Производство и распределение электроэнергии. Электроснабжение электрических железных дорог

В настоящее время электрическая энергия вырабатывается на тепловых и гидравлических электростанциях. Для получения электроэнергии на электростанциях устанавливают агрегаты, состоящие из первичного двигателя и электрической машины — синхронного генератора переменного тока.

На тепловых электростанциях (ТЭС) первичным двигателем у генератора является паровая машина. Разновидностью тепловых электростанций являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и атомные электростанции (АЭС). Первые дают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию (горячая вода, пар), вторые характерны тем, что водяной пар для турбины вырабатывается не в обычных, а в атомных котлах — атомных реакторах.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) в качестве первичного двигателя используется водяная турбина. ГЭС являются наиболее экономичными и мощными электростанциями.

Для обеспечения большей надежности в снабжении потребителей электроэнергией электростанции, трансформаторные подстанции и линии электропередачи объединяются в энергосистемы. Передача электрической энергии в энергосистемах производится высоким напряжением. Это приводит к сокращению потерь электроэнергии в проводах и расхода металла на провода.

На электрических железных дорогах движение поездов осуществляется при помощи электрической энергии, передаваемой от стационарных электрических станций к подвижным устройствам — локомотивам (электровозам или моторвагонному подвижному составу). Совокупность устройств, обеспечивающих передачу электроэнергии от электростанций до локомотивов, составляет систему электроснабжения электрических железных дорог.

На принципиальной схеме, показанной на рис. 29, приведены основные устройства, входящие в систему электроснабжения электрических железных дорог.

Рис. 29. Принципиальная схема электроснабжения электрической железной дороги: 1 — районная электрическая станция, 2 — повысительная трансформаторная подстанция, 3 — трехфазные линии электропередачи, 4 — тяговая подстанция, 5 — питающая линия, 6 — отсасывающая линия. 7 — контактная сеть, 8 — рельсовая сеть, 9 — токоприемник, 10 — электроподвижной состав

От районной электрической станции 1 трехфазный переменный ток поступает на повысительную трансформаторную подстанцию 2. От нее по двум трехфазным линиям электропередачи 3 питается тяговая подстанция 4. Все устройства от электрической станции до тяговой подстанции представляют собой первичную (внешнюю) часть системы электроснабжения.

Электрические железные дороги являются потребителями, не допускающими перерыва в подаче электроэнергии. Поэтому тяговые подстанции для обеспечения более надежного электроснабжения, как правило, питаются от энергосистем по двум линиям электропередачи.

От тяговой подстанции электрическая энергия по электротяговой сети, включающей питающую 5 и отсасывающую 6 линии, контактную 7 и рельсовую 8 сети, передается к токоприемнику 9 электроподвижного состава (электровоз или моторвагонный подвижной состав) 10.

Контактная сеть (контактные подвески, опорные и поддерживающие устройства и др.) служат для непосредственной передачи электрической энергии через токоприемники движущемуся электроподвижному составу.

Питающие и отсасывающие линии, как правило, выполняются воздушными и соединяют тяговые подстанции с контактной и рельсовой сетями. Рельсовые сети являются вторым проводом в электротяговой сети.

В стыках рельсовых сетей для снижения электрического сопротивления устанавливают электрические соединения. Токи, протекающие по земле, называются блуждающими токами, а ответвляющиеся от рельсов в землю — токами утечки. Для уменьшения утечек токов в землю и блуждающих токов рельсы по возможности изолируют от земли посредством шпал.

На электрифицируемых железных дорогах Советского Союза приняты две системы электрической тяги.

Первая система — постоянного тока, при которой в контактной сети протекает постоянный ток напряжением 3 кв (3,3 кв на шинах тяговых подстанций). По этой системе до последних лет электрифицировались все линии железных дорог нашей страны.

Относительно невысокое напряжение в контактной сети является недостатком системы постоянного тока, так как при таком напряжении расстояние между тяговыми подстанциями составляет 20— 25 км и контактная сеть оказывается «тяжелой» — с большим количеством проводов (с двумя контактными проводами, медным несущим тросом и дополнительными усиливающими проводами).

В первые годы электрификации железных дорог применялась система постоянного тока напряжением 1,5 кв. В настоящее время эти участки переведены на напряжение 3 кв и лишь на железных дорогах промышленного транспорта сохранилось напряжение 1,5 кв.

Вторая система — переменного тока, при которой в контактной сети протекает однофазный переменный ток промышленной частоты (50 гц) напряжением 25 кв (27,5 кв на шинах тяговых подстанций). Эта система в настоящее время является основной.

Главным ее преимуществом перед системой постоянного тока является возможность применения более высокого напряжения и в результате возможность увеличения расстояния между тяговыми подстанциями до 50 км. Контактная сеть получается более «легкой»; общее ее сечение уменьшается в 2—3 раза по сравнению с системой постоянного тока. Из-за сложности создания двигателей переменного тока промышленной частоты при этой системе также используют двигатели постоянного тока, но на электровозах и моторвагонном подвижном составе устанавливают устройства, снижающие напряжение и преобразующие переменный ток в постоянный.

При электрификации железных дорог от системы энергоснабжения получают питание как электрическая тяга, так и нетяговые железнодорожные потребители и потребители прилегающих районов. Поэтому при системе постоянного тока на опорах контактной сети подвешивают провода трехфазной воздушной линии 6—10 кв, или сокращенно ВЛ 6—10 кв. При системе переменного тока подвешивают два провода, которые питаются непосредственно от шин тяговой подстанции напряжением 27,5 кв.

Третьей фазой в этом случае являются рельсы. Такую схему питания потребителей принято называть ДПР (два провода и рельсы). Районные потребители считается рациональным питать от системы электроснабжения тяги, если они расположены вдоль железной дороги в пределах 10—15 км, а в отдельных случаях и до 50 км в сторону от нее.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Шемякин А. Н., Прудыус А. С. и др.

Источник: Публикации представляет собой компиляцию из открытых источников, описывающих принципы работы ранних систем беспроводной связи (DECT, PACS, PHS). Устройство, монтаж и эксплуатация контактной сети и высоковольтных линий электропередачи

Публикации предназначены для подготовки и повышения квалификации специалистов, обслуживающих электроснабжение железных дорог, студентов и начинающих специалистов в области телекоммуникаций, радиотехники и электроники.