В чем измеряется напряжение контактной сети наземного электротранспорта

1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транспорта

К числу наземного электрического транспорта относят трамваи и троллейбусы, которые используются в основном как городские транспортные средства. Для питания этого вида транспорта системы электроснабжения могут быть централизованными и распределенными.

Централизованная система электроснабжения – это система, в которой каждая тяговая подстанция питает протяженный район контактной сети по многим кабелям, децентрализованная – система, как правило, с двумя плюсовыми и двумя минусовыми кабелями, выводимыми на контактную сеть, каждая секция которой питается с двух сторон от двух тяговых подстанций.

Питание тяговых подстанций производится по кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ, присоединяемым к распределительному устройству высшего напряжения. Современные тяговые подстанции служат для преобразования трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц в постоянный. Для городского электрического наземного транспорта принято напряжение постоянного тока: на шинах тяговой подстанции – 600 В, на токоприемнике трамвая и троллейбуса – 550. Структурная схема тяговой подстанции приведена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Структурная схема тяговой подстанции и тяговой сети

Классификация тяговых подстанций может быть проведена по нескольким показателям: по назначению подстанции бывают трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные; наибольшее распространение в практике получили наземные подстанции. Для централизованного электроснабжения трамвая и троллейбуса их строят трехагрегатными, а децентрализованного – одно и двухагрегатными. Подробно с системой электроснабжения трамвая и троллейбуса можно ознакомиться по источнику [9]. В последнее время все большее распространение получает новый вид электрического транспорта – монорельсовый транспорт.

1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта

Монорельсовый транспорт – вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке – монорельсу, установленному на опорах или эстакаде на некотором расстоянии над землей.

В настоящее время широкое распространение получили две системы монорельсового транспорта: с колесным опиранием и магнитным подвесом.

Монорельсовый транспорт с колесным опиранием эксплуатируется во всех развитых странах, обеспечивая перевозки пассажиров по городским линиям. В 2004 г. в Москве пущена в опытную эксплуатацию Московская монорельсовая дорога (ММД) длиной 5 км в районе телецентра Останкино между Всероссийским выставочным центром (ВВЦ) и станцией метро «Тимиря-зевская».

Поезд ММД состоит из шести вагонов вместимостью 24 человека каждый. Московская монорельсовая дорога устроена следующим образом (рис. 1.21): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на эстакаду 4 при помощи опорных катков 5. Катки 6 и 7 обеспечивают вертикальную и горизонтальную стабилизацию экипажа. Передвижение осуществляется за счет линейного асинхронного двигателя 8, обмотки которого расположены на тележке и взаимодействуют с реактивной шиной 9, закрепленной на эстакаде.

В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 10, взаимодействующих с токопроводами 11, закрепленными посредством кронштейнов 12 на эстакаде.

Отличием данной схемы от классической является то, что в качестве движителя используются не колеса, а электрический линейный привод, обеспечивающий эффективную тягу и заданные ускорения вне зависимости от коэффициента трения качения колеса по балке.

Рис. 1.21. Схема расположения подвижного состава ММД на эстакаде

Для монорельсовых транспортных систем характерны скорости движения до 60 км/ч, в отдельных случаях на скоростных трассах до 100 км/ч. Потребляемый ток может составлять 200250 А на один токоприемник при напряжении 500600 В постоянного и 380500 В переменного тока.

Система электроснабжения такого транспорта аналогична системам электроснабжения метрополитена и городского электрического транспорта.

Электромагнитный монорельсовый транспорт. Принципиальной отличительной особенностью монорельсового транспорта с подвижным составом на электромагнитном подвесе (ЭМТ) является отсутствие традиционного для наземного транспорта колеса, выполняющего функцию опоры, направления и тягового усилия за счет сцепления с путевым полотном. В новом виде транспорта эти функции выполняет магнитное поле, что дает ряд несомненных преимуществ, особенно в части снижения уровня вибрации и шума и устранения сопротивления движению.

Классификация систем электромагнитного рельсового транспорта приведена на рис.1.22.

Рис. 1.22. Структурная схема ЭМТ

Система электроснабжения ЭМТ зависит от того, где размещены обмотки линейного двигателя – в пути или на экипаже [10]. В первом случае эта система носит название «длинный статор» и не требует специальных устройств для передачи электроэнергии на экипаж. Такая схема реализована в системах Transrapid (Германия), ML (Япония) и др. К недостаткам данной системы можно отнести высокую стоимость и сложность управления движением.

Если обмотка двигателя размещена на экипаже, то такая система называется «короткий статор». Она реализована в системах HSST (Япония) и ТЭМП (Россия), имеющих гораздо более низкую стоимость, но требующих применения устройств токосъема.

В России работы по созданию ЭМТ были начаты в середине 70-х гг. В настоящее время головной организацией в этой отрасли является инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва), в состав которого входят экспериментальный комплекс и испытательная трасса в г. Раменское, где ведутся работы по созданию отечественных систем монорельсового подвижного состава с электромагнитным подвесом.

Условия работы контактной системы ЭМТ обусловлены особенностями конструкции экипажа и характером расположения его на эстакаде (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Особенности системы токосъема ЭМТ

Кузов вагона ЭМТ установлен на тележке 1, охватывающей Т-образную эстакаду, на которой размещены опорные рельсы 3. На тележке смонтированы посадочные упоры 4, элементы подрессоривания 5 кузова 6, активная часть линейного электродвигателя 7, взаимодействующая с реактивной шиной 8, закрепленной на эстакаде 2. С феррорельсами 9 взаимодействуют электромагниты 10, обеспечивающие подвес экипажа.

В нижней части узла крепления электромагнитов закреплены токоприемники 11, контактные элементы 12 которых обеспечивают токосъем с нижней поверхности контактного рельса, закрепленного на эстакаде с помощью изоляторов. Напряжение – 1500 В, род тока – постоянный.

Данная схема была принята за основу при создании первой отечественной линии ЭМТ Москва – Шереметьево-2.

Система электроснабжения электромагнитного монорельсового транспорта с линейным асинхронным двигателем. При скорости движения свыше 300 км/ч мощность линейного двигателя, необходимая для преодоления сопротивления движению, оценивается в несколько мегаватт, поэтому к устройствам передачи электроэнергии на борт экипажа предъявляются высокие требования. Наиболее целесообразным в этом случае является применение контактного токосъема с использованием токоприемников и жесткой контакт- ной сети.

Максимальное тяговое усилие, развиваемое ЛАД, реализуется при от­носительно низком напряжении на статорной обмотке. Вслед­ствие этого передача энергии к двигателям поезда должна осу­ществляться при относительно низком напряжении (до 4000 В) и большом токе (до 8 кА). Пункты питания с преобразователями при этом необходимо располагать очень часто — менее чем через 0,1 км, что практически неосуществимо. Организация систем элект­роснабжения по такой системе весьма затруднительна из-за боль­ших потерь напряжения в сети. Для увеличения протяженности зон питания необходимо использовать усиливающие линии, но они дают незначительный эффект при технически возможных сечениях проводов фаз. В этих условиях целесообразно передавать энер­гию по продольной питающей линии (ППЛ) более высоким напряжением, а контактной сети оставить в основном функцию токо­съема. Связь между продольной питающей .линией и контактной сетью осуществить посредством согласующих трансформаторов. Конфигурации системы электроснабжения получаются сущест­венно различными в зависимости от того, где расположены пре­образователи в системе передачи электроэнергии от энергосистемы до поезда.

