Системы электроснабжения ж\д
Система постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока напрямую питаются от контактной сети. Регулирование осуществляется подключением резисторов, перегруппировкой двигателей и ослаблением возбуждение. 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 электропоезде ЭР22 используется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3000 В в трёхфазный 380 В 50 Гц). Недостатком системы является низкое напряжение контактной сети, что вынуждает использовать большее суммарное сечение проводов и сокращать расстояние между тяговыми подстанциями.
На железных дорогах в основном используется напряжение 3000 В и 1500 В.
Система переменного тока пониженной частоты. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора, имеющей несколько выводов (что позволяет регулировать напряжение на двигателях). 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.
При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока.
Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз.
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, 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.
Электротяговые сети ж/д дорог
Для тяги поездов на электрифицированных участках железных дорог используются электровозы. В качестве пригородного транспорта используются электросекции или электропоезда.
На электрофицированных железных дорогах тяговые электродвигатели электровозов получают энергию от контактной сети, подключенной к тяговой подстанции; одновременно осуществляется электроснабжение районов, прилегающих к ж. д., промышленных и с.-х. предприятий (в 1975, например, нетранспортным потребителям передано 26 млрд. кВт·ч при общем потреблении ж.-д. транспортом 48,9 млрд. кВт·ч). Электрификация железных дорог повышает пропускную и провозную способности, надёжность работы, сокращает эксплуатационные расходы, позволяет сделать ж.-д. транспорт более комфортабельным.
На электрифицированных ж. д. имеется возможность возврата части электрической энергии в контактную сеть при движении поезда на спусках и при торможении. Кроме того, для выработки электроэнергии на ТЭЦ обычно используют низкосортное топливо, которое нельзя применять в тепловозах. Электрическая тяга (практически) была впервые применена в 1895 на магистральном участке ж. д. Балтимор — Огайо в США. Во многих странах электрификации железных дорог уделяется большое внимание. Например, в Швейцарии электрифицировано почти 100% ж. д. (около 3000 км), в Швеции — свыше 60% (более 7500 км), в Италии — около 50% (более 8000 км).
В контактной сети электрифицированных ж.-д. в СССР используется постоянный электрический ток напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты напряжением 25 кВ. При питании переменным током (хотя это и усложняет конструкцию электровоза) значительно упрощаются устройства энергоснабжения электрических железных дорог; повышенное напряжение в контактной сети позволяет увеличить расстояние между тяговыми подстанциями при тех же потерях до 50 км (20—25 км при постоянном токе); стоимость строительства контактной сети снижается в среднем на 7%, расход меди на её сооружение — в 2,5 раза. На электрической тяге осуществляется более 50% всех грузовых перевозок, удельный вес пригородных пассажирских перевозок электропоездами возрос до 77%. По протяжённости электрифицированных ж. д. и темпам электрификации СССР занимает 1-е место в мире. На начало 1978 электрифицировано 40,5 тыс. км ж. д., из них 25 тыс. км используют постоянный ток.
Контактная сеть ж\д
Для передачи электрической энергии, получаемой от тяговых подстанций к электроподвижному составу предназначена контактная сеть, которая должна обеспечивать надежный токосъем при наибольших скоростях движения в любых атмосферных условиях.
Существуют различные конструкции контактной сети для наземного электрического транспорта и метрополитенов. На железных дорогах принята конструкция (рис. 2), основными элементами которой являются опоры, контактная подвеска, состоящая из несущего троса, контактных и усиливающих проводов; консоли, фиксаторов и т.д.
Опоры железобетонные или металлические располагаются вдоль железнодорожного пути на расстоянии 65—80 м друг от друга.
Консоли укреплены в верхней части опор. К ним на изоляторах подвешен медный или биметаллический несущий трос.
Контактный провод, поперечное сечение которого показано на (рис. 3), изготовлен из меди и с помощью струн подвешен к биметаллическому или медному несущему тросу. Расстояние между струнами обычно составляет 6—12 м. В подвесках с двумя контактными проводами (постоянный ток) при шахматном расположении струн (струны каждого контактного провода смещены относительно друг друга) расстояние между ними уменьшено до 4—6 м.
На прямых участках пути контактные провода расположены в плане зигзагообразно относительно оси пути на 300 мм в каждую сторону (рис. 4). Это необходимо для обеспечения равномерного износа накладок токоприемников электроподвижного состава.
Такое расположение контактного провода осуществляется с помощью фиксаторов, размещенных на каждой опоре. Фиксаторы также препятствуют раскачиванию контактной сети от бокового ветра.
На железных дорогах поезда движутся с большими скоростями, поэтому провесы контактного провода должны быть незначительными. С этой целью применяют так называемые цепные подвески.
В цепных подвесках (рис. 5; рис. 6) контактный провод между опорами подвешен не свободно, а на струнах, прикрепленных к несущему тросу.
Для уменьшения стрел провеса контактного провода при сезонном изменении температуры его оттягивают к опорам, которые называются анкерными, и через систему блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы. Наибольшая длина участка между анкерными опорами устанавливается с учетом допустимого натяжения изношенного контактного провода и на прямых участках пути достигает 800 м. Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса должна быть не менее 675О мм и не превышать 6800 мм. Для надежной работы контактной сети и удобства обслуживания ее делят на отдельные участки (секции) с помощью воздушных
промежутков и нейтральных вставок (изолирующих сопряжений)
а также секционных и врезных изоляторов. При проходе токоприемника электроподвижного состава по воздушному промежутку он кратковременно электрически соединяет секции контактной сети. Если по условиям питания секций это недопустимо, то их разделяют нейтральной вставкой, которая состоит нескольких последовательно включенных промежутков
Применение таких вставок необходимо на участках переменного тока, когда смежные секции питаются от разных фаз трехфазного тока. Длина нейтральной вставки устанавливается с таким расчетом, чтобы при любых положениях поднятых токоприемников электроподвижного состава полностью исключалось одновременное замыкание контактных проводов нейтральной вставки с проводами прилегающих к ней секций контактной сети. В отдельные секции выделяют перегоны и промежуточные станции, а на крупных станциях — отдельные группы электрифицированных путей. Соединяют или разъединяют секции дистанционно с диспетчерского пункта или вручную разъединителями, установленными на опорах контактной сети.
Для безопасности обслуживающего персонала и лиц, находящихся у железнодорожных путей, для улучшения защиты от токов короткого замыкания заземляют металлические опоры и элементы, к которым подвешена контактная сеть, а также все металлические конструкции, расположенные на расстоянии менее 5 м от устройств контактной сети, находящихся под напряжением.