номинальным напряжением на шинах тяговой подстанции 825 В и на токоприемнике (в контактной сети) – 750 В.

Понизительные подстанции классифицируют по их местоположению на трассе – основные (у станций), вестибюльные (возле машинных залов эскалаторов), тоннельные (на перегоне) и деповские (при депо). На понизительных подстанциях трехфазный переменный ток напряжением 6 – 10 кВ, получаемый от тяговых подстанций, трансформируется в трехфазный переменный ток напряжением 400 и 230/133 В для питания силовых и осветительных нагрузок, устройств СЦБ.

В качестве примера на рис. 1.19 приведена принципиальная схема первичного электроснабжения метрополитена. Более подробно с системой электроснабжения метрополитена можно ознакомиться в работе [8].

Другим наиболее распространенным видом электрического транспорта является наземный транспорт.


Рис.1.19. Принципиальная схема электроснабжения двух тяговых

подстанций метрополитена: а – питание по четырем радиальным линиям;

б – питание по линиям и перемычке
1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транспорта
К числу наземного электрического транспорта относят трамваи и троллейбусы, которые используются в основном как городские транспортные средства. Для питания этого вида транспорта системы электроснабжения могут быть централизованными и распределенными.

Централизованная система электроснабжения – это система, в которой каждая тяговая подстанция питает протяженный район контактной сети по многим кабелям, децентрализованная – система, как правило, с двумя плюсовыми и двумя минусовыми кабелями, выводимыми на контактную сеть, каждая секция которой питается с двух сторон от двух тяговых подстанций.

Питание тяговых подстанций производится по кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ, присоединяемым к распределительному устройству высшего напряжения. Современные тяговые подстанции служат для преобразования трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц в постоянный. Для городского электрического наземного транспорта принято напряжение постоянного тока: на шинах тяговой подстанции – 600 В, на токоприемнике трамвая и троллейбуса – 550. Структурная схема тяговой подстанции приведена на рис. 1.20.


Рис. 1.20. Структурная схема тяговой подстанции и тяговой сети

электрического транспорта

Классификация тяговых подстанций может быть проведена по нескольким показателям: по назначению подстанции бывают трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные; наибольшее распространение в практике получили наземные подстанции. Для централизованного электроснабжения трамвая и троллейбуса их строят трехагрегатными, а децентрализованного – одно и двухагрегатными. Подробно с системой электроснабжения трамвая и троллейбуса можно ознакомиться по источнику [9]. В последнее время все большее распространение получает новый вид электрического транспорта – монорельсовый транспорт.
1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта
Монорельсовый транспорт – вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке – монорельсу, установленному на опорах или эстакаде на некотором расстоянии над землей.

В настоящее время широкое распространение получили две системы монорельсового транспорта: с колесным опиранием и магнитным подвесом.

^ Монорельсовый транспорт с колесным опиранием эксплуатируется во всех развитых странах, обеспечивая перевозки пассажиров по городским линиям. В 2004 г. в Москве пущена в опытную эксплуатацию Московская монорельсовая дорога (ММД) длиной 5 км в районе телецентра Останкино между Всероссийским выставочным центром (ВВЦ) и станцией метро «Тимиря-зевская».

Поезд ММД состоит из шести вагонов вместимостью 24 человека каждый. Московская монорельсовая дорога устроена следующим образом
(рис. 1.21): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на эстакаду 4 при помощи опорных катков 5. Катки 6 и 7 обеспечивают вертикальную и горизонтальную стабилизацию экипажа. Передвижение осуществляется за счет линейного асинхронного двигателя 8, обмотки которого расположены на тележке и взаимодействуют с реактивной шиной 9, закрепленной на эстакаде.

В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 10, взаимодействующих с токопроводами 11, закрепленными посредством кронштейнов 12 на эстакаде.

Отличием данной схемы от классической является то, что в качестве движителя используются не колеса, а электрический линейный привод, обеспечивающий эффективную тягу и заданные ускорения вне зависимости от коэффициента трения качения колеса по балке.

Рис. 1.21. Схема расположения подвижного состава ММД на эстакаде
Для монорельсовых транспортных систем характерны скорости движения до 60 км/ч, в отдельных случаях на скоростных трассах  до 100 км/ч. Потребляемый ток может составлять 200  250 А на один токоприемник при напряжении 500  600 В постоянного и 380  500 В переменного тока.

Система электроснабжения такого транспорта аналогична системам электроснабжения метрополитена и городского электрического транспорта.

^ Электромагнитный монорельсовый транспорт. Принципиальной отличительной особенностью монорельсового транспорта с подвижным составом на электромагнитном подвесе (ЭМТ) является отсутствие традиционного для наземного транспорта колеса, выполняющего функцию опоры, направления и тягового усилия за счет сцепления с путевым полотном. В новом виде транспорта эти функции выполняет магнитное поле, что дает ряд несомненных преимуществ, особенно в части снижения уровня вибрации и шума и устранения сопротивления движению.
Классификация систем электромагнитного рельсового транспорта приведена на рис.1.22.