На рис.1.24 представлены варианты систем электроснабже­ния с тяговой сетью трехфазного переменного и постоянного тока.

На рис. 1.24,а преобразователи (ПН и ПЧ) расположены на тяговой подстанции.

Через продольную питающую линию и согласующие трансформаторы (СТ) в контактную сеть энергия передается трехфазным переменным током с изменяющимися напряжением и частотой. При этом уровень номинального напряжения в продоль­ной питающей линии может быть выбран достаточно высоким для уменьшения сечения проводов фаз.

Рис.1.24. Схемы тягового электроснабжения ВСНТ с ЭМП и ЛАД:

а – система трехфазного переменного тока в контактной сети

с преобразователями на тяговых подстанциях; Тр1 – трансформатор

подстанции; ПЧ, ПН – преобразователи напряжения и частоты;

ППЛ – продольная питающая линия; Тр2 (СТ) – согласующий трансформатор питающего пункта; к. с. – контактная сеть; б – система трехфазного

пе­ременного тока в контактной сети с преобразователями на питающих пунктах; в – систе­ма постоянного тока в контактной сети с «разнесенными»

В целях уменьшения индуктивного сопротивления питающей линии и соответственно падения напряжения в ней можно переда­вать энергию при постоянной частоте 50 Гц. Для этого преобразо­ватели ПН и ПЧ устанавливаются последовательно с согласую­щим трансформатором (рис.1.24,б) между продольной питаю­щей линией и контактной сетью в так называемых питающих пунктах.

Подстанции конструктивно упрощаются, на них остаются толь­ко силовые трансформаторы. Зоны питания продольной питающей линии в этом варианте могут быть более протяженными, чем в предыдущем. Однако в этом случае увеличивается число преобразователей.

Каждый из указанных вариантов систем имеет свои преиму­щества и недостатки. Выбор целесообразного варианта может быть осуществлен после технико-экономической оценки каждого, сравнения результатов и выбора наиболее экономичного по затратам.

В чем измеряется напряжение контактной сети наземного электротранспорта

1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транспорта

К числу наземного электрического транспорта относят трамваи и троллейбусы, которые используются в основном как городские транспортные средства. Для питания этого вида транспорта системы электроснабжения могут быть централизованными и распределенными.

Централизованная система электроснабжения – это система, в которой каждая тяговая подстанция питает протяженный район контактной сети по многим кабелям, децентрализованная – система, как правило, с двумя плюсовыми и двумя минусовыми кабелями, выводимыми на контактную сеть, каждая секция которой питается с двух сторон от двух тяговых подстанций.

Питание тяговых подстанций производится по кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ, присоединяемым к распределительному устройству высшего напряжения. Современные тяговые подстанции служат для преобразования трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц в постоянный. Для городского электрического наземного транспорта принято напряжение постоянного тока: на шинах тяговой подстанции – 600 В, на токоприемнике трамвая и троллейбуса – 550. Структурная схема тяговой подстанции приведена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Структурная схема тяговой подстанции и тяговой сети

Классификация тяговых подстанций может быть проведена по нескольким показателям: по назначению подстанции бывают трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные; наибольшее распространение в практике получили наземные подстанции. Для централизованного электроснабжения трамвая и троллейбуса их строят трехагрегатными, а децентрализованного – одно и двухагрегатными. Подробно с системой электроснабжения трамвая и троллейбуса можно ознакомиться по источнику [9]. В последнее время все большее распространение получает новый вид электрического транспорта – монорельсовый транспорт.

1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта

Монорельсовый транспорт – вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке – монорельсу, установленному на опорах или эстакаде на некотором расстоянии над землей.

В настоящее время широкое распространение получили две системы монорельсового транспорта: с колесным опиранием и магнитным подвесом.

Монорельсовый транспорт с колесным опиранием эксплуатируется во всех развитых странах, обеспечивая перевозки пассажиров по городским линиям. В 2004 г. в Москве пущена в опытную эксплуатацию Московская монорельсовая дорога (ММД) длиной 5 км в районе телецентра Останкино между Всероссийским выставочным центром (ВВЦ) и станцией метро «Тимиря-зевская».

Поезд ММД состоит из шести вагонов вместимостью 24 человека каждый. Московская монорельсовая дорога устроена следующим образом (рис. 1.21): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на эстакаду 4 при помощи опорных катков 5. Катки 6 и 7 обеспечивают вертикальную и горизонтальную стабилизацию экипажа. Передвижение осуществляется за счет линейного асинхронного двигателя 8, обмотки которого расположены на тележке и взаимодействуют с реактивной шиной 9, закрепленной на эстакаде.

В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 10, взаимодействующих с токопроводами 11, закрепленными посредством кронштейнов 12 на эстакаде.

Отличием данной схемы от классической является то, что в качестве движителя используются не колеса, а электрический линейный привод, обеспечивающий эффективную тягу и заданные ускорения вне зависимости от коэффициента трения качения колеса по балке.

Рис. 1.21. Схема расположения подвижного состава ММД на эстакаде

Для монорельсовых транспортных систем характерны скорости движения до 60 км/ч, в отдельных случаях на скоростных трассах до 100 км/ч. Потребляемый ток может составлять 200250 А на один токоприемник при напряжении 500600 В постоянного и 380500 В переменного тока.

Система электроснабжения такого транспорта аналогична системам электроснабжения метрополитена и городского электрического транспорта.

Электромагнитный монорельсовый транспорт. Принципиальной отличительной особенностью монорельсового транспорта с подвижным составом на электромагнитном подвесе (ЭМТ) является отсутствие традиционного для наземного транспорта колеса, выполняющего функцию опоры, направления и тягового усилия за счет сцепления с путевым полотном. В новом виде транспорта эти функции выполняет магнитное поле, что дает ряд несомненных преимуществ, особенно в части снижения уровня вибрации и шума и устранения сопротивления движению.

Классификация систем электромагнитного рельсового транспорта приведена на рис.1.22.

Рис. 1.22. Структурная схема ЭМТ

Система электроснабжения ЭМТ зависит от того, где размещены обмотки линейного двигателя – в пути или на экипаже [10]. В первом случае эта система носит название «длинный статор» и не требует специальных устройств для передачи электроэнергии на экипаж. Такая схема реализована в системах Transrapid (Германия), ML (Япония) и др. К недостаткам данной системы можно отнести высокую стоимость и сложность управления движением.

Если обмотка двигателя размещена на экипаже, то такая система называется «короткий статор». Она реализована в системах HSST (Япония) и ТЭМП (Россия), имеющих гораздо более низкую стоимость, но требующих применения устройств токосъема.

В России работы по созданию ЭМТ были начаты в середине 70-х гг. В настоящее время головной организацией в этой отрасли является инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва), в состав которого входят экспериментальный комплекс и испытательная трасса в г. Раменское, где ведутся работы по созданию отечественных систем монорельсового подвижного состава с электромагнитным подвесом.

