Раздел 3. «Электроснабжение железных дорог»

Значение электрификации железнодорожного транспорта

Общие сведения об электроснабжении. Железнодорожный транспорт потребляет более 7 % энергии, вырабатываемой электростанциями РФ. В основном ее расходуют на тягу поездов и частично на питание нетяговых потребителей (депо, станций, мастерских, а также районных потребителей).Устройства электроснабжения железных дорог должны обеспечивать: бесперебойное движение поездов (при требуемых размерах движения); надежное электропитание различных устройств железнодорожного транспорта; электроснабжение всех потребителей железнодорожного транспорта.

Рис. 15.1 стр 251 Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной ж.д.

В систему электроснабжения электрифицированных дорог входят устройства, составляющие ее внешнюю и тяговую части.

Первая представляет собой мощную энергетическую систему с крупными электрическими станциями, районными трансформаторными подстанциями, сетями и линиями электропередачи. Электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях, передается по линиям электропередачи к трансформаторным подстанциям энергосистемы трехфазного тока, от которых получают питание потребители промышленности, сельского хозяйства, железных дорог и др.

Система тягового электроснабжения состоит из тяговых подстанций и электротяговой сети, устройство которых определяется применяемой системой электрической тяги и должно обеспечивать бесперебойное питание электроподвижного состава. Чтобы в случае прекращения подачи электроэнергии не останавливались электровозы и электропоезда на перегоне, не нарушался график движения, предусматривается резервирование отдельных элементов системы. Качество подаваемой системой электроснабжения электрической энергии оценивают уровнем напряжения, а на участках переменного тока — синусоидальностью напряжения, тока и частотой. Низкое качество энергии приводит к нарушению нормальной работы ЭПС: снижаются скорость движения и масса поезда, возникают боксование, броски тока, перегрев и пробой изоляции электрических машин и др.

Системы тока и напряжения контактной сети

Железные дороги могут быть электрифицированы по системе постоянного или переменного тока, но в обоих случаях на ЭПС используются тяговые двигатели постоянного тока.

Основными параметрами системы электроснабжения являются мощности тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески. Нагрузочная способность важнейших элементов электроснабжения (трансформаторов, выпрямителей, контактной сети) зависит от допускаемой температуры их нагрева, определяемой значением и длительностью протекающего тока.

Система постоянного тока. Основным достоинством ее является использование на ЭПС тяговых двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением, свойства которых в большой мере отвечают требованиям тяги.

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, выпрямители и другое оборудование. Все оборудование переменного тока размещают на открытых площадках тяговых

подстанций, а выпрямители и вспомогательные агрегаты — 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, которое лимитируется максимальным допустимым напряжением, подаваемым непосредственно из сети на тяговые двигатели без промежуточного преобразования его на локомотиве. Кроме того, при этой системе возникают значительные блуждающие токи, под действием которых происходит электрокоррозия подземных металлических сооружений.

Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц (напряжением 25кВ) значительно проще и экономичней. Более высокое напряжение в контактной сети и соответственно меньшие токи в ней позволяют в 2,5-3 раза уменьшить площадь сечения проводов контактной сети на один путь, увеличить расстояние между тяговыми подстанциями. Установленные на ЭПС тяговые трансформаторы позволяют снизить напряжение на тяговых электродвигателях (по сравнению с системой постоянного тока), вследствие чего можно уменьшить толщину изоляции обмотки двигателей и увеличить их мощность на 25—30 % (при тех же габаритных размерах) и включить тяговые двигатели параллельно. Такое соединение улучшает тяговые свойства электровоза и снижает склонность колесных пар к боксованию. Тяговые подстанции в этой системе превращаются в обычные трансформаторные, вследствие чего упрощается автоматизация управления ими. истема переменного тока 2 × 25 кВ позволяет повысить напряжение в контактной сети.

