ЭЛЕКТОСНАБЖЕНИЕ  ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Лабораторная работа №2

В царской России не было электрифицированных железных дорог, несмотря на ведущую роль русских ученых и инженеров в развитии электротехники и энергетики. Широкая электрификация промышленности и транспорта в СССР началась лишь после Великой Октябрьской социалистической революции.

По предложению В. И. Ленина сессия ВЦИК (Всероссийский центральный исполнительный комитет) в феврале 1920 г. приняла решение о разработке плана электрификации Советской страны. В соответствии с этим решением во второй половине февраля 1920г. Президиумом ВСНХ (Всероссийский совет народного хозяйства) была образована Государственная комиссия по электрификации России (ГОЭЛРО). По прямым указаниям В. И. Ленина эта комиссия разработала план технического перевооружения нашей Родины на базе электрификации, рассчитанный на 10 – 15 лет.

В разделе «Электрификация и транспорт» плана ГОЭЛРО подчеркивалось, что особенности  нашей  страны,  которая  обладает  большой

 территорией и богатыми сырьевыми ресурсами на окраинах, ставят перед железнодорожным транспортом задачи необычайной трудности. Транспорт России, говорится в этом разделе, всегда страдал от перегрузки важнейших линий, а также односторонних графиков движения.

Для установления наиболее рациональной связи между экономическими районами план предусматривал превращения главнейших направлений существующих железных дорог в мощные магистрали путем их реконструкции и электрификации.

Намечалось перевести на электрическую тягу 3500 км железнодорожных линий.

► Электрификация железных дорог была начата в 1924 г. с участка Баку – Сабунчи, на котором 6 июля 1926 г. открыли движение моторвагонных поездов.

►В 1929 г. 29 августа, вступил в эксплуатацию пригородный электрифицированный участок на постоянном токе 1500 В Москва – Мытищи Северной дороги протяжением около 18км (работы на участке были начаты в 1927 г.).

Движение обслуживалось – трехвагонными электросекциями:

– вагоны электросекций были изготовлены Мытищинским вагоностроительным заводом (начало постройки 1928 г.),

– тяговые двигатели – заводом «Динамо» имени С. М. Кирова,

– электрическая аппаратура – английской фирмой Метрополитен Виккерс.

►В 1930 г. завод «Динамо» освоил выпуск всего электрооборудования для моторных секций, а Электротягстрой выполнил рабочий проект контактной сети для первого в СССР магистрального участка Хашури – Зестафони Закавказской дороги (Сурамский перевал) и организовал производство арматуры для контактной сети. Движение электровозов на этом участке началось 16 августа 1932 г.

► К 15–й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции (1932 г.) завод «Динамо» имени С. М. Кирова совместно с Коломенским заводом имени В. В. Куйбышева выпустил первый советский магистральный электровоз. Электровозу в честь Владимира Ильича Ленина была присвоена серия ВЛ – Владимир Ленин.

_____________________________________________________

Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем.

Энергосистема– это объединение крупных электрических станций, связанных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объединяют электростанции различных типов: тепловые, где используются разнообразные виды органического топлива, гидравлические и атомные.

Железнодорожный транспорт потребляет ≈ 7 % электроэнергии, производимой Энергосистемой. Эту энергию главным образом используют электрифицированные железные дороги.

► При электрификации железных дорог осуществляется комплексное электроснабжение:

– всего железнодорожного хозяйства (включая станции, мастерские, депо, аппаратуру СЦБ и т.д.),

– промышленности и сельского хозяйства прилегающих к железной дороге районов.

Поэтому на систему электроснабжения ложится также задача обеспечения электрической энергией так называемых нетяговых (районных) потребителей.

►Существуют 2 системы энергоснабжения:

1 Внешняя. Эл. энергия, вырабатываемая на электростанциях, передаётся по линиям электропередач к трансформаторным подстанциям, к которым и подключены потребители. Эта система также включает в себя высоковольтные выключатели, обесточивающие основные элементы системы в случае аварийных ситуаций.

2 Тяговая. В неё входят: тяговые подстанции, тяговая сеть, быстродействующие выключатели (в качестве аппаратуры защиты).

 На рисунке 1 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции:

1 На тепловых электростанциях в качестве первичных двигателей используют турбогенераторы мощностью 300, 500, 800 квт и более, работающие при сверхкритических параметрах пара (при начальном давлении пара 235 атм и выше) с минимальным удельным расходом топлива.

На гидроэлектростанциях применяют гидравлические турбины мощностью до 650 тыс. квт.

Турбины вращают роторы электрических генераторов, которые строят на напряжение 6, 3; 10,5 и 15,75 кВ. Генераторы более высокого напряжения дороги, пока ненадежны в работе и поэтому их серийно не выпускают.