Условия работы контактной системы ЭМТ обусловлены особенностями конструкции экипажа и характером расположения его на эстакаде (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Особенности системы токосъема ЭМТ

Кузов вагона ЭМТ установлен на тележке 1, охватывающей Т-образную эстакаду, на которой размещены опорные рельсы 3. На тележке смонтированы посадочные упоры 4, элементы подрессоривания 5 кузова 6, активная часть линейного электродвигателя 7, взаимодействующая с реактивной шиной 8, закрепленной на эстакаде 2. С феррорельсами 9 взаимодействуют электромагниты 10, обеспечивающие подвес экипажа.

В нижней части узла крепления электромагнитов закреплены токоприемники 11, контактные элементы 12 которых обеспечивают токосъем с нижней поверхности контактного рельса, закрепленного на эстакаде с помощью изоляторов. Напряжение – 1500 В, род тока – постоянный.

Данная схема была принята за основу при создании первой отечественной линии ЭМТ Москва – Шереметьево-2.

Система электроснабжения электромагнитного монорельсового транспорта с линейным асинхронным двигателем. При скорости движения свыше 300 км/ч мощность линейного двигателя, необходимая для преодоления сопротивления движению, оценивается в несколько мегаватт, поэтому к устройствам передачи электроэнергии на борт экипажа предъявляются высокие требования. Наиболее целесообразным в этом случае является применение контактного токосъема с использованием токоприемников и жесткой контакт- ной сети.

Максимальное тяговое усилие, развиваемое ЛАД, реализуется при от­носительно низком напряжении на статорной обмотке. Вслед­ствие этого передача энергии к двигателям поезда должна осу­ществляться при относительно низком напряжении (до 4000 В) и большом токе (до 8 кА). Пункты питания с преобразователями при этом необходимо располагать очень часто — менее чем через 0,1 км, что практически неосуществимо. Организация систем элект­роснабжения по такой системе весьма затруднительна из-за боль­ших потерь напряжения в сети. Для увеличения протяженности зон питания необходимо использовать усиливающие линии, но они дают незначительный эффект при технически возможных сечениях проводов фаз. В этих условиях целесообразно передавать энер­гию по продольной питающей линии (ППЛ) более высоким напряжением, а контактной сети оставить в основном функцию токо­съема. Связь между продольной питающей .линией и контактной сетью осуществить посредством согласующих трансформаторов. Конфигурации системы электроснабжения получаются сущест­венно различными в зависимости от того, где расположены пре­образователи в системе передачи электроэнергии от энергосистемы до поезда.

На рис.1.24 представлены варианты систем электроснабже­ния с тяговой сетью трехфазного переменного и постоянного тока.

На рис. 1.24,а преобразователи (ПН и ПЧ) расположены на тяговой подстанции.

Через продольную питающую линию и согласующие трансформаторы (СТ) в контактную сеть энергия передается трехфазным переменным током с изменяющимися напряжением и частотой. При этом уровень номинального напряжения в продоль­ной питающей линии может быть выбран достаточно высоким для уменьшения сечения проводов фаз.

Рис.1.24. Схемы тягового электроснабжения ВСНТ с ЭМП и ЛАД:

а – система трехфазного переменного тока в контактной сети

с преобразователями на тяговых подстанциях; Тр1 – трансформатор

подстанции; ПЧ, ПН – преобразователи напряжения и частоты;

ППЛ – продольная питающая линия; Тр2 (СТ) – согласующий трансформатор питающего пункта; к. с. – контактная сеть; б – система трехфазного

пе­ременного тока в контактной сети с преобразователями на питающих пунктах; в – систе­ма постоянного тока в контактной сети с «разнесенными»

В целях уменьшения индуктивного сопротивления питающей линии и соответственно падения напряжения в ней можно переда­вать энергию при постоянной частоте 50 Гц. Для этого преобразо­ватели ПН и ПЧ устанавливаются последовательно с согласую­щим трансформатором (рис.1.24,б) между продольной питаю­щей линией и контактной сетью в так называемых питающих пунктах.

Подстанции конструктивно упрощаются, на них остаются толь­ко силовые трансформаторы. Зоны питания продольной питающей линии в этом варианте могут быть более протяженными, чем в предыдущем. Однако в этом случае увеличивается число преобразователей.

Каждый из указанных вариантов систем имеет свои преиму­щества и недостатки. Выбор целесообразного варианта может быть осуществлен после технико-экономической оценки каждого, сравнения результатов и выбора наиболее экономичного по затратам.

Тяговые подстанции

Эти электроустановки имеют ряд значительных отличий от силовых трансформаторных подстанций, которые обеспечивают электрическим питанием города и поселки.

• Относятся к потребителям электрической энергии I категории – они не могут быть отключены ни при каких обстоятельствах, поскольку это может повлечь за собой катастрофические последствия. Поэтому к ним подводится две или более магистральных электролиний.
• Не всегда являются понижающими трансформаторами. Большая часть из них – это выпрямители, обеспечивающие подачу в контактную сеть постоянного тока.
• Преобразованная ими электрическая энергия имеет параметры, отличные от тех, что используются в промышленности и быту. По этой причине обеспечиваемая ими контактная сеть является автономной и не имеет гальванического контакта с другими электросетями. От тяговых подстанций может быть проложена электрическая линия для подачи электропитания в ближайшие к ним населенные пункты, если иной возможности их электрифицировать нет.
• В их конструкции предусмотрена возможность рекуперации – возврата части электрической энергии в сеть за счет ее генерации электродвигателями во время торможения.

Для каждого вида электрифицированного транспорта используются свои тяговые подстанции, отличающиеся по принципу работы и номиналу напряжения.

Железнодорожный электротранспорт

Его контактная сеть имеет большую протяженность. Причем нередко по таким местам, где иных источников электрического тока нет. Поэтому по ней может течь не только постоянный, но и переменный ток, который передается на большие расстояния с меньшими потерями.

Номинальное напряжение контактной сети

На подстанции подается напряжение 220 или 110 кВ переменного тока, а если контактная сеть устаревшая, то 35 кВ. Для систем питания постоянным током оно преобразуется в 3,3 кВ, а для переменного в 27,5 кВ.

Для обеспечения нужд железнодорожной инфраструктуры (семафоры, стрелки, служебные помещения) в состав оборудования тяговой подстанции включается трансформаторная обмотка, с которой снимается напряжение 10 киловольт. Оно преобразуется до трехфазного линейного 380 вольт (система с глухозаземленной нейтралью), позволяющего переходить на бытовые 220 вольт 50 Гц.

Организационная структура контактной сети

На железнодорожном транспорте существуют следующие типы тяговых подстанций:

• Опорные. К ним подводится не менее четырех автономных линий электропередач. Они являются основными источниками электропитания для контактной сети. Если используется постоянный ток, то расстояние между ними не более 15 км. При переменном оно увеличивается до пятидесяти.
• Транзитные, питаются от двух независимых ЛЭП и включаются в разрыв между опорными подстанциями. Обеспечивают передачу электроэнергии на большие расстояния, а также непрерывность питания контактной сети в случае аварии на одном из участков.
• Отпаечные (тупиковые). Используются для обеспечения движения электропоездов по обособленным веткам. Отпаечные подстанции питаются от двух независимых ЛЭП.
• Стыковочные. Используются там, где происходит смена типа контактной сети. Они осуществляют гальваническую развязку между переменным и постоянным током.

