Системы однофазного тока промышленной частоты получили широкое распространение во всем мире после второй мировой войны. По этой системе электрифицировано около 25% общей протяженности электрических железных дорог мира. В нашей стране первый участок (Ожерелье-Павелец) был электрифицирован на переменном токе в 1956-57 годах. Протяженность его составила 137 км. Он стал, опытным участком, на котором проходило проверку новое оборудование и электровозы системы переменного тока.
Система переменного тока напряжением 25 кВ имеет более высокое напряжение в контактной сети и возможность легко понизить его трансформатором электровоза, что является его главным достоинством. Электровоз мощностью 6000 кВт на постоянном токе потребляет из тяговой сети 2000 А, а на переменном — лишь 300 А. Поэтому контактная Сеть на переменном токе более легкая, опорные конструкции для ее крепления также более легкие, требуют меньше материала, а значит — дешевле.
Конструкция подстанций переменного тока по сравнению с подстанциями постоянного тока более простая благодаря отсутствию преобразовательных агрегатов, понижающих и выпрямляющих переменное напряжение. Количество подстанций при системе переменного тока значительно меньше, оно составляет менее 400 на всей сети электрифицированных железных дорог страны. Эксплуатационная же длина линий, электрифицированных на переменном токе, составляет более 2″0 тыс. км. Среднее расстояние между подстанциями переменного тока превышает 50 км..
Для экономии эксплуатационных расходов некоторые участки, электрифицированные ранее на постоянном токе, переводятся на переменный. Так, в 1995 г. впервые в мире на действующем, интенсивно работающем участке протяженностью почти 400 км Зима-Слюдянка Восточно-Сибирской дороги практически без остановки движения поездов произведено переключение электрической тяги с постоянного тока на переменный, что позволило решить многие технические проблемы и снизить эксплуатационные расходы .
На рис. 1 приведена схема питания участка железной дороги, электрифицированного на переменном токе напряжением 25 кВ. К линии электропередачи трехфазного переменного тока ЛЭП-110 кВ подключен понижающий трансформатор подстанции Т, который понижает напряжение 110 до 27,5 кВ для питания тяги, а также до 35 или 10 кВ для питания нетяговых потребителей НП.
Рис. 21. Упрощенная схема питания тяги и нетяговых потребителей от ТП однофазного переменного тока 25 кВ
Напряженнее трансформатора Т подается на шины А, В, С 27,5 кВ и используется для питания ЭПС через тяговую сеть.
Для равномерной загрузки всех трех фаз системы внешнего электроснабжения в тяговую сеть станции и перегона слева подается напряжение, отличающееся по фазе от напряжения, подаваемого в тяговую сеть перегона справа. Контактная сеть перегона слева от станции получает питание от шины фазы В через выключатель Qx по питающей линии, тяговый рельс подключен к шине фазы С, которая на подстанции заземляется, контактная сеть станции получает питание от шины фазы В через выключатель Q2, перегон справа питается от фазы А через выключатель Qy.
Контактная сеть станции Отделяется от перегона слева изолирующим сопряжением ЕС, а от перегона справа — нейтральной вставкой НВ, состоящей из двух изолирующих сопряжений. Нейтральная вставка позволяет токоприемнику ЭПС переходить с фазы В станции на фазу А перегона, не создавая короткого замыкания между фазами, так как изолирующие сопряжения НВ перекрываются токоприемником поочередно.
После подачи напряжения в тяговую сеть выключателями Q1, Qv Q3 машинист может, подняв токоприемник электровоза и включив Выключатель Qs, подать напряжение на первичную обмотку тягового трансформатора электровоза 7. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки Тэ, выпрямляется выпрямителем UD и через сглаживающий реактор LR подводится к тяговым двигателям М, через которые протекает ток. Вращение двигателей приводит ЭПС в движение.