2 Трехфазный переменный ток, выработанный генераторами электростанции, передается через шины и контрольную аппаратуру на трансформаторы, которые повышают напряжение до 35; 110; 220; 330; 400; 500 кВ и более. Эти номинальные значения напряжений предусмотрены действующими стандартами.

Высоковольтный выключатель применен для отключения линии электропередачи (ЛЭП) от электрической станции, если произойдет короткое замыкание на линии, или возникнут недопустимые перегрузки. Этот же выключатель используют для снятия напряжения с линии, например при ее осмотре.

3 Затем энергия высокого напряжения поступает в линии электропередачи.

Линии электропередачи классифицируют:

– по величине напряжения,

– роду тока (переменного или постоянного тока),

– по выполнению (воздушные или кабельные).

Для передачи энергии на большие расстояния сооружают, как правило, воздушные линии. Кабельные линии прокладывают лишь там, где нельзя построить воздушную линию.

Линии электропередачи длиной 500 – 600 км и мощностью 600 – 700 тыс кВт обычно выполняют переменного тока на напряжение 35, 110, 154, 220, 400 и 500 кВ. (Предельным для линий на переменном токе является напряжение 1300–1500 кВ, при котором воздух перестает быть надежной изоляцией.)

Если требуется осуществить передачу электроэнергии большей мощности на большие расстояния, то строят линии электропередачи постоянного тока напряжением 1500 кв. Постоянный ток проще передавать по кабелям, проложенным под землей (тяжелый провод). Это позволяет весьма эффективно преодолевать широкие водные пространства, а также тяжелые для воздушных линий пространства Севера России.

4 Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первичную обмотку понижающего тягового трансформатора, находящегося на тяговой подстанции.

5 На тяговой подстанции в зависимости от вида тока, ток выпрямляется на выпрямительной установке (из переменного становится постоянным) или остаётся переменным.

Выпрямленный и невыпрямленный ток, через аппарат защиты – быстродействующий выключатель (находящийся также на тяговой подстанции) от шин положительной полярности понижающего тягового трансформатора подводится к контактной сети через питающую линию, и далее на токосъёмники ЭПС и в рельсы.

Чтобы получить замкнутую электрическую цепь, рельсы соединяют отсасывающей линией с шинами отрицательной полярности тягового трансформатора.

Быстродействующий выключатель (время срабатывания 0,015 сек.) автоматически отключает питающую линию, а следовательно, и контактную сеть в случае перегрузок и коротких замыканий последней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снять с нее напряжение) для производства каких-либо работ, что также осуществляют отключением быстродействующего выключателя.

▲ Несмотря на потери электроэнергии, все устройства электроснабжения должны обеспечивать:

1 Движение поездов с установленными:

а) весовыми нормами;

б) скоростями;

в) интервалами;

2 Работу устройств СЦБ, связи и вычислительной техники;

3 Гарантированное снабжение электроэнергией остальных потребителей железнодорожного транспорта.

    ▲ От качества подаваемой системой электроэнергии зависит работа электрических машин. При плохом или не постоянном уровне напряжения может быть:

1 Боксование

2 Броски тока

3 Перегрев обмоток

4 Пробой изоляции

5 Снижение скорости движения.

На тяговые подстанции электрифицированных участков железных дорог поступает трехфазный переменный ток обычно напряжением 110 или 220 кВ.

Питание тяговых подстанций осуществляют, как правило, от двух линий электропередачи (система двойного питания), таким образом, чтобы выход из строя одной электростанции или линии электропередачи не был причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции на электрифицированном участке длиной более 150 – 200 км.

.

Тяговые подстанции подразделяются по:

а) роду тока (постоянный или переменный);

б) по способу управления аппаратурой.

► На тяговой подстанции постоянного тока, происходит преобразование переменного тока в постоянный с помощью преобразователей – выпрямителей. В настоящее время ртутные выпрямители заменены полупроводниковыми.

Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для:

– понижения напряжения, подводимого от линии электропередачи до 3,3 кВ,

– преобразования переменного тока в постоянный многофазными статическими преобразователями,

– распределения электрической энергии постоянного тока по участкам контактной сети и между остальных потребителей.

►Если железная дорога электрифицирована на переменном токе промышленной частоты, то тяговая подстанция предназначена для:

– понижения напряжения, подводимого от линии электропередачи до 27,5 кВ промышленной частоты,

– распределения электрической энергии по участкам контактной сети и между остальных потребителей.

При этом уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава согласно Правилам технической эксплуатации железных дорог (ПТЭ) на любом блок–участке должен быть не менее 2,7 кВ при постоянном токе и 21 кВ при переменном токе.

