Электрические железные дороги

  На  базе графов состояний и переходов  от одного состояния к другому  можно составить систему дифференциальных уравнений, при помощи которой с  использованием приведенных ранее  величин времени выхода из строя  и максимальной продолжительности  восстановления отказавших линий 110кВ и трансформаторов вычисляется длительность нахождения в нерабочем состоянии (эксплуатационная неготовность) этих компонентов системы электроснабжения. Она составляет 0,07мин/год.

  Если  при прочих равных условиях подстанция подключена к системе 110кВ как тупиковая  и в то же время имеет упрощенное блочное исполнение, то при тех  же значениях продолжительности  ремонта длительность нахождения вне  эксплуатации составит 4,4мин/год; при  минимальных значениях продолжительности  ремонтов этот показатель уменьшается  до 2,6 мин/год. Расчетные значения достаточно близко совпадают с результатами, полученными при обработке статистических данных.

1. Передача электроэнергии

  Электроэнергия, вырабатываемая генератором, отводится  к повышающему трансформатору по массивным жестким медным или  алюминиевым проводникам, называемым шинами. Шина каждой из трех фаз изолируется  в отдельной металлической оболочке, которая иногда заполняется изолирующим  элегазом (гексафторидом серы).

  Трансформаторы  повышают напряжение до значений, необходимых  для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния.

  Генераторы, трансформаторы и шины соединены  между собой через отключающие  аппараты высокого напряжения – ручные и автоматические выключатели, позволяющие  изолировать оборудование для ремонта  или замены и защищающие его от токов короткого замыкания. Защита от токов короткого замыкания  обеспечивается автоматическими выключателями. В масляных выключателях дуга, возникающая  при размыкании контактов, гасится  в масле. В воздушных выключателях дуга выдувается сжатым воздухом или  применяется «магнитное дутье». В  новейших выключателях для гашения  дуги используются изолирующие свойства элегаза.

  Для ограничения силы токов короткого  замыкания, которые могут возникать  при авариях на ЛЭП, применяются  электрические реакторы. Реактор  представляет собой катушку индуктивности  с несколькими витками массивного проводника, включаемую последовательно  между источником тока и нагрузкой. Он понижает силу тока до уровня, допустимого  для автоматического выключателя.

  С экономической точки зрения, наиболее целесообразным, на первый взгляд, представляется открытое расположение большей части  высоковольтных шин и высоковольтного  оборудования электростанции. Тем не менее все чаще применяется оборудование в металлических кожухах с  элегазовой изоляцией. Такое оборудование необычайно компактно и занимает в 20 раз меньше места, нежели эквивалентное  открытое. Это преимущество весьма существенно в тех случаях, когда  велика стоимость земельного участка  или когда требуется нарастить  мощность существующего закрытого  распредустройства. Кроме того, более надежная защита желательна там, где оборудование может быть повреждено из-за сильной загрязненности воздуха.

  Для передачи электроэнергии на расстояние используются воздушные и кабельные  линии электропередачи, которые  вместе с электрическими подстанциями образуют электросети. Неизолированные  провода воздушных ЛЭП подвешиваются  с помощью изоляторов на опорах. Подземные кабельные ЛЭП широко применяются при сооружении электросетей на территории городов и промышленных предприятий. Номинальное напряжение воздушных ЛЭП – от 1 до 750 кВ, кабельных  – от 0,4 до 500 кВ.

2. Распределение электроэнергии

  На  трансформаторных подстанциях напряжение последовательно понижается до уровня, необходимого для распределения  по центрам электропотребления и, в конце концов, по отдельным потребителям. Высоковольтные ЛЭП через автоматические выключатели присоединяются к сборной шине распределительной подстанции. Здесь напряжение понижается до значений, установленных для магистральной сети, разводящей электроэнергию по улицам и дорогам. Напряжение магистральной сети может составлять от 4 до 46 кВ.

Рис. 2 ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ПОДСТАНЦИЯ близ Бергена (Норвегия).

  На  трансформаторных подстанциях магистральной  сети энергия ответвляется в распределительную  сеть. Сетевое напряжение для бытовых  и коммерческих потребителей составляет от 120 до 240 В. Крупные промышленные потребители  могут получать электроэнергию с  напряжением до 600 В, а также с  более высоким напряжением –  по отдельной линии от подстанции. Распределительная (воздушная или  кабельная) сеть может быть организована по звездной, кольцевой или комбинированной  схеме в зависимости от плотности  нагрузки и других факторов. Сети ЛЭП соседних электроэнергетических компаний общего пользования объединяются в единую сеть.  

2. Электроснабжение  электрических железных дорог

  Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем.

  Энергосистема – это совокупность крупных электрических станций, объединены 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. 

