Преимущества и недостатки системы тяги переменного тока напряжением 25 кВ.

К достоинствам системы электрической тяги следует отнести:

1) сокращение использования меди на сооружение контактной сети примерно в 2–3 раза по сравнению с системой тяги постоянного тока, сечение в среднем составляет 120–130 мм²;

2) уменьшение потерь напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения (доля потерь составляет до 5 % от номинального уровня);

3) отсутствие электрокоррозии на подземных коммуникациях, что освобождает от применения мер по их защите;

4) простоту подстанции (ТП) по наличию силового электрооборудования, по сравнению с ТП на постоянном токе;

5) расстояние между тяговыми подстанциями в среднем 40–60 км.

Недостатки системы переменного тока 25 кВ промышленной частоты:

1) сильное электромагнитное влияние тяговой сети переменного тока на все низковольтные линии и металлические коммуникации, расположенные вблизи железных дорог;

2) низкий коэффициент мощности, определяемый большим реактивным электропотреблением;

3) искажение форм кривых тока и напряжения, обусловленное применением преобразователей на электроподвижном составе, приводящее к дополнительным потерям и вызывающее помехи в линиях связи, расположенных вблизи железных дорог;

4) несимметричное потребление энергии от отдельных фаз питающей системы;

5) низкая степень использования трансформаторов тяговых подстанций (всего на 68 % от их номинальных значений);

6) более низкие показатели надежности электроподвижного состава на переменном токе, чем на постоянном токе, это связано с дополнительной установкой силового оборудования (трансформатор, выпрямитель для двигателя постоянного тока) внутри локомотива.

Система тяги переменного тока напряжением 2×25 кВ.

Увеличение скорости сопровождается резким увеличением мощности, необходимой для тяги поездов. Кроме того, мощности на тягу возрастают
и по причине тенденции к увеличению весов поездов. В этом случае
рассмотренные выше системы не могут обеспечить требуемой нагрузочной мощности, поэтому встает вопрос о поисках путей решения этой проблемы.
Одним из таких направлений является система напряжением 2×25 кВ. Прототипом этой системы следует считать автотрансформаторную систему 11/44 кВ, которая стала использоваться в США с 1913 г. Ее отличие от описываемой заключается в другом соотношении напряжений между отдельными элементами тяговой сети. В системе 11/44 кВ напряжение в контактной сети 11 кВ, а между питающим проводом и контактной сетью – 44 кВ, в то время как у анализируемой системы соответствующие напряжения равны 25 и 50 кВ. Известно, что потери электроэнергии уменьшаются при увеличении уровня напряжения в ЛЭП в квадратичной зависимости [3].

Если одну и ту же мощность передавать, например, при вдвое большем напряжении, то потери электроэнергии уменьшатся в четыре раза. Поднять напряжение в контактной сети не позволяет действующий электроподвижной состав, рассчитанный на номинальное напряжение, равное 25 кВ. Однако если с полевой стороны опор контактной сети подвесить однофазную ЛЭП с номинальным напряжением, например 55 кВ, то можно посредством автотрансформаторов отбирать через определенные расстояния электроэнергию из этой линии и передавать ее в контактную сеть, преобразуя в энергию с уровнем напряжения 50 кВ в электроэнергию с уровнем напряжения в контактной сети 25 кВ. Более того, схема может быть упрощена посредством использования в качестве второго провода такой ЛЭП контактной подвески и заменой трансформаторов автотрансформаторами. Принцип действия такой системы тяги можно проанализировать по схеме (рис. 2.8).

На схеме приведен однопутный участок электрифицированной железной дороги с тремя ТП, расстояние между которыми достигает 100–125 км.
На каждой ТП установлено по два силовых трансформатора. Дополнительно система 2×25 кВ включает в себя автотрансформаторы, устанавливаемые на расстоянии 7–25 км, а также питающий провод напряжением 25 кВ.

Система 2×25 кВ широко применяется в Японии и Франции, имеющих электрифицированные линии 25 кВ. В России эта система применена на Московской, Красноярской, Горьковской, Восточно-Сибирской дорогах, а также в Белоруссии.

Питание КП осуществляется с помощью тяговых трансформаторов, установленных на тяговых подстанциях ТП, имеющих первичные обмотки, две одинаковые вторичные обмотки с номинальным напряжением 25 кВ. Эти обмотки соединяют последовательно, а их общая точка подключается к рельсам Р. Вывод одной вторичной обмотки подключается к проводам контактной сети КП, а другой обмотки – к питающему (дополнительному) проводу П, который подвешивается на опорах контактной сети. Таким образом, шины контактной сети и питающего провода находятся под напряжением 25 кВ по отношению к земле, а между ними напряжение равно 50 кВ.