Рис. 1.22. Структурная схема ЭМТ
Система электроснабжения ЭМТ зависит от того, где размещены обмотки линейного двигателя – в пути или на экипаже [10]. В первом случае эта система носит название «длинный статор» и не требует специальных устройств для передачи электроэнергии на экипаж. Такая схема реализована в системах Transrapid (Германия), ML (Япония) и др. К недостаткам данной системы можно отнести высокую стоимость и сложность управления движением.

Если обмотка двигателя размещена на экипаже, то такая система называется «короткий статор». Она реализована в системах HSST (Япония) и ТЭМП (Россия), имеющих гораздо более низкую стоимость, но требующих применения устройств токосъема.

В России работы по созданию ЭМТ были начаты в середине 70-х гг. В настоящее время головной организацией в этой отрасли является инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва), в состав которого входят экспериментальный комплекс и испытательная трасса в г. Раменское, где ведутся работы по созданию отечественных систем монорельсового подвижного состава с электромагнитным подвесом.

Условия работы контактной системы ЭМТ обусловлены особенностями конструкции экипажа и характером расположения его на эстакаде (рис. 1.23).


Рис. 1.23. Особенности системы токосъема ЭМТ
Кузов вагона ЭМТ установлен на тележке 1, охватывающей Т-образную эстакаду, на которой размещены опорные рельсы 3. На тележке смонтированы посадочные упоры 4, элементы подрессоривания 5 кузова 6, активная часть линейного электродвигателя 7, взаимодействующая с реактивной шиной 8, закрепленной на эстакаде 2. С феррорельсами 9 взаимодействуют электромагниты 10, обеспечивающие подвес экипажа.

В нижней части узла крепления электромагнитов закреплены токоприемники 11, контактные элементы 12 которых обеспечивают токосъем с нижней поверхности контактного рельса, закрепленного на эстакаде с помощью изоляторов. Напряжение – 1500 В, род тока – постоянный.

Данная схема была принята за основу при создании первой отечественной линии ЭМТ Москва – Шереметьево-2.
^ Система электроснабжения электромагнитного монорельсового транспорта с линейным асинхронным двигателем. При скорости движения свыше 300 км/ч мощность линейного двигателя, необходимая для преодоления сопротивления движению, оценивается в несколько мегаватт, поэтому к устройствам передачи электроэнергии на борт экипажа предъявляются высокие требования. Наиболее целесообразным в этом случае является применение контактного токосъема с использованием токоприемников и жесткой контакт- ной сети.

Максимальное тяговое усилие, развиваемое ЛАД, реализуется при от­носительно низком напряжении на статорной обмотке. Вслед­ствие этого передача энергии к двигателям поезда должна осу­ществляться при относительно низком напряжении (до 4000 В) и большом токе (до 8 кА). Пункты питания с преобразователями при этом необходимо располагать очень часто — менее чем через 0,1 км, что практически неосуществимо. Организация систем элект­роснабжения по такой системе весьма затруднительна из-за боль­ших потерь напряжения в сети. Для увеличения протяженности зон питания необходимо использовать усиливающие линии, но они дают незначительный эффект при технически возможных сечениях проводов фаз. В этих условиях целесообразно передавать энер­гию по продольной питающей линии (ППЛ) более высоким напряжением, а контактной сети оставить в основном функцию токо­съема. Связь между продольной питающей .линией и контактной сетью осуществить посредством согласующих трансформаторов. Конфигурации системы электроснабжения получаются сущест­венно различными в зависимости от того, где расположены пре­образователи в системе передачи электроэнергии от энергосистемы до поезда.

На рис.1.24 представлены варианты систем электроснабже­ния с тяговой сетью трехфазного переменного и постоянного тока.

На рис. 1.24,а преобразователи (ПН и ПЧ) расположены на тяговой подстанции.

Через продольную питающую линию и согласующие трансформаторы (СТ) в контактную сеть энергия передается трехфазным переменным током с изменяющимися напряжением и частотой. При этом уровень номинального напряжения в продоль­ной питающей линии может быть выбран достаточно высоким для уменьшения сечения проводов фаз.


а



б



в

Рис.1.24. Схемы тягового электроснабжения ВСНТ с ЭМП и ЛАД:

а – система трехфазного переменного тока в контактной сети

с преобразователями на тяговых подстанциях; Тр1 – трансформатор

подстанции; ПЧ, ПН – преобразователи напряжения и частоты;

ППЛ – продольная питающая линия; Тр2 (СТ) – согласующий трансформатор питающего пункта; к. с. – контактная сеть; б – система трехфазного

пе­ременного тока в контактной сети с преобразователями на питающих пунктах; в – систе­ма постоянного тока в контактной сети с «разнесенными»

преобразователями

В целях уменьшения индуктивного сопротивления питающей линии и соответственно падения напряжения в ней можно переда­вать энергию при постоянной частоте 50 Гц. Для этого преобразо­ватели ПН и ПЧ устанавливаются последовательно с согласую­щим трансформатором (рис.1.24,б) между продольной питаю­щей линией и контактной сетью в так называемых питающих пунктах.