От шин 27,5 кВ тяговой подстанции получают питание также нетяговые потребители. Для этого через выключатель Q4 к шинам А и В подключены два провода, проложенные на опорах контактной сети с полевой стороны, третьим проводом этой системы является рельс. Система получила название ДПР (два провода-рельс). Понижающие трансформаторы комплектных трансформаторных подстанций потребителей ТКТП подключаются к проводам и рельсу системы ДПР, понижают напряжение до величины необходимой потребителю.
Электроэнергию для собственных нужд подстанции СН (питание цепей управления, сигнализации, защиты, автоматики, освещения, отопления, вентиляции) получают от трансформатора собственных нужд Тт. От шин собственных нужд через трансформатор ГСЦБ напряжение подается в линию ВЛ СЦБ 10 кВ, предназначенную для питания устройств СЦБ. От ВЛ СЦБ получают электроэнергию трансформаторы сигнальных точек автоблокировки ГСТА, которые, в свою очередь, питают релейные шкафы СЦБ, а через них — лампы светофоров. Так как от работы устройств СЦБ зависит бесперебойное движением поездов на участке, они должны иметь резервный источник питания. В качестве резервного источника используется трансформатор напряжения Т V, подключенный к одному из проводов линий ДПР и рельсу.
Система электроснабжения переменного тока имеет и ряд недостатков. Один из них заключается в значительном электромагнитоном влиянии тяговой сети на лини связи, проходящие вдоль железных дорог, что заставляет выполнять их не воздушными, как на постоянном токе, а кабельными. Это приводит к увеличению стоимости электрификации железных дорог.
Возникают также проблемы несимметрии токов и напряжений как в тяговой так и во внешней системе электроснабжения из-за того, что электровозы потребляют однофазный ток, а линии электропередачи трехфазные. Так как перегоны, прилегающие к станции, на которой находится тяговая подстанция, питаются от разных фаз системы внешнего электроснабжения, то появляется необходимость монтажа нейтральных вставок ИВ (рис. 1) у каждой подстанции. На нейтральную вставку напряжение не подается, поэтому ЭПС может потреблять ток при своем движении только до НВ. После перехода токоприемника на нейтральную вставку протекание тока через двигатели ЭПС должно прекратиться. Однако при большом токе это сразу не происходит, за, токоприемником тянется электрическая дуга, которая за доли секунды может пережечь контактный провод. Во избежание этого машинист обязан отключить ток, подъезжая к нейтральной вставке. Однако преждевременное отключение тока может вызвать остановку поезда на нейтральной вставке. Следовательно, проезд нейтральной вставки требует от машиниста большого внимания, а наличие таких вставок увеличивает вероятность пережога контактного провода.
К недостаткам системы переменного тока можно отнести усложнение и удорожание электровозов, т.к. на них перенесены с подстанций постоянного тока тяговые трансформаторы Тэ и выпрямители UD.
Система однофазного переменного тока 2 х 25 кВ появилась в результате стремления повысить напряжение для существенного увеличения передаваемой по тяговой сети электрической
мощности, снизить потери напряжения в тяговой сети и одновременно использовать стандартный электроподвижной состав на напряжение 25 кВ. При этой системе электроэнергия от тяговой подстанции к ЭПС передается в два этапа: сначала от подстанции до автотрансформаторных пунктов (АТП) напряжением 50 кВ, затем от АТП до ЭПС напряжением 25 кВ.
На рис. 2 приведена схема участка железной дороги, электрифицированного по системе 2 х 25 кВ. К линии электропередачи ЛЭП-110 кВ подключены однофазные трансформаторы тяговой подстанции Г, и Тг, понижающие напряжение до 55 кВ. Вторичные обмотки трансформаторов подключены к шинам РУ-55 кВ: Г, к К{ и /7,, Т2 к К2 и П2. Средние точки этих обмоток соединены между собой и подключены к рельсам. Таким образом между рельсами и шинами Я,, К2, Я2 напряжение 27,5 кВ, а между К1 и Я, — 55 кВ, между /С, и Я2 — 55 кВ. Шины К1 и К2 служат для питания контактного провода на станции и перегонах слева и справа от станции, а к шинам Я, и Я2 подключены питающие провода, проложенные на опорах контактной сети перегонов.