Рис. 2.8. Схема участка железной дороги, электрифицированной по системе переменного тока 2×25 кВ: А, B, С – фазы питающей ЛЭП; КП – подвеска контактной сети; Р – рельс; П – питающий провод; АТ – автотрансформатор; ТП –тяговая подстанция

Автотрансформаторы имеют коэффициент трансформации, близкий к двум. Выводы подключают к проводам контактной сети и питающему проводу. Средняя точка автотрансформаторов присоединяется к рельсам.

В автотрансформаторной системе энергия к электровозам подается по цепи: от ТП по проводам контактной сети КП и питающему проводу П к автотрансформаторам АТ при номинальном напряжении 50 кВ. Автотранс­форматоры понижают это напряжение до 25 кВ и подают его в КП, от которой питаются электровозы. Таким образом, при движении поезда по участку автотрансформаторы по очереди принимают нагрузку электровоза, но ток его без трансформации течет по тяговой сети только до ближайших автотрансформаторов. На большем расстоянии (от подстанции до автотрансформаторов) ток в тяговой сети вдвое меньше, в результате чего уменьшаются потери напряжения и энергии во всей системе электроснабжения.

Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 2×25 кВ.

Тяговая подстанция является составной частью системы тягового электроснабжения переменного тока 2×25 кВ, с помощью которой реализуется система тяги 25 кВ. Поэтому, кроме самой схемы тяговой подстанции (рис. 2.9), рассмотрены и особенности ее присоединения к тяговой сети (рис. 2.10).

Рис. 2.9. Структурная схема тяговой подстанции системы переменного тока напряжением 2×25 кВ

Подстанции системы переменного тока 2×25 кВ также получают питание от ЛЭП 110(220)кв.

Основные функциональные узлы тяговой подстанции (рис. 2.9): РУ 110 (220) кВ; понижающие однофазные трансформаторы; ОРУ 2×27.5 кВ; районные трансформаторы; РУ 10(35) кВ для питания нетяговых и районных потребителей железной дороги и сторонних потребителей.

Снабжение электрической энергией нетяговых железнодорожных потребителей осуществляется от линий ДПР, напряжение на которые подается через фидеры ДПР, и рельсов, т. е. так же, как и при системе переменного тока напряжением 25кВ.

По вводам трехфазное напряжение 110(220) кВ подается в ОРУ 110(220) кВ. Двухфазными присоединениями к этому РУ подключены одинаковые по конструкции однофазные трансформаторы. Их первичные обмотки включены на междуфазное напряжение. Вторичная обмотка каждого трансформатора состоит из двух секций, напряжение каждой из них 27,5 кВ, при последовательном соединении между выводами а1-х2 напряжение составляет 55 кВ (см. рис. 2.5). При таком соединении секций три вывода на вторичной стороне присоединяют к тяговой сети следующим образом: средний вывод а2-х1 – к рельсовой цепи, крайний вывод а1 – к контактным подвескам путей, вывод х2 – к специальному питающему проводу, подвешенному на опорах контактной сети вдоль железно­дорож­ных путей. Напряжение в тяговой сети между контактным проводом и рельсами составляет 25 кВ, напряжение между контактным проводом и питающим проводом (фидером) – 50 кВ [1].

Рис. 2.10. Схема питания тяговой сети напряжением 2×25 кВ

Преимущества и недостатки системы тяги переменного тока напряжением 2×25 кВ.

Достоинствами существующей системы электроснабжения 2×25 кВ по сравнению с системой переменного тока 25 кВ являются:

1) применение стандартного типа ЭПС и обычного силового электрооборудования на тяговой подстанции;

2) увеличенное расстояние между подстанциями в 1,5–2,2 раза;

3) снижение суммарных потерь энергии в 1,7 – 1,9 раза при одних и тех же расстояниях между подстанциями системы 25 кВ;

4) относительно небольшое сечение контактной подвески 250 мм² (вместе с питающим проводом);

5) пониженное электромагнитное влияние на линии, находящиеся вблизи железных дорог.

К недостаткам этой системы можно отнести:

1) усложнение эксплуатации системы тягового электроснабжения из-за дополнительных элементов системы тягового электроснабжения;

2) значительное удорожание системы электроснабжения при наличии автотрансформаторов.