Конструкция контактной сети

Трехфазные асинхронные двигатели на электротранспорте любого типа не используются по причине чрезмерного увеличения стоимости контактной сети, сложности токосъемников и невозможности их работы на высоких скоростях. Воздушный контактный провод всегда один и он фазный. Роль нулевого играет рельс, поэтому в пределах нескольких десятков метров от железнодорожного полотна регистрируются так называемые блуждающие токи.

На дальних перегонах, с целью уменьшения потерь, тяговая подстанция переменного тока выдает 50 кВ, это напряжение делится пополам (схема 25х2) между питающим и контактным проводом с помощью автотрансформатора, центральная точка которого замкнута на рельс. По контактной сети переменного тока можно пропускать и постоянный. Для этого используется стыковочная тяговая подстанция, осуществляющая переключение типа напряжения на определенном участке.

На электровозах переменного тока – ВЛ80, ВЛ85 – ставятся выпрямители и двигатели, способные работать на пульсирующем токе. Они рассчитаны на номинальное напряжение 25 киловольт – 2,5 киловольта теряются из-за высокого сопротивления цепи между контактным проводом и рельсом. Модели ВЛ10 и ВЛ11 работают на постоянном токе, а ВЛ82М имеет привод обоих типов.

Преобразовательные агрегаты

Преобразовательные агрегаты тяговых подстанций метрополитена по многим узлам унифицированы с агрегатами тяговых подстанций городского электротранспорта. По требованиям пожарной безопасности тяговые трансформаторы, устанавливаемые в подземных выработках, выполняются сухими (безмасляными). С целью снижения уровня пульсаций выходного напряжения выпрямительные агрегаты тяговых подстанций выполняют шести- и двенадцатипульсовыми с соединением вентилей по нулевой и мостовой схемам, а также применяют уравнительные реакторы. Выпрямительные агрегаты производятся как с неуправляемыми вентилями (диодами), так и с управляемыми (тиристорами), что позволяет регулировать уровень выпрямленного напряжения и избегать возникновения уравнительных токов при параллельной работе нескольких агрегатов. Применяются выпрямители как с естественным, так и принудительным воздушным охлаждением.

На тяговых подстанциях устанавливают трансформаторы серий ТСЗП и ТМРУ.

Тип трансформатора	ТСЗП-1600/10МУЗ	ТСЗП-1600/10МНУ3	ТСЗП-2500/10МУ3	ТСЗП-2500/10МНУ3
Номинальное напряжение сетевой обмотки, кВ	6,3	10,5	6,3	10,5
Ток преобразователя, А	1 600	1 600	2 500	2 500
Напряжение короткого замыкания, %	6,7	6,8	7,1	5,8
Потери в режиме короткого замыкания, Вт	10 500	10 500	13 500	14 000
Потери в режиме холостого хода, Вт	2 500	2 800	4 800	4 000
Масса, кг	5 500	5 500	8 050	8 200

Структура

Описание типовых схем представленных аппаратов достаточно сложное. Однако можно выделить общие черты. Подключение в системе производится в соответствии с особенностями транспорта, для которого применяется агрегат.

Распределитель состоит из трех блоков. В первом находится устройство, принимающее высокое напряжение, во втором отсеке – трансформатор, а в третьем – выход для электроэнергии с заданными характеристиками. Предусмотрен всего один выключатель. На вводе присутствует разъединитель.

Соединение первичных обмоток выполняется по схеме звезда. Нулевая фаза обязательно заземляется. Вторичные обмотки соединяются в виде треугольника. Одну из фаз заземляют и подводят к рельсу. В метрополитене для этого предусмотрено наличие особого контактора. Этот рельс предназначен исключительно для снятия напряжения электровозом.

Другие фазы подают ток в два воздушных кабеля. Их иногда применяют для снабжения электроэнергией других потребителей, но в основном по воздушным проводам тяговые подстанции обеспечивают питание троллейбусов. Для трамвая этот процесс предполагает задействовать один воздушный провод и один наземный рельс. В большинстве стран мира напряжение для такой сети составляет 550 В.

Понизительные подстанции

Понизительные подстанции размещают либо на пассажирских станциях, либо вблизи от них. Эти подстанции предназначены для понижения напряжения переменного тока 6, 10 или 20 кВ, получаемого по кабелям от 1 или 2 ближайших тяговых подстанций, и передачи питания соответствующим потребителям электрической энергии.

На понизительной подстанции к шинам 10 кВ через высоковольтные выключатели подсоединяются понижающие трансформаторы, несущие различные нагрузки потребителей. Электропитание эскалаторов, сантехнических устройств и других силовых установок производится от двух трансформаторов ТМ-1 и ТМ-2, которые подключены к разным секциям шин напряжением 10 кВ. Оба трансформатора нормально находятся в работе. В случае отключения одного из них всю нагрузку принимает на себя другой.

Пониженное до 380 В напряжение подаётся на силовой щит и далее к потребителям.

Питание устройств СЦБ осуществляется трёхфазным переменным током от одного из двух самостоятельных трансформаторов АТДП-1 или АТД-2, подключённых к разным секциям шин 10 кВ и выдающим на щит СЦБ 380 В. Один из трансформаторов является резервным. Переключение с основного трансформатора на резервный происходит автоматически при срабатывании следящих приборов.

Аналогичным образом к шинам 10 кВ подключены два трансформатора освещения ТО-1 и ТО-2. Для питания цепей освещения в случае исчезновения переменного тока на СТП и основных понизительных подстанциях установлены мощные свинцовые кислотные аккумуляторные батареи напряжением 150 В, рассчитанные на работу в течение не менее 1 часа. Переключение на питание от батареи происходит автоматически.

Аккумуляторные батареи находятся на постоянном подзаряде, для чего служат специальные зарядно-подзарядные устройства.

Трансформаторы освещения вторичными обмотками подключены к рабочим секциям освещения, а аккумуляторная батарея — к аварийной секции, через которые нагрузка равномерно распределяется среди потребителей.

Для распределения нагрузок среди потребителей понизительные подстанции имеют сборные шины; для отключения и включения участков цепи установлены разъединители с рычажным приводом. Для защиты аппаратов от перегрузок и переключений в цепях имеются масляные или воздушные выключатели. Отдельные цепи, идущие к потребителям, защищены плавкими предохранителями и автоматическими выключателями.

На площадке депо имеются самостоятельные понизительные подстанции наземного исполнения. Понизительная подстанция депо получает питание по двум кабелям 10 кВ от ближайшей тяговой подстанции и понижает напряжение до 380, 220 и 127 В. Подстанция питает потребителей переменного тока депо и предприятий метрополитена, расположенных на его площадке (заводы, мастерские, лаборатории и т. п.). Аккумуляторные батареи на таких подстанциях не ставят.

