Сооружения и устройства электроснабжения

Железнодорожный транспорт потребляет более 7% энергии, вырабатываемой в стране. В основном её расходуют на тягу поездов и частично на питание нетяговых потребителей (депо, станций, мастерских и т.д.).

Согласно ПТЭ устройства электроснабжения железных дорог должны обеспечивать: бесперебойное движение поездов с установленными нормами массы, скоростями и интервалами между поездами при требуемых размерах движения; надежное электропитание устройств СЦБ и связи, вычислительной техники; надежное электроснабжение всех потребителей ж.д. транспорта.

В систему электроснабжения электрифицированных дорог входят устройства, составляющие её внешнюю часть (электростанции, районные трансформаторные подстанции, сети и линии электропередачи) и тяговую часть (тяговые подстанции и электротяговая сеть) (рис. 1.1).

Крупные электростанции вырабатывают электроэнергию трехфазного переменного тока напряжением 6-21 кВ. Для передачи электроэнергии в энергосистемы это напряжение на подстанциях повышают до 25-750 кВ в зависимости от длины линии электропередачи. Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение на трансформаторных подстанциях понижают до 110-220 кВ и ток подают в районные сети высокого напряжения.

Рис. 1.1 Схема электроснабжения электрических железных дорог:

1 – линия электропередач; 2 – тяговая подстанция;

3, 4 – питающие линии; 5 – отсасывающая линия,

6 – рельсы; 7 – локомотив

Железные дороги могут быть электрифицированы по системе постоянного или переменного тока. Однако на электроподвижном составе (ЭПС) в обоих случаях используются тяговые двигатели постоянного тока (однофазный переменный ток непосредственно на локомотивах преобразуется в постоянный ток). Установлен номинальный уровень напряжения на токоприемниках ЭПС: 3кВ при постоянном и 25 кВ при переменном токе.

Основными параметрами системы электроснабжения электрифицированных железных дорог являются мощности тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески.

Тяговые подстанции на электрифицированных дорогах постоянного тока выполняют две основные функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный ток. Для этой цели используют трансформаторы, размещаемые на открытых площадках тяговых подстанций; выпрямители и другое оборудование, которые размещаются в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергию по питающим линиям подают в контактную сеть. Относительно низкое напряжение (3 кВ) является основным недостатком системы постоянного тока, вследствие чего по контактной сети к ЭПС подводится мощность (равна произведению напряжения на ток) с большим тяговым током. Для поддержания нужного уровня напряжения на токоприемниках локомотивов тяговые подстанции размещают близко друг от друга (10-20 км), а для передачи больших токов приходится увеличивать площадь сечения проводов контактной подвески.

Переменный ток дает возможность значительно повысить технико-экономические показатели электрической тяги благодаря тому, что по контактной сети передается мощность при меньших токах по сравнению с системой постоянной тока. Тяговые подстанции в этом случае размещают на расстоянии 40-60 км друг от друга. Их устройство и обслуживание значительно проще и дешевле тяговых подстанций постоянного тока. Все оборудование таких подстанций размещают на открытых площадках, но ЭПС переменного тока сложнее. Переменный ток оказывает электромагнитное влияние на металлические сооружения и коммуникации, расположенные вдоль железнодорожных путей. В результате на них наводится опасное напряжение, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому применяют особые меры защиты, на которые расходуется около 20-25% общей стоимости электрификации.

Стыкование линий, электрифицированных на постоянном или переменном токе, осуществляют по контактной сети на специально оборудованных ж.д. станциях стыкования или используют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и переменном токе.

Тяговая сеть состоит из контактной и рельсовой сетей и питающих линий. Контактная сеть – совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам ЭПС. Она выполняется в виде воздушных подвесок. При движении локомотива токоприемник не должен отрываться от контактного провода, иначе нарушается токосъем и возможен пережог провода. Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса должна быть на перегонах и станциях не ниже 5750 мм и не должна превышать 6800 мм. В горизонтальной плоскости контактный провод закреплен фиксаторами так, что относительно оси пути он подвешен зигзагообразно с отклонением у каждой опоры на +- 300 мм. Благодаря этому контактный провод достаточно устойчив против ветра и не перетирает контактные пластины токоприемников. Наиболее распространены медные фасонные (МФ) (рис. 1.2) контактные провода из твердотянутой электролитической меди сечением 85, 100 и 150 мм². Их заменяют через 6-7 лет и более.

Рис. 1.2 Профиль контактного провода МФ

Опоры контактной сети (рис. 1.3) бывают железобетонные и металлические. Чаще применяют более дешевые железобетонные (высота до 15,6 м), но установка их сложнее и они значительно тяжелее металлических. Опоры из металла (высота 15 м и более) делают в виде четырехгранных ферм пирамидальной формы.

Расстояние от оси крайнего пути до внутреннего края опор контактной сети на прямых участках перегонов и станций должно быть не менее 3100 мм. В сильно заносимых снегом выемках это расстояние увеличивается до 5700 мм. В особо трудных условиях это расстояние допускается на станциях не менее 2450 мм и на перегонах – 2750 мм.

Рис. 1.3 Опоры контактной сети: а – консольные железобетонные; б – металлические для гибких поперечин; в – железобетонные для жёстких поперечин; 1 – лежень; 2 – диафрагма; 3 – раскос решётки; 4 – стойка; 5 – ригель; 6 – фиксирующий трос

Для надежной работы и удобства обслуживания контактную сеть делят на отдельные участки (секции) с помощью воздушных промежутков и нейтральных вставок (изолирующих сопряжений), а также секционных и врезных изоляторов. При проходе токоприемника ЭПС по воздушному промежутку он кратковременно электрически соединяет обе секции контактной сети. Если по условиям питания секций это не допустимо, то их разделяют нейтральной вставкой, состоящей из несколько последовательно включенных воздушных промежутков.

Для обеспечения надежного токосъема в зимнее время применяются меры борьбы со льдом, образующимся на контактных проводах. Удаление льда достигается нагреванием контактных проводов подачей больших токов или механическими способами с помощью вибротокоприемников, скребков и др. Ряд работ по обслуживанию и ремонту сети выполняется без снятия напряжения и перерыва движения поездов.