  Рис. 3 Общий вид электрифицированной железной дороги постоянного тока и питающих её устройств 

  Следует отметить, что нагрузки электрической тяги отличаются большой равномерностью, а это способствует более стабильной работе энергосистем. От Единой энергетической системы нашей страны питаются электрические магистрали европейской части страны, Урала, Сибири. Питание от мощных энергосистем обеспечивает бесперебойность снабжения электроэнергией потребителей, в том числе и электрического подвижного состава.

  На  рис. 3 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции.

  Трехфазный  переменный ток напряжением 6—10 кВ от генераторов электростанции по кабелю проходит к повышающему трансформатору, здесь в зависимости от различных условий напряжение может быть повышено до 20. 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номинальные значения напряжений предусмотрены действующими в СССР стандартами.

  Затем ток по линии электоопередачи (ЛЭП) проходит к потребителям, в данном случае к тяговой подстанции. Если произойдет короткое замыкание на линии электропередачи или возникнут недопустимые перегрузки, высоковольтный выключатель отключит ее от электрической станции. Этот же выключатель используют для снятия напряжения с линии, например, при ее осмотре.

  Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первичную обмотку трансформатора тяговой подстанции, который понижает напряжение переменного трехфазного тока до значения, необходимого¹ для нормальной работы электроподвижного состава (э. п. с).

  Устройство  и работа тяговых подстанций дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, резко различаются.

  На  тяговой подстанции постоянного  тока, которая показана на рис. 2, переменный ток преобразуется в постоянный. Первоначально для этой цели использовали вращающиеся преобразователи, которые состояли из мощных двигателей переменного тока, установленных на одном валу с генераторами постоянного тока. Затем вместо тяжелых и громоздких машинных преобразователей стали применять ртутные выпрямители. В дальнейшем все ртутные выпрямители были заменены полупроводниковыми.

  Выпрямленное  напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий  выключатель — и питающую линию (фидер) подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях электровоза ток от вторичной  обмотки трансформатора проходит через  выпрямитель, быстродействующий выключатель, фидер, контактную сеть, пускорегулирующие аппараты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электрическую цепь, рельсы соединяют отсасывающей линией с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора.

  Быстродействующий выключатель автоматически отключает  фидер, а, следовательно, и контактную сеть в случае перегрузки и коротких замыканий последней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства каких-либо работ, для чего также отключают быстродействующий выключатель.

  Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного  тока служат для понижения напряжения, подводимого от ЛЭП, преобразования переменного тока в постоянный и распределения электрической энергии постоянного тока по участкам контактной сети.

  Если  железная дорога электрифицирована на переменном токе промышленной частоты, то тяговая подстанция предназначена для понижения напряжения, подводимого ЛЭП, и распределения электрической энергии по участкам контактной сети. На линиях, электрифицированных на переменном токе, замкнутый контур тока образуется присоединением одного конца первичной обмотки трансформатора, расположенного на электровозе, к контактной сети, а другого — к рельсу и далее через отсасывающую линию к подстанции. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, поскольку выпрямление напряжения для питания тяговых двигателей осуществляется на самом подвижном составе.

  Коэффициент полезного действия электрической  тяги выражается произведением к. п. д. отдельных звеньев системы питания электрифицированной железной дороги: электростанции, линии электропередачи, тяговой подстанции, контактной сети и самого электровоза. Если энергия поступает от тепловой электростанции, к. п. д. которой примерно 35%, то полный к. п. д. электрической тяги составляет около 28%. С тем же примерно к. п. д. работают электрифицированные железные дороги, которые начали получать энергию от атомных электростанций. Гидроэлектростанции, к. п. д. которых достигает 85%, питают примерно одну пятую часть электрифицированных железных дорог; к. п. д. электротяги составляет при этом 60—62%.

3. Тяговые подстанции

  Тяговая подстанция — в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии.

  Электроустановка — совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены). Может быть предназначена для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования её в другой вид энергии.

  Основным  нормативным документом для создания электроустановок являются «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), а при эксплуатации — «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭЭП).

  Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только для подстанций постоянного тока 3,3 кВ) для передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.

  Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 5—25 км для подстанций постоянного тока и 50—80 км для подстанции переменного тока. Это расстояние зависит как от размеров движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций РАО «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередач напряжением 10—220 кВ. Электроэнергия поступает в открытое распределительное устройство, на понижающий трансформатор. С понижающего трансформатора электроэнергия поступает на тяговый трансформатор, откуда она подаётся на преобразовательный агрегат (выпрямитель). С преобразовательного агрегата выпрямленный ток подаётся на основную и резервную системы шин и распределяется в контактную сеть через быстродействующие автоматы. В Российской Федерации номинальное напряжение выпрямленного тока нормируется Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и установлено на уровне 3100 В.