В статье авторы пытаются определить возможность использования инфраструктуры электроснабжения железных дорог для нужд легкорельсового транспорта (трамвая).
Ключевые слова: легкорельсовый транспорт, электроснабжения железных дорог, электрическая тяга, трамвайная система.
На данный момент ввиду морального устаревания систем тягового электроснабжения постоянного тока на российских железных дорогах идёт постепенный перевод электрической тяги на переменный ток. Если стационарное оборудование электроснабжения постоянного тока ещё не выработало свой ресурс, то возникает вопрос о его дальнейшем использовании. Особенно, если значительная часть рельсового пути проходит вдоль густонаселённых районов.
Есть уникальные места, где возможно создание транспортных коридоров, предназначенных для сообщения друг с другом крупных экономических регионов. Например, вдоль побережья Чёрного моря с севера на юг. Для освоения будущих больших потоков перевозок неизбежен переход на переменный ток, имеющий напряжение большее, чем в системе постоянного тока, более чем в 8 раз.
Наиболее интенсивное движение наблюдается в районе города Сочи (Туапсе). Есть тенденция резкого увеличения товарооборота с Турцией, которая приведёт к необходимости создания транспортного коридора вдоль восточного побережья Чёрного моря, по интенсивности движения превышающего коридор Туапсе — Батуми в советское время.
Потенциально возникает необходимость в реконструкции железной дороги на участке Туапсе — Батуми. Эти обстоятельства потребуют полной двухпутности и повышения скорости движения на данном участке. Кроме того, появится необходимость спрямления извилистых частей железной дороги, то есть строительства множества тоннелей.
В результате реконструкции существующей железной дороги, значительная часть дорог постоянного тока в районе города Сочи окажется ненужной со всей ныне работающей инфраструктурой. Основная часть железной дороги будет спрямлена и переведена на переменный ток, так как только он сейчас может обеспечить большие объёмы движения. Освобождающаяся инфраструктура железной дороги может быть использована как основа для трамвайной системы, обеспечивающей подвоз населения из мест проживания и курортов к скоростной дороге. В перспективе, сложившуюся инфраструктуру постоянного тока можно использовать как основу и для электроснабжения трамвайной системы города Сочи.
Трамвай — экологичный вид транспорта, не загрязняет атмосферу, как автобусы и автомобили, что важно для курортного города, впрочем, и для промышленного региона тоже важно не увеличивать загрязнение ещё и от работы городского транспорта.
Система железнодорожного тягового электроснабжения постоянного тока 3 кВ [1] должна стать основой и для будущей трамвайной линии с напряжением в 0,55 кВ [2]. В данном случае эффективность использования этой инфраструктуры останется на прежнем уровне даже при значительном спаде железнодорожного сообщения в северной части Большого Сочи после запуска обходного пути. Нынешние работники железной дороги не потеряют свои рабочие места.
Оборудование на 3 кВ нужно обслуживать, эти расходы практически не зависят от объёма движения, так как определяются количеством оборудования, а доходы серьезно снизятся, если не будет организовано трамвайное движение с использованием железнодорожной инфраструктуры. Ниже рассмотрим схемную электротехническую сторону адаптации этой инфраструктуры.
Адаптация железнодорожной инфраструктуры под трамвай позволит передавать электроэнергию под более высоким напряжением, чем требуется трамваю, тем самым понизив потери в линиях. Для постоянного тока на железной дороге используют напряжение 3 кВ, а серийным трамваям необходимо 0,55 кВ. Предлагается использовать имеющееся напряжение в 3 кВ для питания дополнительного провода, проложенного вдоль рельсового пути, а на контактную сеть подавать энергию с этого дополнительного провода через питающие пункты. Тогда тяговые железнодорожные подстанции продолжат выдавать свои 3,0 кВ, но не на контактную сеть, а на дополнительный провод, подвешенный на опорах контактной сети. Напряжение трамвая рекомендуется подавать через линейные пункты питания, играющие роль преобразователей постоянного напряжения с уменьшением, в контактную сеть. Изоляцию контактной сети можно оставить старой, чтобы не переделывать серьезно контактную сеть.
Известны предложения с использованием дополнительного провода вдоль линии ж. д. и повышенным в нем напряжением для передачи электроэнергии потребителя на линии. Первое упоминание в литературе известно с 1963 г. [3]. В нём дополнительный источник постоянного напряжения 3 кВ подключается между контактным проводом и дополнительным проводом согласно полярности основного источника напряжения контактной сети. При этом на дополнительном проводе у подстанции будет напряжение +3,3 кВ относительно контактного провода, а относительно рельсовой цепи +6,6 кВ. Энергия от дополнительного провода подаётся на контактный провод от линейного преобразователя уровня напряжения, питаемого от дополнительного провода относительно контактного, причём преобразователь подаёт напряжение на уровне 3,3 кВ. Достоинством схемы является компенсация падений напряжения в контактном проводе от токов, поступающих в нагрузку от подстанции на уровне 3,3 кВ и возвращающегося тока преобразователя уровня напряжения на подстанцию по контактному проводу.
