Исторически первой появилась система тягового электроснабжения постоянного тока. Причиной этому является наличие доступности управления скоростью вращения у коллекторных двигателей постоянного тока.
Впервые система электроснабжения постоянного тока для электрификации магистральных железных дорог была применена в 1895 г. в США, где был электрифицирован участок железной дороги Балтимор–Огайо напряжением 600 В. [1, с.14]
В процессе дальнейшего развития системы постоянного тока напряжение было увеличено до 1500 В, а затем до 3000 В. Впервые напряжение 3000 В было применено в 1915 г. при электрификации линии Чикаго–Милуоки. На территории СССР первая электрификация железной дороги была в 1926 г. в Баку на напряжение 1200 В. Это оборудование было закуплено ещё до Первой Мировой войны для электрификации под Петербургом. Следующим стал участок железной дороги Москва — Мытищи на 1500 В, введенный в эксплуатацию в 1929 г. [1, с.14]
В системе, работающей на постоянном токе, электроснабжение происходит согласно рис. 1 следующим образом: питание осуществляется от внешней энергосистемы с напряжением 35 кВ, затем через понижающий трансформатор до 10 кВ, к шинам которого подключен преобразовательный агрегат, состоящий из тягового трансформатора и выпрямителя, обеспечивающего преобразование переменного тока в постоянный напряжением 3,3 кВ, контактная сеть подключается к «плюс шине», а рельсовая цепь — к «минус шине».
Рис. 1. Схема системы электроснабжения постоянного тока
Одним из главных недостатков данной системы является необходимость преобразования переменного тока внешней энергосистемы в постоянный ток, именно так считалось в нашей стране с начала электрификации на переменном токе. Агрегаты, совершающие понижение напряжения контактной сети до значения и последующее выпрямление, необходимые для питания тяговых двигателей, устанавливают на подстанции, чем усложняют ее конструкцию и увеличивают стоимость.
Еще одним существенным недостатком является недостаточный уровень номинального напряжения в тяговой сети по прошествии десятилетий, поскольку размеры движения увеличились относительно начала использования этого напряжения (3 кВ) для системы электроснабжения постоянного тока. Как следствие, расстояние между подстанциями уменьшилось с увеличением нагрузки в среднем до 15–20 м.
Следующим минусом данной системы считается относительно большое сечение проводов контактной сети и значительный расход цветных металлов. Такое сечение проводников приходится выбирать вследствие значительных токов. Для электроснабжения современного высокоскоростного движения тяжелая контактная сеть недопустима.
Еще один недостаток — значительные блуждающие токи, оказывающие влияние на подземные коммуникации (оболочки кабелей, трубопроводы и др.), а также на крепежные элементы пути и арматуру контактной сети, что приводит к их коррозии. Блуждающие токи — токи, протекающие по земле, которые попадают в близко расположенные к электрифицированным железным дорогам различные металлические сооружения и, вытекая из них, вызывают усиленную коррозию, тем самым наносят значительный материальный ущерб различным отраслям хозяйства.
И последний недостаток, рассмотренный в пределах данной работы, — дополнительные потери энергии в пусковых реостатах, которые установлены на подавляющем числе электровозов и электропоездов постоянного тока, при разгоне поезда. Но он имел место быть в электровозах старых типов, сейчас этот недостаток отсутствует.
Теперь стоит перейти к достоинствам данной системы. Одним из них является — простое устройство электровоза. Это объясняется тем, что напряжение постоянного тока непосредственно поступало на тяговые двигатели, а устройства регулирования скорости были простыми. Но в результате естественного технического развития локомотивы постоянного тока также претерпели ряд изменений, по уровню сложности достигнув локомотивы переменного тока. Поэтому в настоящее время это уже не является достоинством постоянного тока. Но некая схожесть электровозов обоих видов тока даёт другое преимущество — отсутствие потребности в перерыве при переключении электровоза с одного вида тока на другой (раньше на это требовалось около 25–30 минут), а также позволяет совместное использование постоянного и переменного тока.
Следующим достоинством можно назвать равномерную загрузку фаз внешней системы электроснабжения. Сильной стороной системы постоянного тока можно считать и отсутствие реактивных потоков по тяговым сетям и, вследствие этого, исключение необходимости использования средств компенсации реактивной мощности.
Еще одним преимуществом будет слабое электромагнитное влияние на смежные устройства электрических железных дорог, так как на постоянном токе отсутствует явление взаимоиндукции.
Первые системы электроснабжения переменного тока появились еще в начала 20 века. В основном их использовали в некоторых странах Европы и США. Они работали на частоте 16⅔ Гц. Их появление было вызвано серьезным недостатком постоянного тока, а именно огромными потерями в сети. Система переменного тока пониженной частоты позволяла использовать коллекторные двигатели, питающиеся напрямую от трансформатора, и, в отличие от постоянного тока, не используя каких-либо преобразователей. Но у этой системы был значительный недостаток — возникала необходимость каждый раз преобразовывать частоты тока на подстанциях. С появлением электрификации на 25 кВ и 50 Гц, низкочастотные системы перестали развиваться.