Подстанции конструктивно упрощаются, на них остаются толь­ко силовые трансформаторы. Зоны питания продольной питающей линии в этом варианте могут быть более протяженными, чем в предыдущем. Однако в этом случае увеличивается число преобразователей.

Каждый из указанных вариантов систем имеет свои преиму­щества и недостатки. Выбор целесообразного варианта может быть осуществлен после технико-экономической оценки каждого, сравнения результатов и выбора наиболее экономичного по затратам.
^ 1.6. Электроснабжение нетяговых потребителей
Основной особенностью электрификации железных дорог России является то, что системам электроснабжения, создаваемым для питания железных дорог, определяются и функции системы, питающей районные потребители. В этом есть одно из достоинств системы тягового электроснабжения.

Питание районных потребителей осуществляется либо специальными линиями электропередачи 10 – 35 кВ непосредственно от тяговой подстанции, либо от ЛЭП продольного электроснабжения, т. е. от линии передачи, подвешенной на опорах контактной сети, также получающей питание от тяговой подстанции. Такая система позволяет закрыть мелкие электрические станции, выработка энергии на которых всегда сопряжена со значительными расходами.

При электрификации на постоянном токе, где расстояние между подстанциями небольшое, принимают напряжение в продольной ЛЭП 10 кВ. На этих подстанциях при двойной трансформации используется вторичное напряжение тех же трансформаторов, от которых получают питание и преобразовательные агрегаты. В тех случаях, когда для района желательно иметь и 35, и 10 кВ, в качестве понижающих применяются трехобмоточные трансформаторы. Третья обмотка в этом случае имеет напряжение 35 кВ и обеспечивает питание нетяговых потребителей.

При электрификации на однофазном токе продольная линия электропередачи имеет напряжение 25 кВ (рис. 1.25). Она обслуживает электропотребителей, расположенных в полосе до 30 – 50 км от железной дороги. Осуществляется такая линия передачи на дорогах однофазного тока путем подвески двух дополнительных (к контактной подвеске) проводов на опорах контактной сети и с использованием рельсов как третьего провода трехфазной сети (см. рис. 1.25), такую линию принято называть линией ДПР (два провода – рельсы).

Линия ДПР получает питание с одной стороны консольно во избежание перетоков энергии по этой относительно маломощной линии или из-за того, что смежные подстанции на вторичной стороне имеют разные фазы.


Рис. 1.25. Схема питания нетяговых потребителей по линии ДПР

(два провода – рельс): 1 – тяговый трансформатор; 2 – понизительный

трансформатор потребителя; 3 – линия питания нетяговых потребителей; 4 – контактная сеть; 5 – рельсы
Отбор мощности от таких линий передачи осуществляется обычно при помощи комплектных трансформаторных подстанций. При мощных потребителях напряжение этой линии может быть увеличено до 35 кВ (рис. 1.26).


Рис. 1.26. Схема питания нетяговых потребителей от трёхфазной ЛЭП

35 кВ: 1 – тяговый трансформатор; 2 – понизительный трансформатор

потребителя; 3 – линия питания нетяговых потребителей;

4 – контактная сеть; 5 – рельсы.

Библиографический список
1. Марквардт К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквардт. М.: Транспорт, 1982. 528 с.

2. Правила устройства электроустановок. СПб: ДЕАН, 2001. 928 с.

3. Система тягового электроснабжения 2 × 25 кВ / Б. М. Бородулин, М. И. Векслер и др. М.: Транспорт, 1989. 217 с.

4. Дарчиев С. Х. Устройства электроснабжения Байкало-Амурской магистрали / С. Х. Дарчиев, Б. И. Косарев, Э. Я. Морщ. М.: Транспорт, 1982. 175 с.

5. Электрические железные дороги / В. А. Кисляков, А. В. Плакс и др. М.: Транспорт, 1993. 279 с.

6. Котельников А. В. Электрификация железных дорог / А. В. Котельников // Аналитический обзор. М.: Транспорт, 2002. 104 с.

7. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: Изд-во стандартов, 1998. 31 с.

8. Быков Е. И. Электроснабжение метрополитенов. Устройство, эксплуатация, проектирование / Е. И. Быков. М.: Транспорт, 1997. 431 с.

9. Загайнов Н. А. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса / Н. А. Загайнов, Б.С. Финкельштейн, Л. Л. Кривов. М.: Транспорт, 1988. 328 с.

10. Высокоскоростной наземный транспорт с линейным приводом и магнитным подвесом / В. И. Бочаров, В. А. Винокуров, и др. М.: Транспорт, 1985. 279 с.

Учебное издание
МАСЛОВ Геннадий Петрович, МАГАЙ Герман Самсонович,

СИДОРОВ Олег Алексеевич

^ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Конспект лекций
Часть 1

_______________________
Редактор Н. А. Майорова
***
Подписано в печать . 04. 2006. Формат 60 × 84 1/16.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,0;

Уч.-изд. л. 3,4. Тираж 150 экз. Заказ .

**
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35





Скачать файл (3716 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации