В настоящее время в мире имеют место различные системы тяги как постоянного, так и переменного тока.
Система тяги постоянного тока
. Исторически первой появилась система тяги постоянного тока. Этому способствовали возникновение первых электротехнических отраслей, которые использовали технику постоянного тока, достаточно хорошо изученную к тому времени. Был создан двигатель постоянного тока, имевший наилучшие тяговые характеристики среди известных тогда двигателей. Система оказалась настолько удачной, что, появившись в конце прошлого века, успешно функционирует и в наши дни. Существуют различные модификации систем тяги постоянного тока, различающихся, в основном, уровнем подводимого к электроподвижному составу (ЭПС) напряжением — от 750 до 3000 вольт. На рис. 23 приведена принципиальная схема наиболее распространенной системы тяги постоянного тока.
Недостаток этой системы состоит в необходимости преобразования переменного тока в постоянный. Тяговые подстанции получают электроэнергию от электроэнергетических систем общего назначения с высоким уровнем напряжения (чаще всего 110…220 кВ). На тяговых подстанциях постоянного тока происходит преобразование энергии переменного тока высокого напряжения в энергию постоянного тока с уровнем напряжения, необходимым для работы цепей тяговых двигателей (чаще всего 3000 В). На большинстве отечественных подстанций постоянного тока имеет место двойная трансформация, что и отражено на рис. Промежуточный уровень напряжения (обычно 10 кВ) используется для питания нетяговых железнодорожных потребителей.
Рис. 1. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения 3 кВ. на рисунке А, В, С – фазы ЛЭП; ПТ – понижающий трансформатор; Р – шины нетяговых (районных потребителей); ТТ – тяговый трансформатор; ПВ – полупроводниковый выпрямитель; НВ – нейтральная вставка; ЭПС – электроподвижной состав
Достоинства и недостатки системы тяги постоянного тока 3 кВ.
Достоинством системы тяги постоянного тока являются: 1. Слабое электромагнитное влияние на смежные устройства электрических железных дорог, 2. Отсутствие реактивных потоков по тяговым сетям и, вследствие этого, исключение необходимости использования средств компенсации реактивной мощности.
К основным недостаткам следует отнести:
1.Низкий уровень напряжения в тяговой сети и малые расстояния между тяговыми подстанциями (в среднем 15 км).
2. Значительное гальваническое влияние на подземные коммуникации (оболочки кабелей, трубопроводы и др.), устройства пути (крепежные элементы), и арматуру контактной сети, что приводит к их коррозии.
3. Относительно большое сечение проводов контактной сети и значительный расход цветных металлов.
4. Сложность тяговых подстанций.
5. Наличие пусковых реостатов на электроподвижном составе, приводящих к значительным потерям при пуске. Это особенно проявляется на ЭПС пригородного сообщения с частыми остановками и пусками.
Пути совершенствования систем электрической тяги постоянного тока 3 кВ.
Системы тяги постоянного тока остаются эффективным транспортным средством. Их технико-экономические показатели не уступают другим системам в пригородном пассажирском электрическом транспорте и метрополитена.
Подстанции
. Тяговые подстанции, располагающиеся через несколько километров, получают переменный ток высокого напряжения из электрической сети общего назначения и с помощью трансформаторов и выпрямителей преобразуют его в постоянный ток пониженного напряжения. Входные цепи переменного тока и выходные постоянного защищены быстродействующей коммутационной аппаратурой, отключающей оборудование в случае возникновения токов короткого замыкания.
Уровень напряжения и мощность ТП зависят от многих факторов, например, типа ЭПС, интенсивности движения и т.д.
Для того чтобы система электроснабжения соответствовала энерговооруженности современного подвижного состава, необходимо увеличение мощности, поступающей от тяговых подстанций. Это связано со следующими факторами:
- Необходимостью обеспечения повышенных ускорений и высоких скоростей движения, что обусловливает более высокие пиковые нагрузки;
- Повышение интенсивности движения поездов приводит к росту доли работы системы в режиме полной нагрузки.
- Повышение уровня комфорта для пассажиров связано с увеличением мощности для питания бортовых систем подвижного состава.
Трансформаторы.
Прогресс в трансформаторостроении позволяет изготавливать их с меньшими габаритами и массой. Это делает возможным использование таких трансформаторов для закрытых распределительных устройств. В то время как трансформаторы для открытых распределительных устройств в системах тяги переменного тока, обычно выполняются с жидкостным охлаждением.
Отказ от применения дорогостоящих и подчас опасных охлаждающих жидкостей обусловливает дальнейшее совершенствование сухих трансформаторов открытого типа. Устранение жидкости из трансформаторов обеспечивает преимущества, выражающиеся в меньшей стоимости, габаритах, массе и объеме строительных работ. Нет надобности в системах улавливания трансформаторного масла в случае его аварийного разлива. Герметичные трансформаторы в виде литого блока практически не требуют технического обслуживания, что значительно снижает эксплуатационные расходы в расчете на весь жизненный цикл, а также более приемлемы с экологической точки зрения.
Выпрямители.
В последние годы произошло много изменений в схемах и конструкции выпрямительных устройств для тягового применения. Эти изменения включают в себя переход на капсулированное (с помещением в герметичные кожухи) исполнение и многофазную последовательную мостовую схему без плавких предохранителей.
Прогресс в полупроводниковой технике привел к появлению капсюльных (пуговичных) силовых диодов, имеющих значительно большую мощность. За рубежом освоен выпуск устройств, рассчитанных на мощность до 2 МВт и напряжение 750 В, только с одним диодом в каждом фазовом плече, в то время как в более ранних конструкциях для получения той же мощности обычно приходилось включать в каждое фазовое плечо до пяти диодов. Кроме того, для удовлетворения все более жестких требований поставщиков электроэнергии, 6-фазные выпрямители повсеместно заменяют 12-, а в ряде случаев 24-фазными устройствами. Для повышения надежности и снижения уровня помех параллельные мостовые схемы заменяются последовательными.
Современные выпрямительные устройства тягового применения имеют достаточную перегрузочную способность, обеспечивающую надежность их работы на период действия защитных устройств. Значительная вероятность короткого замыкания на стороне выпрямленного напряжения делает проблему защиты выпрямителя весьма актуальной. Выключатели постоянного тока предназначены для защиты от короткого замыкания, и обеспечивают требуемый уровень безопасности. Если выключатель постоянного тока не сработает в течение 20 мс после возникновения короткого замыкания, то в следующие 80… 200 мс цепь будет отключена выключателем переменного тока. Благодаря гарантированной способности выпрямителя выдержать такую аварийную ситуацию до срабатывания выключателя переменного тока он остается полностью защищенным.
Коммутационная аппаратура.
Выключатели постоянного тока за последнее время мало изменились. Типовым остается установленный на тележке выключатель выкатного типа, спроектированный с учетом требований по изоляции. Разработками последних лет являются бесконтактные полупроводниковые выключатели, но их применение, вероятно, будет ограничено из-за высокой стоимости и необходимости обеспечения изоляции цепей.
Блочные тяговые подстанции.
В последнее время широкое распространение получили блочные (модульные) тяговые подстанции. В таких подстанциях коммутационная аппаратура переменного и постоянного тока, трансформаторы, выпрямители, и испытываются на заводе-изготовителе. Блок транспортируется на место, устанавливается на заранее подготовленный фундамент и подсоединяется к питающей сети переменного тока и к контактной сети постоянного тока.
Основными преимуществами блочных подстанций являются:
- низкая стоимость, вследствие более низких расходов на строительство здания;
- быстрота установки и ввода в эксплуатацию;
- снижение отказов в эксплуатации;
- облегчение пуска в эксплуатацию за счет выполнения полного цикла испытаний на заводе.
Рекуперативное торможение.
При торможении кинетическая энергия подвижного состава преобразуется в электрическую и передается по контактной сети либо к другим тяговым нагрузкам (электровозам), либо, если тяговых нагрузок нет, с помощью специального инвертора передается в питающую сеть. Это экономит энергию, которая в случае торможения колодками теряется бесполезно.
При рекуперативном торможении напряжение в контактной сети повышается, и, если в пределах зоны питания той же тяговой подстанции движется другой поезд, находящийся в режиме тяги, он может получать энергию на движение, вырабатываемую тормозящим поездом.