План и разрез понизительной подстанции мелкого заложения

Меню раздела

Выработка электроэнергии и ее распределениеГрафики нагрузок электротехнических установокОсновные условия сооружения и эксплуатацииСистема тягового энергоснабжения железных дорогЭлектроснабжение метрополитеновСхемы главных электрических соединенийТранзитная подстанцияОпорная подстанцияРаспределительное устройство тягового напряженияСхемы силовых цепей тяговых подстанций метрополитенаСхема силовых цепей подземной подстанцииПонижающие трансформаторыСиловые трансформаторы для питания не тяговых нагрузокТипы преобразовательных агрегатовСхемы преобразования токаКремниевые выпрямителиПолупроводниковые вентилиАппаратура рекуперацииБыстродействующие выключатели постоянного токаТипы быстродействующих выключателейБыстродействующий выключатель ВАБ-28фБыстродействующие анодные выключателиРазъединители и приводы к нимКороткозамыкателиКоммутационная аппаратура низкого напряженияПакетные выключатели и переключателиВоздушные автоматические выключателиКонтакторыМагнитные пускателиКомплектные распределительные устройстваОткрытые распределительные устройстваЗакрытые распределительные устройстваВспомогательное оборудование тяговых подстанцийИзоляторыИзмерительные трансформаторыРазрядникиАккумуляторные батареиСпециальное оборудование постоянного токаСпециальное оборудование переменного токаОбщая компоновка территории тяговых подстанцийЗдания тяговых подстанцийОткрытая часть подстанцийКонструкции тяговых подстанций метрополитеновЦепи вторичной коммутации и собственных нуждЦепи собственных нужд постоянного и переменного токовУправление основными коммутационными аппаратамиЦепи сигнализации, блокировки и общие подстанционные цепиТипы и принципы выполнения защит оборудования тяговых подстанцийСистема переменного оперативного токаНазначение и классификация узлов автоматикиАвтоматика программного включения и отключенияАвтоматика повторного включения и включения резерваВводы 110 кВМонтаж электрооборудования тяговых подстанцийМонтаж тяговых подстанций и контактной сетиИндустриализация электромонтажных работТехническая документацияПриемка тяговой подстанции под монтажМонтаж электрооборудования ОРУСиловые трансформаторыКоммутационная аппаратураРазрядникиКомпенсирующие устройстваМонтаж электрооборудования ЗРУВыпрямители в зданииСвинцовые аккумуляторные батареиСглаживающие устройстваОбщие положения об испытанияхИспытание некоторых типов электрооборудованияОбщий порядок испытания и наладки РЗАПриемка тяговых подстанций в эксплуатациюОсновные элементы хозяйства электрификацииРевизионно-ремонтные средстваСтруктура подразделений эксплуатации устройств электрификацииОбязанности энергоучасткаУчастки энергоснабженияОбязанности ревизионно-ремонтного персоналаОперативная работаОперативные переключенияБланки переключенийПорядок ликвидации аварийКонтроль за оборудованием подстанцийРаспределительные устройстваСиловые и тяговые масляные трансформаторыБыстродействующие выключателиРаспределительные устройства напряжением до 1000ВЗарядные и подзарядные устройстваДвигатель-генераторыИзмерительные приборы, реле управления и защитыОсвещениеКабельные коммутацииЗаземляющие устройстваОрганизация капитального ремонта электрооборудованияЭкономика переработки энергии на тяговых подстанцияхОсновы техники безопасности и производственной санитарииТехника безопасности при монтаже тяговых подстанцийТехника безопасности при эксплуатации тяговых подстанций

Диагностика тяговых подстанций

Интеллектуальные терминалы присоединений (ИТП). Область применения – ячейки комплектных распределительных устройств напряжением 6-35 кВ тяговых и трансформаторных подстанций железных дорог электрифицированных на постоянном и переменном токе.

Терминалы предназначены для выполнения функций защиты и автоматики, контроля и сигнализации, местного и дистанционного управления коммутационными аппаратами присоединений, а также диагностики выключателей и самодиагностики.

Терминалы обеспечивают запись:

– осциллограмм аварийных событий;

– мгновенных значений тока в каждой из фаз и линейных присоединений;

– мгновенных значений выходных и входных дискретных сигналов;

– даты и времени аварийного отключения;

– действующих значений токов и напряжений;

– перечень сработавших защит;

– общее количество отключений;

– количество аварийных отключений;

– выработанный ресурс выключателя;

– параметры последнего аварийного отключения;

– время хранения накопительной информации не ограничено.

Система ОПН-Монитор

Позволяет осуществлять непрерывную диагностику и комплексный контроль исправного состояния ОПН-110 кВ под рабочим напряжением по токам проводимости. Источником информации служат датчики ОПН-Монитор установленные в разрыв цепи заземления ОПН. Прибор в целом позволяет контролировать несколько параметров, отражающих состояние ОПН:

– количество импульсов, прошедших через ОПН;

– полный ток утечки;

– 1, 3, 5 гармоники тока утечки;

– температуру окружающей среды.

Прибор HYDRAN M2 производства General Electric

Прибор HYDRAN M2 выполняет мониторинг трансформаторного масла по содержанию растворенных газов: водород (Н₂), ацетилен (С₂Н₂), окись углерода (СО), этилен (С₂Н₄) и вода (Н₂О).

Трамваи и троллейбусы

Так же, как и метро, в контактную сеть наземного городского электротранспорта подается постоянный ток.

Номинальное напряжение контактной сети

Тяговые подстанции питаются от городской электросети напряжением 6 или 10 кВ. Они выпрямляют переменный ток и выдают напряжение 550 вольт.

Организационная структура контактной сети

Она строится так же, как и у метрополитена – маршрут разбивается на равные участки и к ним подключаются автономные тяговые подстанции. При этом в конструкции силовых установок отсутствуют низковольтные выводы, поскольку вся дорожная инфраструктура запитывается от городской электросети.

Конструкция контактной сети

У троллейбусов она воздушная и двухпроводная, поскольку прямого контакта с землей обеспечить невозможно. Токоприемники у них выполнены в виде графитовых щеток на длинных штангах, что увеличивает маневренность машины – она может отклоняться от линии проводов на расстояние до 4,5 метра.

Контактная сеть трамвайных линий аналогична железнодорожному транспорту – фазный провод вверху, нулевой – рельс. Токоприемник выполнен по схеме раздвижного пантографа, рамка которого скользит по проводу. Чтобы уменьшить ее износ, контактный провод подвешивают зигзагом – не более четырех изгибов на один пролет между столбами.

Контактные сети и тяговые подстанции, обеспечивающие их питанием, по своему устройству и организационной структуре остаются практически теми же, что и сто лет назад. Изменения касаются лишь элементной базы, в результате чего все конструкции становятся более компактными. Исчезнуть они могут лишь в случае технологического прорыва, аналогичному тому, что случился в начале XX века, когда электричество стало применяться широко и повсеместно.

Тяговые подстанции

Тяговые подстанции предназначены для преобразования трёхфазного переменного тока напряжением 6, 10 или 20 кВ, получаемого от питающих центров, в постоянный (выпрямленный) ток напряжением 825 В для питания электропоездов. Кроме того, часть электрической энергии напряжением 10 кВ передаётся на понизительные подстанции.

Основным оборудованием тяговой подстанции является силовой преобразовательный агрегат. Агрегат состоит из трансформатора, выпрямительного шкафа с кремниевыми вентилями, высоковольтного выключателя на стороне 10 кВ и быстродействующего автоматического выключателя на стороне 825 В.

Силовые трансформаторы представляют собой трёхфазные преобразователи переменного тока, которые понижают напряжение переменного тока с 10 кВ до 670—770 В (и при выпрямленном токе напряжением 825—875 В). Уровень напряжения на токоприёмнике электроподвижного состава должен быть не менее 550 В и не более 975 В.

Кремниевый выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, пропуская его только в одном направлении, точнее говоря, в силовую цепь поступает ток постоянный по направлению, но несколько пульсирующий по величине. Высоковольтный выключатель выполняет коммутационные функции по включению и отключению агрегата к шинам 10 кВ. Быстродействующий автоматический выключатель осуществляет защиту выпрямителя от токов обратного направления и короткого замыкания.