На межподстанционной зоне (между двумя подстанциями) на расстоянии от 8 до 15 км располагаются автотрансформаторные пункты А ТПХ, А ТП2 и т.д., подключенные к проводам контактной сети и питающему проводу. Автотрансформаторы А ТП получают электроэнергию напряжением 50 кВ от тяговых подстанций и отдают ее ЭПС напряжением 25 кВ.
Рис. 2. Упрощенная схема питания тяги и нетяговых потребителей от ТП переменного тока системы 2 х 25 кВ
Питание контактной сети перегонов осуществляется через двухфазные выключатели Qx и Qv а питание станции — через однофазный выключатель Qr Система ДПР (два провода-рельс) для питания нетяговых потребителей, расположенных вдоль железной дороги, подключена к шинам подстанции через выключатель QA, провода ее закрепляются на опорах контактной сети с полевой стороны, как и питающие провода Я, и Я2. К проводам системы ДПР и рельсу подключаются трансформаторы комплектых трансформаторных подстанций которые понижают напряжение до величины необходимой потребителю. К системе ДПР подключаются трансформаторы напряжения TV резервного питания релейных шкафов СЦБ. Основное питание релейных шкафов осуществляется от воздушной линии СЦБ 10 кВ через трансформатор сигнальной точки автоблокировки ГСТА. ВЛ СЦБ 10 кВ получает электроэнергию от шин собственных нужд СН тяговой подстанции через повышающий трансформатор ГСЦБ. На шины собственных нужд электроэнергия поступает от распределительного устройства 55 кВ (РУ- 55 кВ) через трансформатор собственных нужд.
Трансформатор собственных нужд получает электроэнергию напряжением 27,5 кВ от шин 77, и П2 РУ-55 кВ и от средних точек трансформаторов Г, и Т2, понижает напряжение до 0,4 кВ и питает этим напряжением потребителей собственных нужд СН и трансформатор С ЦБ. Подключение Гсн и проводов ДПР может осуществляться и к другим шинам РУ-55 кВ, например, Я, и К2 при условии, что между ними напряжение 27,5 кВ.
Перегон слева от подстанции и контактная сеть станции получают питание от трансформатора Г, и отделяются друг от друга изолирующим сопряжением ИС. Перегон справа от подстанции получает питание от трансформатор Т2, который подключен в отличии от Г, к другим фазам ЛЭП-110 кВ, поэтому контактная сеть станции отделяется от перегона нейтральной вставкой НВ, обеспечивающей переход токоприемника ЭПС с одной фазы контактной сети на другую без короткого замыкания между фазами. Более подробно процесс этого перехода описан в пояснении к рис. 1.
ЭПС, находящийся между двумя автотрансформаторными пунктами Л ГЯ, и А ГЯ2 получает от двух автотрансформаторов ток, цепь прохождения которого показана на рис. 2 пунктирной линией. Когда же ЭПС располагается между тяговой подстанцией и А ТПГ то питается от них. При этом ток подстанции идет от трансформатора Т2 через полюс выключателя Qv контактный провод, токоприемник, выключатель электровоза Qs, первичную обмотку трансформатора Т3, колесную пару, рельс, отсасывающую линию на среднюю точку вторичной обмотки трансформатора Т2.
Система электроснабжения 2 х 25 кВ имеет ряд достоинств по сравнению с системой переменного тока 25 кВ:
меньшие нагрузки на провода контактной сети;
снижение потерь напряжения и энергии в тяговой сети;
уменьшение влияния на воздушные линии связи;
увеличение расстояния между тяговыми подстанциями до 80- 90 км, что дает возможность располагать их в наиболее удобных для эксплуатации местах.
Положительные свойства этой системы дают возможность применять ее для усиления устройств электроснабжения при возрастающем грузопотоке без увеличения числа тяговых подстанций, для электрификации линий, пролегающих в малонаселенных районах страны.