Электрификация железных дорог
Железнодоро́жная электрифика́ция — комплекс мероприятий, выполняемых на участке железной дороги для возможности использовать на нём электроподвижной состав: электровозы, электросекции или электропоезда.
Для тяги поездов на электрифицированных участках железных дорог используются электровозы. В качестве пригородного транспорта используются электросекции или электропоезда.
Системы электрификации
Системы электрификации можно классифицировать:
- по виду проводников:
- с контактной подвеской
- с контактным рельсом
- по напряжению
- по роду тока:
- постоянный ток
- переменный ток
- частота тока
- число фаз
Обычно используют постоянный (=) или однофазный переменный (~) ток. При этом в качестве одного из проводников выступает рельсовый путь
Использование трёхфазного тока требует подвески как минимум двух контактных проводов,которые не должны соприкасаться ни при каких условиях (как у троллейбуса), поэтому эта система не прижилась, в первую очередь из-за сложности токосъема на больших скоростях.
При использовании постоянного тока напряжение в сети делают довольно низким, чтобы включать электродвигатели напрямую. При использовании переменного тока выбирают гораздо более высокое напряжение, поскольку на электровозе напряжение можно легко понизить с помощью трансформатора.
Система постоянного тока
Электродвигатели постоянного тока напрямую питаются от контактной сети. Регулирование осуществляется подключением резисторов, перегруппировкой двигателей и ослаблением возбуждения. В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в резисторах.
Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2М используется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).
Простота электрооборудования, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.
Недостатком системы является сравнительно низкое напряжение контактной сети, так как для передачи той же мощности при меньшем напряжении требуется пропорционально больший ток. Это вынуждает использовать большее суммарное сечение контактных проводов и подводящих кабелей, увеличивать площадь контакта с пантографом электровоза за счет увеличения числа проводов в подвеске контактной сети до 2-х и даже 3-х (например, на подъемах). Кроме того система характеризуется малыми расстояниями между тяговыми подстанциями, которые хоть и автоматизированы, но требуют эксплуатации, и это расстояние уменьшается всего до нескольких километров на грузонапряженных участках, особенно в горных условиях.
На железных дорогах в основном используется напряжение =3000 (3300) В и =1500 (1650) В. Первоначально первые электропоезда магистральных железных дорог питались постоянным напряжением =1200 В. В начале 70-х в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением =6000 В.
Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные по системе постоянного тока используют напряжение =3 кВ (то есть =3000 В).
Трамваи, троллейбусы используют постоянное напряжение =550 (600) В, метрополитен =750 (825) В,
Система переменного тока пониженной частоты
В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора.
Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.
Система переменного тока промышленной частоты
Наиболее экономичным было бы использование тока промышленной частоты, однако его внедрение встретило много трудностей. Поначалу пытались использовать коллекторные электродвигатели переменного тока, мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для тяговых асинхронных электродвигателей). Коллекторные электродвигатели плохо работали на токе промышленной частоты, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми.
Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронах; позже они заменялись на более современные кремниевые выпрямители — из экологических и экономических соображений); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).
При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмоткам возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.
Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).
Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, по инерции. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.
Железные дороги России и стран бывшего Советского Союза, электрифицированные по системе переменного тока используют напряжение ~25 кВ (то есть ~25000 В) частотой 50 Гц.
Стыкование систем электроснабжения
Разнообразие систем электроснабжения вызвало появление пунктов стыкования (систем тока, напряжений, частоты тока). При этом возникло несколько вариантов решения вопроса организации движения через такие пункты. Выявились 3 основные направления:
1. Оборудование станции стыкования переключателями, позволяющими подавать на отдельные участки контактной сети тот или иной род тока. Например, поезд прибывает с электровозом постоянного тока, затем этот электровоз отцепляется и уезжает в оборотное депо или тупик для отстоя локомотивов. Контактную сеть на этом пути переключают на переменный ток, сюда заезжает электровоз переменного тока и отправляется с поездом. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива.
2. Использование многосистемного подвижного состава. При этом стыкование по контактной сети делается за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Но стоимость таких электровозов выше, а содержание дороже, кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса). В СССР и странах СНГ были выпущены мелкими сериями такие типы подвижного состава, как электровозы ВЛ82 и ВЛ82м, ВЛ61д (постоянный ток напряжением 3000 В и однофазный 25 000 В), ВЛ19 и Ср (постоянный ток напряжением 3000 В и 1500 В). В Западной Европе встречается четырёхсистемный ЭПС (постоянный ток 1500 В, постоянный ток 3000 В, переменный ток 25 кВ 50 Гц, переменный ток 15 кВ 16⅔ Гц). В настоящее время в России налажено производство только пассажирских двухсистемных электровозов ЭП10 (постоянный ток 3000 В и переменный ток 25 кВ 50 Гц), которые выпускает НЭВЗ.
3. Применение тепловозной вставки — оставление между участками с разными системами электроснабжения небольшого тягового плеча, обслуживаемого тепловозами. На практике применяется на участке Кострома — Галич протяженностью 126 км: в Костроме постоянный ток, в Галиче — переменный; транзитом курсируют поезда Москва — Хабаровск и Кострома — Шарья. При таком способе «стыкования» значительно ухудшаются условия эксплуатации линии: в два раза повышается время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.
 | Это заготовка статьи о железнодорожном транспорте. Помогите Википедии, дополнив её. |