Схемы электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Электрифицированные дороги относятся к самым ответственным потребителям электроэнергии (первой категории); поэтому они, как правило, должны иметь питание не менее чем от двух независимых источников. Если невозможно выполнить это требование, допускается осуществлять питание по двум одноцепным линиям передачи на разных опорах от одного источника питания, что также повышает надежность системы тягового электроснабжения. Схемы питания тяговых подстанций выбирают с таким расчетом, чтобы при выходе из строя одной из электростанций (трансформаторной подстанции) или линии электропередачи на участке длиной 150—200 км прерывалась подача электроэнергии не более чем на одну тяговую подстанцию. Тяговые подстанции подразделяются на подстанции постоянного и переменного тока. Подстанции постоянного тока размещают на расстоянии 15— 20 км одна от другой, а переменного — на расстоянии 40—50 км, располагая их обычно в районе железнодорожной станции. На тяговых подстанциях постоянного тока устанавливают понижающие трансформаторы, полупроводниковые выпрямители для преобразования переменного тока в постоянный, а также аппаратуру и устройства, необходимые для включения и выключения различных цепей и защиты оборудования от токов короткого замыкания, перегрузок и перенапряжений. Напряжение, поступающее от первичной системы электроснабжения, например 110 кВ, понижающие силовые трансформаторы снижают до 10—11 кВ. Затем через распределительное устройство переменного тока это напряжение подается к тяговым трансформаторам, понижается ими до 3,3 кВ и поступает на преобразователь. От преобразователей в контактную сеть идет постоянный ток при напряжении. На подстанциях переменного тока для питания тяговых и нетяговых потребителей используют трехфазные двух- и трехобмоточные (или однофазные) понижающие трансформаторы.

По конструктивному исполнению подстанции бывают стационарные и передвижные. Последние применяют для замены отдельных преобразователей, выводимых в длительный ремонт, или целиком стационарной подстанции в случае выхода ее из строя.

По способу управления подстанции делят на: автотелеуправляемые, когда контроль и регулирование их работы осуществляются специальной аппаратурой телеуправления с диспетчерского пункта; автоматические, когда на подстанции нет дежурного персонала, но управляет ею оператор дистанционно с пункта, расположенного вблизи подстанции: полуавтоматические, когда имеется частичная режимная автоматика, а на подстанции находится дежурный персонал, выполняющий операции по переключению оборудования вручную или дистанционно с пульта управления.

В настоящий период времени на сети дорог применяется автоматизированная система управления тягового электроснабжения с применением ЭВМ (АСУЭ).

Напряжение контактной сети. Согласно ПТЭ уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава должен быть не менее 21 кВ при переменном токе, 2,7 кВ при постоянном токе и не более 29 кВ при переменном токе и 4 кВ при постоянном токе. На отдельных участках с разрешения МПС России допускается уровень напряжения не менее 19 кВ при переменном токе и 2,4 кВ при постоянном токе.

Номинальное напряжение переменного тока на устройствах СЦБ должно быть 110, 220 или 380 В. Отклонения от указанных величин номинального напряжения допускаются в сторону уменьшения не более 10 %, а в сторону увеличения — не более 5 %.

Тяговая сеть

Тяговая сеть состоит из контактной и рельсовой сетей, питающих и отсасывающих линий.

Контактная сеть. На магистральных железных дорогах электроэнергию к токоприемникам электровозов и электропоездов подводят по воздушной контактной сети. Контактная сеть представляет собой совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам электроподвижного состава. К основным элементам контактной сети относятся несущие, контактные и усиливающие провода, детали крепления этих проводов и изоляторы, поддерживающие устройства и опоры. Контактная сеть устроена таким образом, что обеспечивает бесперебойный токосъем локомотивами при наибольших скоростях движения в любых атмосферных условиях. Она должна быть долговечной и простой в конструктивном исполнении. В связи с тем, что контактная сеть не имеет резерва, к ее устройствам предъявляют высокие требования по надежности. Надежность контактной сети обеспечивается высокой механической прочностью ее конструктивных элементов, износостойкостью контактного провода, разделением (секционированием) на отдельные несвязанные участки на перегонах и станциях (группы путей и т.д.). Наиболее распространены медные фасонные (МФ) контактные провода из твердотянутой электролитической меди сечением 85, 100 и 150 мм2. Их заменяют через 6-7 лет и более. Износ контактных проводов снижает сухая графитовая смазка полозов токоприемников, применение угольных полозов и износостойких медно-кадмиевых и медно-магниевых контактных проводов.