На каждой тяговой подстанции установлено от трёх до пяти силовых преобразовательных агрегатов. Каждый из них способен длительно выдерживать нагрузку до 3 000 А, а в течение 5—10 секунд нести двойную нагрузку.

Все тяговые подстанции оборудованы устройствами автоматики и телемеханики и управляются одним лицом — энергодиспетчером с диспетчерского пункта.

Автоматика поддерживает заданный режим работы оборудования, обеспечивает повторное включение фидеров 825 В в случае отключения их быстродействующим автоматом и включает (при необходимости) резервные агрегаты. Устройства телемеханики позволяют электродиспетчеру производить необходимые включения и отключения оборудования подстанций и постоянно контролировать их работу.

Схема и габариты наземных тяговых подстанций

Схема тягового электроснабжения метрополитена

Устройство подстанции

Техническое обеспечение подстанции в большинстве случаев ориентируется на прием электроэнергии порядка 110-220 кВ. Также существуют и маломощные установки, предназначенные для сетей с напряжением 35 кВ. В зависимости от потенциала, они могут иметь от 2 до 6 пунктов ввода – это малые тупиковые станции, входящие в структуру одного комплекса. За распределение энергии отвечают понижающие трансформаторы и преобразователи. Причем не обязательно распределительные устройства должны отвечать за поставки энергии потребителям. Часть из них работает на поддержание работоспособности местных мощностей. Кроме этого, устройство тяговых подстанций предусматривает наличие инверторов и выпрямителей. Их задачи сводятся к выпрямлению тока под нужды конкретного потребителя. Также они могут обеспечивать возврат в общую сеть энергии, которая генерируется в результате рекуперативного торможения местной линии. Для обеспечения коммуникации распределительной инфраструктуры подстанции с потребляющими объектами применяются фидерные установки.

Эксплуатация подстанций

Подстанции могут управляться несколькими способами. Современные объекты такого типа обслуживаются через пульты дистанционного управления или с помощью автоматизированной аппаратуры. Применяется и традиционный способ контроля через персонал. Данный метод управления чаще используется на небольших станциях в малых городах – по причине невозможности организации автоматизированного обеспечения. Впрочем, крупные мегаполисы тоже может снабжать тяговая подстанция с прямым обслуживанием персоналом по причине риска их аварийного отключения. В целях повышения надежности используется комбинированная схема управления, в которой задействуются и автоматизированные средства с дистанционным управлением, и персонал. В данном случае все процессы отслеживаются контролером-наблюдателем, который принимает меры независимо от автоматики в экстренных ситуациях.

Подстанции для железных дорог

Большинство объектов такого типа обслуживают железнодорожные пути. Они служат для распределения, преобразования и непосредственного энергообеспечения электроподвижного состава и нежелезнодорожных потребителей. Установки для распределения постоянного тока монтируются вдоль линий с дистанцией порядка 10-15 км. Этот интервал может меняться в зависимости от загруженности путей и их назначения. Источником энергии также выступают внешние магистральные сети, после чего энергия направляется на трансформатор. Далее следует этап преобразования, после чего электроэнергия отправляется в контактную сеть

Важно отметить, что тяговая подстанция железной дороги характеризуется большими объемами энергии рекуперативного торможения. То есть возникает необходимость организации технических средств, способных также стабильно переправлять энергию обратно на главные магистрали

Эту задачу выполняют инверторы – как правило, через выключатели контактной сети в автоматическом режиме.

Как выглядит структурная схема

Существует несколько наиболее распространенных способов подключения в зависимости от того, какие нагрузки планируется подавать, и какого типа объекты будут подключаться. В результате может меняться состав оборудования.

На рисунке изображен один из наиболее простых вариантов. Распределительное устройство включает в себя три ячейки, причем конструкцией предусмотрен всего один выключатель. На вводе устанавливается только один разъединитель, что также способствует упрощению схемы. Нет необходимости в использовании резервного оборудования. Учитывая отличия такого оборудования, как мачтовая трансформаторная подстанция, схема будет выглядеть несколько иначе.

Рекомендации по выбору

Основным критерием эффективности использования того или иного типа установки является соответствие параметров условиям эксплуатации, в частности, уровню подаваемой нагрузки. Если подбирается тяговая или столбовая трансформаторная подстанция, ее типовой проект подразумевает необходимость выполнения следующих действий:

• Выбор схемы подключения и соединения основных узлов;
• Определение наиболее подходящего варианта токоведущих аппаратов и узлов;
• По расчетным значениям электрических параметров подбираются основные узлы такого оборудования (распределительные устройства, трансформаторы, выключатели, разъединители, элементы защиты, зарядных аккумуляторов).

Нюансы монтажа и нормативная документация

Основная особенность принципа установки техники, используемой для питания железнодорожного электротранспорта, заключается в том, что все работы выполняются при непосредственном участии электромонтажных поездов. В перечень ключевых задач входит непосредственно сам монтаж подстанции тягового типа, а вместе с тем и постов секционирования, телемеханического оборудования и контактной сети. Такое оборудование, как столбовые трансформаторные подстанции, подключаются несколько иным способом, учитывая, что все основные узлы монтируются на опоре.

СТН ЦЭ 12-00 «Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ во время электрификации железных дорог» определяют ряд требований, предъявляемых к монтажу подобного оборудования. Для сравнения мачтовая трансформаторная подстанция предполагает подготовку котлована для установки опоры, проверку точности установки по отвесам, монтаж основных узлов на опорной конструкции, подключение всех элементов.

Таким образом, тяговые установки отличаются многообразием исполнений, что, с одной стороны, несколько затрудняет выбор подобной техники, а с другой – позволяет подобрать наиболее подходящий вариант. А вот столбовые трансформаторные подстанции являются техникой более узкого целевого назначения и представляют собой тупиковый вариант конструкции определенного диапазона значений мощности и напряжений. При выборе любого из этих видов оборудования учитывается уровень выдерживаемой нагрузки, схема подключения, а также соответствие основных параметров условиям работы.

Количество агрегатов

На узлах подачи электроэнергии наземному и подземному транспорту применяются установки с различным количеством аппаратов. Встречаются как одноагрегатные, так и многоагрегатные сооружения. Первая разновидность применяется на ответвлениях, где не нужно обеспечивать централизованного снабжения. Обоснование их применения сомнительно, так как они не обеспечивают высокую надежность питания. Если агрегат выйдет из строя или потребуется произвести его техобслуживание, будет обесточена вся линия. Поэтому такие установки применяют достаточно редко.

Гораздо чаще можно встретить двухагрегатные питающие установки. Существуют подстанции с тремя, четырьмя трансформаторами. Это значительно повышает надежность линии. Они обеспечивают бесперебойную подачу тока даже при выходе из строя или обслуживании одного агрегата.

В моменты повышения нагрузки до максимума многоаппаратные схемы отличаются высокой гибкостью. Такой подход позволяет удешевить строительство и эксплуатацию оборудования.