В конце 1920-х годов в СССР столкнулись с проблемой недостатка 3кВ для электроснабжения поездов, так как их грузоподъемность и скорость увеличилась. Повысить напряжение постоянного тока до 20кВ не предоставлялось возможно, поэтому для решения вопроса увеличения провозной способности железной дороги было принято решение соорудить опытный участок, который будет работать на переменном токе с напряжением 20кВ и промышленной частоте (50Гц). В 1938 году был построен первый электровоз OP22, питающийся от переменного тока. В электропоезде находилась отдельная высоковольтная камера с понижающим трансформатором внутри, к первичной обмотке которого через пантограф подводилось напряжение 20кВ. Пониженное напряжение, снятое со вторичной обмотки, подавалось в соседнюю камеру, откуда поступало на выпрямитель. Эксперимент стал настолько удачным, что ОР22 был использован как образец для выпуска всех электровозов переменного тока в СССР. [4]
В СССР и в некоторых странах Европы за промышленную частоту была выбрана частота 50 Гц, а в США, Бразилии и некоторых других странах 60 Гц. Это связано с особенностями исторического развития электроснабжения в этих странах.
Система однофазного тока 25кВ с частотой 50 Гц начала активно применяться только во второй половине 20-ого века, после появления статических ртутных выпрямителей, создающих при выпрямлении однофазного тока пульсирующий ток. Конструкция системы однофазного тока промышленной частоты, показанная на рис.2, состоит из трансформатора, который используется для питания электропоезда через тяговую сеть с одной стороны, и трансформатора с отличным по фазе от первого напряжением, который питает тяговую сеть с другой стороны. Контактная сеть станции отделяется от тяговой сети, которую питает первый трансформатор, изолирующим сопряжением, а от тяговой сети, которую питает второй трансформатор, нейтральной вставкой. Нейтральная вставка позволяет токоприемнику электропоезда переходить с одной фазы на другую, не создавая короткого замыкания. Это приводит к равномерной загрузке всех трех фаз системы внешнего электроснабжения. Переход на переменный однофазный ток промышленной частоты позволил увеличить расстояние между тяговыми подстанциями, что уменьшило их число почти в три раза. Сокращение количество ТП вызвало ускорение электрификации железных дорог СССР и сокращение расхода цветных металлов.
Рис. 2. Схема системы электроснабжения переменного тока
К достоинствам подобной системы следует отнести:
- Минимальные потери напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения (около 5 %). Отсутствие электрокоррозии на подземных коммуникациях, так как нет блуждающих токов.
- Простота конструкций подстанций, по сравнению с постоянным током (только трансформаторное оборудование).
- Большое расстояние между тяговыми подстанциями (45–50км), которое можно увеличить благодаря введению трехпроводной сети с экранирующим и усиливающим проводом (70–80км).
- Высокое напряжение в контактной сети (вместо 3кВ постоянного тока 25 кВ переменного тока)
При всех благоприятных сторонах подобной системы электроснабжения, существует ряд проблем, которые замедляют или делают невозможным, на некоторых участках, переход на электрификацию переменным током.
К недостаткам системы электроснабжения однофазного тока с промышленной частотой следует отнести:
- Сильные электромагнитные помехи для линий связи, металлических коммуникаций и низковольтных линий.
- Высокие затраты на электрификацию переменным током, так как приходится выполнять лини связи кабельными
- Проблема неравномерности нагрузки фаз внешней энергосистемы, которую частично решает установка нейтральных вставок, но это может привести к пережогу контактного провода при движении электровоза на высоком токе, из-за образования электрической дуги.
- Наличие реактивной нагрузки из-за особенностей переменного тока.
На данный момент протяженность электрифицированных железных дорог по системе однофазного тока 25кВ с промышленной частой 50 Гц составляет более 24,0 тыс. км., что является больше половины от общего числа электрифицированных железных дорог в России.
За последние двадцать лет модернизировалась как система электроснабжения постоянного тока, исчезли пусковые реостаты, так и переменного тока, появились электровозы с чисто активным потреблением. Нынешняя система постоянного тока морально устарела, но при повышении уровня напряжения она может сравниться или превысить показатели нынешней системы электроснабжения переменного тока 25 кВ.
Литература:
- Тер-Оганов Э. В. Пышкин А. А.: Электроснабжение железных дорог: учеб. Для студентов университета (УрГУПС) / Э. В. Тер-Оганов, А. А. Пышкин. — Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2014. — 432 с.
- Марквардт К. Г.: Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. транспорта — М.: Транспорт, 1982–528 с.
- Чернов Ю. А. Электроснабжение железных дорог. Учеб. пособие. — М.: ФГБУ Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2016.
- О. Курихин. Статья «Передавая эстафету». Под редакцией инженера путей сообщения В. А. Ракова. Журнал «Техника-Молодежи», № 12, 1980.