Несущие тросы биметаллические имеют сечение до 95 мм2, медные —

до 120 мм2. С помощью изоляторов их подвешивают к консолям, укрепленным на опорах, или к жестким и гибким поперечинам, перекрывающим железнодорожные пути. Струны из сталемедной проволоки выполнены так, что они не мешают подъему контактного провода токоприемниками. Фиксаторы делают легкими и подвижными, чтобы при прохождении токоприемника не возникали удары. Опоры применяют металлические (до 15 м и более) и железобетонные (до 15,6 м). Расстояние от оси крайнего пути до внутреннего края опор контактной сети на перегонах и станциях должно быть не менее 3100 мм. Опоры в выемках должны устанавливаться вне пределов кюветов. В особо сильно снегозаносимых выемках (кроме скальных) и на выходах из них (на длине 100 м) расстояние от оси крайнего пути до внутреннего края опор контактной сети должно быть не менее 5700 мм. На существующих линиях до их реконструкции, а также в особо трудных условиях на вновь электрифицируемых линиях расстояние от оси пути до внутреннего края опор допускается не менее 2450 мм — на станциях, 2750 мм — на перегонах.

Контактную сеть выполняют в виде воздушных подвесок. При движении локомотива токоприемник не должен отрываться от контактного провода, иначе нарушается токосъем и возможен пережог провода. Надежная работа контактной сети в значительной мере зависит от стрел провеса провода и нажатия токоприемника на провод.

Виды контактных подвесок.

На железных дорогах применяют в основном цепные контактные подвески: одинарные, двойные и одинарные с рессорными тросами.

Рис 15.2 стр 259

По способу натяжения проводов различают некомпенсированные, полукомпенсированные и компенсированные цепные подвески. В цепных подвесках контактный провод в пролетах между опорами подвешен не свободно, как в простых (трамвайных) контактных подвесках, а на часто расположенных струнах, прикрепленных к несущему тросу.

Рис.15.3 стр260

Благодаря этому требуется меньше опор, чем в простых подвесках, расстояние между ними достигает 70—75 м. Для возможности регулирования натяжения проводов контактную сеть делят на механически независимые друг от друга участки. На концах этих участков, называемых анкерными, провода закрепляют (анкеруют) на опорных устройствах. Для уменьшения стрел провеса при сезонном изменении температуры оба конца контактного провода (иногда и несущего троса) оттягивают к анкерным опорам и через систему блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы.

Стр261(рис. 15.4).

Наибольшая длина участков между анкерными опорами устанавливается с учетом допустимого натяжения изношенного контактного провода и на прямых участках пути достигает 800 м и более.

В некомпенсированной цепной подвеске провода жестко закрепляют на анкерных опорах. Натяжение в них и стрела их провеса меняются в зависимости от температуры, ветровой нагрузки и гололеда.

В полукомпенсированной цепной подвеске с помощью грузовых компенсаторов автоматически поддерживается натяжение контактного провода при изменении метеорологических условий, а несущий трос жестко закреплен на опорах. При такой подвеске расстояние между опорами обычно равно 60—70 м. Применение рессорного троса в полукомпенсированной подвеске позволяет обеспечить надежный токосъем при скоростях движения до 120 км/ч.

При компенсированной подвеске в контактном проводе и несущем тросе автоматически поддерживается практически постоянное натяжение. Компенсированная подвеска обеспечивает нормальный токосъем при скоростях движения до 160 км/ч и выше.

Устройства секционирования контактной сети. В местах примыкания перегонов к станции и в отдельных случаях на перегонах применяют изолирующие сопряжения анкерных участков. Которые обеспечивают продольное секционирование контактной сети.

Рис стр 262 №15.5

При такой конструкции изолирующего сопряжения токоприемник в переходном пролете на воздушном промежутке вначале в пролете l0 идет по одному рабочему контактному проводу, затем в пролете lп — по двум, соединяя электрически на это время соседние анкерные участки контактной сети, и далее переходит на другой рабочий провод (в пролете l0). На одной из переходных опор сопряжения с воздушным промежутком устанавливают продольный секционный разъединитель 3 (с ручным или моторным приводом) для соединения или разъединения секций контактной сети.