Рассмотрев особенности и разновидности тяговых подстанций, можно оценить важность их правильного выбора и эксплуатации в сетях городского и государственного транспорта

В чем измеряется напряжение контактной сети наземного электротранспорта

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ С ПИТАНИЕМ ОТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Electrified transport with overhead system power supply. Voltage row

Дата введения 1977-01-01

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством путей сообщения СССР

Н.А.Фуфянский, А.И.Скачков, О.П.Поярков, Б.М.Бородулин, Д.К.Томлянович, Е.А.Хохлов.

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 14 ноября 1975 г. N 3137

3. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 38-83 в части номинальных напряжений.

4. Ограничение срока действия снято по решению Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-92)

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ (март 1996 г.) с Изменением N 1, утвержденным в ноябре 1991 г. (ИУС 2-92)

1. Настоящий стандарт распространяется на электрифицированный транспорт переменного частоты 50 Гц и постоянного тока — магистральный и промышленный, а также на городской электрифицированный транспорт постоянного тока.

В чем измеряется напряжение в контактной сети

На железных дорогах России используют две системы электроснабжения: постоянного и однофазного переменного тока. Тяга на трехфазном переменном токе не получила распространения, поскольку технически сложно изолировать близко расположенные провода двух фаз контактной сети (третья фаза — рельсы).

Электрический подвижной состав обеспечивают тяговыми двигателями постоянного тока, так как предлагаемые модели двигателей переменного тока не отвечают предъявляемым требованиям по мощности и надежности. Поэтому железнодорожные линии снабжают системой однофазного переменного тока, а на локомотивах устанавливают специальное оборудование, преобразующее переменный ток в постоянный.

Правилами технической эксплуатации регламентированы номинальные уровни напряжения на токоприемниках электрического подвижного состава: 3 кВ — при постоянном токе и 25 кВ — при переменном. При этом определены допустимые с точки зрения обеспечения стабильности движения колебания напряжения: при постоянном токе — 2,7. 4 кВ, при переменном — 21 . 29 кВ. На отдельных участках железных дорог допускается уровень напряжения не менее 2,4 кВ при постоянном токе и 19 кВ — при переменном.

Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески.

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный. Все оборудование, подающее переменный ток, размещается на открытых площадках, а выпрямители и вспомогательные агрегаты — в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергия поступает в контактную сеть по питающей линии — фидеру.

Основными недостатками системы электроснабжения постоянного тока являются его полярность, относительно низкое напряжение и отсутствие возможности обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего. Рельсы, служащие проводниками тока разной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и искусственных сооружений. Для предотвращения этого применяют соответствующие защитные устройства (анодные заземлители , катодные станции и др.).

Д ля этого тяговые подстанции размещают недалеко друг от друга (10. 20 км) и увеличивают площадь сечения проводов контактной подвески.

При переменном токе повышается эффективность использования электрической тяги, поскольку по контактной сети передается требуемая мощность при меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 40. 60 км друг от друга. Их задачей является только понижение напряжения со ПО. 220 до 25 кВ, поэтому их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока. Кроме того, в системе однофазного переменного тока площадь сечения проводов контактной сети примерно в два раза меньше. Для размещения оборудования на тяговых подстанциях при переменном токе используют открытые площадки. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше.

В результате воздействия электромагнитного поля переменного тока на металлические конструкции и коммуникации, расположенные вдоль железнодорожных путей, в них появляется опасное для людей напряжение, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому применяют особые меры защиты сооружений. Затраты на такие защитные меры, как улучшение электрической изоляции между рельсами и землей, замена воздушных линий кабельными или радиорелейными, составляют 20. 25 % общей стоимости работ по электрификации.

Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных станциях. В ряде случаев, когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.

Как измерять напряжение

Напряжение — известная величина, используемая во всех световых и аккумуляторных источниках. Что оно собой представляет, какие разновидности существуют, чем измеряют напряжение, в каких единицах измеряется электрическое напряжение и многое другое далее.

Суть явления

Напряжением называется электрическая движущая сила, которая призвана толкать свободные виды электронов от одного атома к другому в определенном направлении. Обязательное требование для протекания зарядов это наличие цепи с замкнутым контуром, который создает условия, для того чтобы их передвигать. Если имеется обрыв электроцепи, то процесс направленного перемещения частиц прекращается.

Обратите внимание! Стоит отметить, что единица напряжения электрической цепи зависит от того, какой проводник имеет материал, как подключена нагрузка, какая есть температура.

Разновидности

Бывает двух видов: постоянным и переменным. Первое есть в электростатических видах цепей и тех, которые имеют постоянный ток. Переменный встречается там, где есть синусоидальная энергия. Важно, что синусоидальная энергия делится на действующее, мгновенное со средневыпрямленным. Единица измерения напряжения электрического тока вольт.

Стоит также отметить, что величина энергии между фазами называется линейной фазой, а показатель тока земли и фаз — фазным. Подобное правило используется во всех воздушных линиях. На территории Российской Федерации в электрической бытовой сети стандартное — 380 вольт, а фазное — 220 вольт.

Постоянное напряжение

Постоянным называется разность между электрическими потенциалами, при которой остается такой же величина с перепадами полярности на протяжении конкретного периода. Главным преимуществом постоянной энергии является тот факт, что отсутствует реактивная мощность. Это означает, что вся мощность, которая вырабатывается при помощи генератора, потребляется нагрузкой за исключением проводных потерь. Течет по всему проводниковому сечению.

Что касается недостатков, есть сложность повышения со снижением энергии, то есть в моменте преобразования ее из-за конструкции преобразователей и отсутствия мощных полупроводниковых ключей. К тому же сложно развязывается высокая и низкая энергия.

Обратите внимание! Используется постоянная энергия в электронных схемах, гальванических элементах, аккумуляторах, электролизных установках, сварочных инструментах, инверторных преобразователях и многих других приборах.

Переменное напряжение

Переменным называется ток, изменяющийся по величине и направлению периодически, но при этом сохраняющий свое направление в электроцепи неизменно. Нередко его называют синусоидальным. Одно направление, в котором движется энергия, называется положительным, а другое — отрицательным. Поэтому получающаяся величина называется положительной и отрицательной. Такой показатель является алгебраической величиной. В ответ на вопрос, как называется единица измерения напряжения, необходимо отметить, что это вольт. Значение его определяется по направлению. Максимальное значение — амплитуда. Бывает он:

• двухфазным;

Двухфазный

• трехфазным;

Трехфазный

• многофазным.

Многофазный

Используется активно в промышленности, на электрической станции, на трансформаторной подстанции и передается в каждый дом при помощи линий электрических передач. Больше всего используется три фазы для подключения. Подобная электрификация распространена на многих железных дорогах.

Обратите внимание! Стоит отметить, что имеются также некоторые виды двухсистемных электровозов, которые работают во многих случаях на переменном показателе.

Единицы измерения

Измеряется напряженье в вольтах. Обозначается В или Вольт. Одно значение выражено в разности нескольких точек на электрическом поле. Значение 220 вольт говорит о том, что электрическое поле призвано тратить энергию, чтобы протаскивать заряды через всю электрическую цепь с нагрузкой.

Измерительные приборы

Чтобы измерить силу, используется стрелочный или аналоговый, цифровой или электронный вольтметр. Благодаря этим приборам можно измерять и контролировать характеристики сигналов. Также сделать измерения можно осциллографами. Они работают благодаря тому, что энергия отклоняется электронным лучом и поступает на прибор, выдающий показатель переменной величины.