Тяговые подстанции различаются по способу управления аппаратурой и бывают:

1 Автотелеуправляемые. Контроль и регулирование работы осуществляется специальной аппаратурой из диспетчерского пункта, расположенного на расстоянии от тяговой подстанции (иногда на железнодорожной станции).

2 Автоматические. На тяговой подстанции нет диспетчерского персонала, но управляет её работой дистанционно оператор из пункта, расположенного вблизи тяговой подстанции.

3 Полуавтоматические. Частичная автоматика. На подстанции имеется дежурный персонал, выполняющий операции по переключению оборудования вручную или с пульта управления.

Системы тока.

На системе постоянного тока работают 70 % всех электрифицированных дорог. Напряжение в контактной сети:

– на промышленном транспорте – 1500 В;

– на магистральном – 3000 В;

– на токоприёмниках электровозов, допускаемое напряжение – 2,7 – 4 кВ.

▲ Достоинство –надёжность (из–за отсутствия пульсации тока) и простота конструкции электрических аппаратов.

▼ Недостатки системы:

►– Полярность. Т.к. рельсы невозможно полностью изолировать от земли, то часть тягового тока ответвляется в землю в различных направлениях, за что получил название «блуждающий». Такой ток вызывает электрохимическую коррозию: под воздействием тока происходит отрыв ионов металла, что приводит к появлению сквозных раковин отверстий. Это может появиться на оболочках кабеля, металлических трубопроводах, арматуре железобетонных фундаментов. Особая опасность для подземных хранилищ горючих жидкостей. Он же приводит к уменьшению срока службы рельсов.

Чтобы исключить или хотя бы снизить воздействие блуждающего тока, предпринимается следующее:

1 Стыковые соединения из медного троса. Для электрического соединения рельсов (чтобы ток тёк только по рельсам до отсасывающей линии) и исключения стыковых разрывов (если будет разрыв между рельсами, то ток пойдёт в землю).

2 Применение щебёночного балласта, обладающего хорошими диэлектрическими свойствами.

3 Зазор между подошвой рельса и балластным слоем не должен быть менее 3 мм.

4 Железобетонные шпалы изолируют от рельсов резиновыми прокладками.

 ►– Относительно низкое напряжение (3000кВ), поэтому:

1 По проводам передаётся большая сила тока, а это возможно при достаточном сечении контактного провода, что приводит к дороговизне, из–за использования цветного металла. Размеры контактного провода увеличивают его вес, поэтому количество опор тоже должно быть увеличено, усложняется анкеровка;

2 В некоторых случаях, требуется подвеска усиливающего провода, с помощью которого создаётся нужное напряжение на токоприёмниках;

3 Для поддержания напряжения, которое падает из–за потерь, тяговые подстанции располагаются чаще, через 15–20 км (иногда 7–10 км).

4 Преобразователи тока – выпрямители, требуют расположения в закрытом помещении.

Номинальное значение напряжения в контактной сетипеременного тока на магистральном транспорте 25000 В, максимальное – 27500 В; допустимые значения на токоприёмниках – 21000 В – 29000 В.

▲ Достоинство системы:

 ► –  при большом напряжении, требуется меньшая сила тока, значит сечение проводов в два раза меньше:

1 Меньший расход цветного металла, что сказывается на стоимости контактного провода;

2 Провод легче, значит надо меньше опор, проще анкеровка;

►–  из-за большого напряжения, количество подстанций уменьшается, так как потери не будут слишком ощутимыми.

►– из-за отсутствия выпрямителей на подстанции, она может быть размещена под открытым воздухом.

▼ Недостатки системы:

►– ЭПС переменного тока сложнее по конструкции из–за устройств преобразования тока;

►– электромагнитное влияние на металлические сооружения и коммуникации связи, расположенные вдоль дороги. В связи с этим наводится опасное напряжение и в воздушных линиях и средствах автоматики возникают помехи. Поэтому необходимы меры защиты: усиленная изоляция, замена воздушных линий на кабельные. На эти мероприятия может уходить до 25% общей суммы затрат на электрификацию железнодорожных линий.

Контрольные вопросы

1. Где и когда былаэлектрифицирована железная дорога, построены первые электровозы, почему ВЛ? Название современных электровозов.

2. Дать определение «энергосистема»

3. Понятие «комплексного электроснабжения»

4. Внешняя системы энергоснабжения, составляющие, аппаратура защиты.

5. Тяговая системы энергоснабжения, составляющие, аппаратура защиты.

6. Назначение тяговых подстанций на дорогах с разным током

7. Что должны обеспечивать устройства электроснабжения

8. Что зависит от качества подаваемой системой электроэнергии

9. Какие бывают тяговые подстанции по способу управления аппаратурой