При питании отдельных участков от разных фаз переменного тока применяют сопряжение анкерных участков с нейтральной вставкой (рис. 15.6). стр 263

Конструктивно оно состоит из двух воздушных промежутков, расположенных последовательно. Нейтральную вставку 1 проектируют так, чтобы при любых сочетаниях поднятых токоприемников электровозов и электропоездов исключалась возможность одновременного замыкания обоих воздушных промежутков, т.е. соединения различных секций контактной сети.

Для разделения контактной сети станций на электрически независимые участки применяют секционные изоляторы. Электрическое соединение или разъединение отдельных секций контактной подвески, а также фидеров тяговых подстанций с участками контактной сети осуществляют продольными секционными разъединителями.

Стыкование участков переменного и постоянного тока. Стыкование таких участков осуществляют на наших железных дорогах одним из двух способов. Первый способ — это секционирование контактной сети станции стыкования с переключением отдельных секций на питание от фидеров постоянного или переменного тока, второй — применение электроподвижного состава двойного питания, т.е. на электровозе происходит переключение с постоянного тока на переменный и наоборот.

Контактная сеть станций стыкования имеет группы изолированных секций: постоянного тока, переменного тока и переключаемые. В переключаемые секции подается электроэнергия через так называемые пункты группировки. Контактную сеть с одного рода тока на другой переключают специальными переключателями с моторными приводами, устанавливаемыми на пунктах группировки. К каждому пункту подведены две питающие линии переменного тока и две — постоянного от тяговой подстанции постоянно-переменного тока.

Фидеры соответствующего рода тока этой подстанции подключают также к контактной сети горловин станции стыкования и прилегающих перегонов.

Для исключения возможности подачи на отдельные секции контактной сети тока, не соответствующего находящемуся там подвижному составу, а также выезда ЭПС на секции контактной сети с другой системой тока переключатели блокируют друг с другом и с устройствами централизованного управления стрелками и сигналами станции стыкования. Управление переключателями включают в единую систему маршрутно-релейной централизации управления стрелками и сигналами станции. Дежурный по посту, собирая какой-либо маршрут, одновременно с установкой стрелок и сигналов в требуемое положение производит соответствующие переключения в контактной сети.

Маршрутная централизация на станциях стыкования имеет систему счета заезда и выезда электроподвижного состава на участки пути переключаемых секций контактной сети, что предотвращает попадание его под напряжение другого рода тока. Для защиты оборудования устройств электроснабжения и электроподвижного состава постоянного тока при попадании на них в результате каких-либо нарушений напряжения переменного тока имеется специальная аппаратура. На ЭПС постоянного тока, имеющем заезды на станции стыкования, круглый год должны быть включены грозовые разрядники.

Снятие напряжения с контактной сети.

Напряжение с контактной сети снимают, отключая соответствующие разъединители. Все переключения, за исключением переключений разъединителей депо и экипировочных устройств на станционных путях, где осматривают крышевое оборудование ЭПС, производят по приказу энергодиспетчера. Только в аварийных случаях при отказе всех видов связи разъединители отключают без приказа энергодиспетчера, но с последующим его уведомлением.

Работник, производящий переключение разъединителей с дистанционным или ручным управлением, получив приказ энергодиспетчера, повторяет его. Энергодиспетчер, убедившись, что приказ принят правильно, утверждает его, указывает время и сообщает свою фамилию. Работник, который переключает разъединитель, обязан:

– проверить исправность заземления пульта дистанционного управления;

– убедиться в наличии питания цепей управления и в исправности сигнальных ламп;

– проверить соответствие номера разъединителя и его исходного положения названным в приказе.

Требования к устройствам электроснабжения.

Устройства электроснабжения должны обеспечивать надежное электроснабжение:

– электроподвижного состава для движения поездов с установленными весовыми нормами, скоростями и интервалами между ними при требуемых размерах движения;

– устройств СЦБ, связи и вычислительной техники как потребителей электрической энергии 1 категории. С разрешения МПС России до завершения переустройства допускается электроснабжение этих устройств по II категории;

– всех остальных потребителей железнодорожного транспорта в соответствии с установленной МПС России категорией.