Более современной является система электроснабжения постоянного тока, предложенная в 2003 г. [4]. Она также имеет дополнительный провод с повышенным напряжением, от которого питаются линейные пункты питания. Сами эти преобразователи представляют собой автономные инверторы. Через них передается энергия на контактную сеть от дополнительного провода с повышенным напряжением. Возможно инвертирование тока от рекуперирующего подвижного состава через дополнительный провод другим далеким нагрузкам.
Нами также предлагается система электроснабжения с дополнительным проводом, в которой на дополнительный провод подают напряжение иного знака, чем на контактную сеть, то есть отрицательное напряжение относительно рельсовой цепи [5]. В этом ее отличие от других систем электроснабжения. Благодаря этому отличию появляется новое свойство: существенное уменьшение токов в рельсовой цепи, поскольку токи к нагрузке и к линейному пункту питания идут по рельсовой цепи встречно друг к другу. Уменьшение токов в рельсах уменьшает вызванные ими блуждающие токи в земле. Они являются недостатком всех систем электроснабжения постоянного тока с рельсовой цепью. Получается биполярная трехпроводная сеть постоянного тока.
В нашей системе уменьшение выходного напряжения, с 3,0 кВ до 0,55 кВ достигают промежуточным звеном переменного тока, в котором используем трансформатор, который преобразовывает напряжение в нужную сторону. Затем он выпрямляется, превращаясь снова в постоянный ток. Это уже стандартное решение.
Возможная схема тягового электроснабжения для подобной системы представлена на рис. 1, где 1- основной источник напряжения, 2.1, 2.2, 2.3 — линейные пункты питания, выполняющие функционально преобразование уровня постоянного напряжения.
Напряжение в контактной сети и дополнительной линии противоположны по знаку друг другу, так как напряжение 3,0 кВ в дополнительном проводе подаётся со знаком «минус» относительно рельсовой цепи. Напряжения линейных пунктов питания одинаковы, поскольку они питают нагрузку одного типа — трамваи с одним напряжением питания. Контактные линии обоих путей в совокупности с общей линией — рельсовой цепью — представляют собой трехпроводную линию. В общей линии имеет место частичная компенсация тока при множестве нагрузок, что приводит к уменьшению блуждающих токов, являющихся серьёзным недостатком тяговых систем постоянного тока как железных дорог, так и трамвайной системы. Теперь в рельсах токи текут от напряжений 3 кВ и 0,55 кВ в разные стороны и взаимно компенсируют друг друга.
Как показано на рис. 2, за счёт дополнительного питания напряжение контактной сети будет поддерживаться на достаточно высоком уровне, без постепенного падения, имеющего место при отсутствии дополнительных источников энергии, подключаемых к линии. Кроме того, большая часть энергии трамваям передается под большим напряжением, значит с меньшими токами и меньшими потерями.
С целью предотвращения излишнего износа тормозных колодок следует применять электрическое рекуперативное торможение. Для появления тока рекуперации требуется наличие потребителей данного тока — других трамваев в режиме тяги. При малом расстоянии между питающими пунктами таких потребителей может и не оказаться, а при расстоянии между подстанциями как на железной дороге, то есть 20 и более км, они найдутся. Для этого наши преобразователи должны пропускать ток в обе стороны. В этом случае создаётся гарантия для использования рекуперации, что позволит сохранить тормозные колодки для экстренного торможения и уменьшить расход электроэнергии.
Ещё одним плюсом данной системы является то, что не нужно прокладывать новые пути, так как ширина колеи у трамвая совпадает с шириной железнодорожной, контактная сеть также остается, только токоприемники у трамваев необходимо сделать выше. Это позволит сделать существующую инфраструктуру с путями от ж. д. резервом для проезда поездов, для чего достаточно лишь переключить напряжение в контактной сети на старое на время пропуска состава.
Кроме того, трамвай может иметь больше остановок, чем электрички. Это важно при большой плотности населения вдоль линии. У вагонов электропоезда большая собственная масса, при частых разгонах больше потери энергии на ускорения, в то время как у трамвая меньше потери энергии на пуски в расчёте на одного пассажира.
Рис. 1. Схема размещения тяговой подстанции 1 и линейных пунктов питания 2.1, 2.2 и 2.3. ДП — дополнительный провод, КС — контактная сеть, РЦ — рельсовая цепь
Рис. 2. Напряжение в контактной сети в зависимости от расстояния до подстанции
Литература:
- Марквардт К. Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» М: Транспорт, 1982 г. с. 10.
- «Основы электрического транспорта» под ред. Слепцова М. А. М.: Издательский центр «Академия», 2006 г., с. 24, 27, 34, 338.
- А.с. СССР B60M 3/00 № 152 894 Третьяк Т. П. «Система энергоснабжения электрических железных дорог постоянного тока» 1963 г.
- Патент РФ B60M3/00 на ПМ 34 905 Марикин А. Н., Бурков А. Т. «Система электроснабжения железных дорог постоянного тока», 2003г.
- Патент РФ H02J 1/08 № 2 658 675 Беньяш Ю. Л. «Способ и трехпроводная система электроснабжения постоянного тока», 2016 г.