При наличии аккумуляторного резерва источника электроснабжения автоматической и полуавтоматической блокировки он должен быть в постоянной готовности и обеспечивать бесперебойную работу устройств СЦБ и переездной сигнализации в течение не менее 8 ч при условии, что питание не отключалось в предыдущие 36 ч. Время перехода с основной системы электроснабжения автоматической и полуавтоматической блокировки на резервную или наоборот не должно превышать 1,3 с.

Тяговые подстанции линий, электрифицированных на постоянном токе, а также электроподвижной состав должны иметь защиту от проникновения в контактную сеть токов, нарушающих нормальное действие устройств СЦБ и связи.

Взаимное расположение опор контактной сети, воздушных линий и светофоров, а также сигнальных знаков должно обеспечивать хорошую видимость сигналов и знаков. На крупных станциях контактные провода подвешены только на путях, предназначенных для приема и отправления поездов на перегоны с электротягой, а также на путях электровозных и моторвагонных депо. На промежуточных станциях, где маневры выполняются электровозами, контактной сетью оборудованы все пути. Над стрелочными переводами контактная сеть имеет воздушные стрелки, образуемые пересечением двух контактных подвесок. С целью безопасности обслуживающего персонала и других лиц, а также для улучшения защиты от токов короткого замыкания заземляют или оборудуют устройствами защитного отключения металлические опоры и элементы, к которым подвешена контактная сеть, а также все металлические конструкции, расположенные ближе 5 м от частей контактной сети, находящихся под напряжением.

Для снабжения электроэнергией линейных железнодорожных и районных потребителей на опорах контактной сети дорог постоянного тока подвешивают специальную трехфазную линию электропередачи напряжением 10 кВ. Кроме того, в необходимых случаях на этих опорах размещают провода телеуправления тяговыми подстанциями и постами секционирования, низковольтных осветительных и силовых линий и др.

Безопасность обслуживающего персонала и других лиц и увеличение надежности защиты контактной сети от токов короткого замыкания обеспечивается заземлением устройств, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции или соприкосновения их с оборванными проводами. Заземляют все металлические опоры и конструкции, расположенные на расстоянии не менее 5 м от контактной сети. В зоне влияния контактной сети переменного тока заземляют также все металлические сооружения, на которых могут возникнуть опасные наведенные напряжения.

Особенности верхнего строения пути на электрифицированных линиях. На электрифицированных дорогах рельсы используют для пропуска тяговых токов, поэтому верхнее строение пути на таких дорогах имеет следующие особенности:

– к головкам рельсов с наружной стороны колеи прикреплены (приварены) стыковые соединители из медного троса, вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление рельсовых стыков;

– применяют щебеночный балласт, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами. Зазор между подошвой рельса и балластом делают не менее 3 см;

– деревянные шпалы пропитывают креозотом, а железобетонные надежно изолируют от рельсов резиновыми прокладками;

– рельсовые нити через определенные расстояния электрически соединяют между собой, что позволяет уменьшить сопротивление току;

– линии, оборудованные автоблокировкой и электрической централизацией, имеют изолирующие стыки, с помощью которых образованы отдельные блок-участки. Чтобы пропустить тяговые токи в обход изолирующих стыков, устанавливают дроссель-трансформаторы или частотные фильтры. Питающие и отсасывающие линии (сети) выполняют воздушными или кабельными. Для предохранения подземных металлических сооружений от повреждения блуждающими токами уменьшают сопротивление рельсовых цепей, улучшают их изоляцию от земли, а также устраивают специальную защиту.

Требования к эксплуатации устройств электроснабжения. Тяговые подстанции, контактная сеть, мастерские, ремонтно-ревизионный участок, складское хозяйство и др. находятся в ведении участков энергоснабжения (дистанции электроснабжения), которые обслуживают 150—250 км линий при постоянном токе или 200—300 км при переменном. Тяговые подстанции бывают с ручным и телемеханическим управлением. В первом случае, управление и контроль за работой оборудования осуществляет эксплуатационный персонал, находящийся на подстанциях. Применение телемеханики для дистанционного управления с поста энергодиспетчера основными объектами электроснабжения привело к повышению производительности труда и сокращению штатов.