Вольтметр как основной прибор измерения

Напряжение это физическая величина, показывающая размер тока в цепи и оборудовании в вольтах. Ток бывает постоянным и переменным. Отличие в том, что первое понятие обозначает, что ток постоянно меняет свою полярность и протекает в сети переменно. Во втором же случае ток проходит по электроцепи без перерывов. Измеряется вольтметром.

Система тока и величина напряжения в контактной сети

Система тока и величина напряжения в контактной сети

На сети железных дорог применяют две системы электрической тяги: на постоянном токе напряжением в тяговой сети 3 кВ и на однофазном переменном токе напряжением 25 кВ стандартной частоты 50 Гц. Причем в обоих случаях на электровозах используют тяговые двигатели только постоянного тока.

Снабжение постоянным током имеет ряд недостатков: постоянный ток очень трудно трансформировать, т.е. повышать или понижать напряжение без значительных потерь. Чем выше мощность электровоза, тем больше потери; чтобы их предотвратить, необходимо уменьшить расстояние между тяговыми подстанциями и увеличить сечение контактного провода, но это приведет к расходу меди. При напряжении 3 кВ тяговые подстанции располагаются в среднем через 20—25 км, а расход меди на один километр контактной сети достигает 10 т. Кроме того, часть тягового тока уходит в землю, образуя «блуждающие токи», что вызывает электрохимическую коррозию. Это уменьшает срок службы рельсов, железобетонных мостов, эстакад и т.п.

Снабжение переменным током лишено этих недостатков. Чтобы изменить его напряжение, достаточно иметь обычный трансформатор, следовательно, тяговые подстанции проще и дешевле. Но электровоз переменного тока создали только в 1938 г., для преобразования переменного тока в постоянный на нем применили ртутный выпрямитель.

В настоящее время созданы электровозы с полупроводниковыми выпрямителями BЛ-60, ВЛ-80к, BЛ-80T. Применение однофазного переменного тока напряжением 25 кВ дало возможность уменьшить сечение контактного провода примерно в два раза и увеличить расстояние между подстанциями до 40—60 км.

Дальнейший рост грузонапряженности железных дорог, повышение массы поездов привели бы к повышению напряжения в контактной сети и созданию принципиально новых электровозов. Эту проблему решили путем внедрения более экономной системы электроснабжения переменного тока 2 х 25 кВ. При такой системе через каждые 8—15 км устанавливают линейные автотрансформаторы. Электроэнергия от тяговых подстанций к автотрансформаторам подводится с напряжением 50 кВ по контактной подвеске и дополнительному питающему проводу. От автотрансформаторов к электровозам электроэнергия передается с напряжением 25 кВ. В результате потери напряжения становятся меньше, а расстояние между смежными подстанциями можно увеличить до 70—80 км.

Существенным недостатком переменного тока является электромагнитное влияние на металлические сооружения вдоль путей. В результате на них наводится опасное напряжение, и в устройствах автоматики возникают серьезные помехи. Поэтому приходится применять дорогостоящие защитные сооружения.

До 1955 г. электрификация железных дорог осуществлялась на постоянном токе, а после 1955 г. — на переменном токе. Переход с постоянного на переменный ток обеспечил снижение удельного расхода цветных металлов и расходов на содержание тяговых подстанций. В конце 1970-х гг. была введена на участке Вязьма — Орша новая система электроснабжения 2×25 кВ, которая стабилизировала уровни напряжения контактной сети, значительно снизила электромагнитное влияние электрической тяги на устройства связи.

Admin добавил 09.06.2011 в 20:11
Вы можете дополнить или изменить данную статью, нажав кнопку Редактор

Какое напряжение Контактной Сети на железной дороге? Различие КС постоянного и переменного тока

Опубликовано 05.04.2021 · Обновлено 12.11.2021

В настоящее время РЖД использует два вида тока на электрифицированных участках железных дорог:

• Постоянный ток (DC) напряжением 3 000 Вольт;
• Переменный ток (AC) частотой 50 Гц и напряжением 27 000 Вольт.

На железных дорогах России еще исторически, и в наследие от Советского Союза, большинство участков пути для движения поездов являются электрифицированными. Длина путей, электрифицированных уже в наше время, неуклонно увеличивается, РЖД уже обеспечила полный переход на электровозную тягу Транссибирской магистрали, и теперь движение от Владивостока до Москвы осуществляется лишь за счет электрической энергии. Однако если попытаться проехать этот маршрут посредством тяги лишь одного единственного электровоза (за исключением двухсистемных электровозов), ничего из запланированного не получится. Такой локомотив просто встанет в местах смены действующего напряжения и тока в контактной сети.

Контактная сеть постоянного тока 3 кВольт

Контактная сеть постоянного тока

Исторически сложилось так, что первые электровозы, несшие службу в Сурамском перевале СССР, были предназначены для питания постоянным напряжением до полутора тысяч Вольт. Соответственно вся транспортная инфраструктура создавалась под постоянное напряжение, и дальнейшая разработка электровозов велась также под систему питания DC, а далее уже созданная инфраструктура играла ведущую роль в формировании технических требований для локомотивостроительных предприятий. Тем временем железные дороги развивались и, если пренебречь исторической точностью, так как наш материал не про историю, Московская железная дорога с некоторым количеством других железных дорог СССР, преимущественно в центральноевропейском районе, обзавелись инфраструктурой для питания электроподвижного состава DC. Только вот напряжение с 1,5 кВольт было увеличено до 3 кВольт.

Такое повышение было сделано не с проста. Все дело в объемах перевозок, точнее в их постоянном росте. Развитие отраслей народного хозяйства требовали от железных дорог постоянного увеличения пассажиро- и грузо- потоков, и электровозы должны были перевозить все больший и больший вес, а для этого нужны высокие значения силы тока (I, Ампер).

Профиль контактного провода

Исходя из законов электротехники мы знаем, что электрическая мощность равна произведению I и действующего напряжения, для повышения мощности электровоза нам нужно либо повысить количество Вольт, либо количество Ампер, ну или и то и другое. При действующем напряжении даже 3000 Вольт I должна постоянно расти, а это приводит к повышенному нагреву проводов, а значит контактный провод должен быть достаточного сечения. А еще DC чувствителен к длине проводящей линии: чем расстояние больше, тем заметнее сопротивление проводника съедает часть полезного напряжения. А еще исходя из высоких показателей Ампер при пробуксовке колес локомотива высок риск локального нагрева в месте контакта токоприемника с контактным проводом, что может вызвать прогорание последнего. Также есть и значительное ограничение по количеству одновременно движущихся составов на участке, обслуживаемом одной электроподстанцией, так как она должна выдавать сумму и без того высоких токов.

Минусы контактной сети постоянного тока

DC для нужд железнодорожного движения обладает сплошными недостатками, и однозначно является менее пригодным вариантом. На сегодняшний день вся электрификация железных дорог осуществляется только AC, за исключением уже исторически сложившихся инфраструктур под DC. Со временем, я думаю, все железные дороги в России перейдут на переменный ток, но пока существует огромное количество единиц подвижного состава, а это и электровозы и электропоезда, заточенных под «постоянку», что делает экономически нецелесообразным переход на «переменку» на таких дорогах.

Если обобщить уже сказанное, то электрификация постоянным током имеет следующие минусы:

• Необходимость использования высоких значений I, для получения адекватной мощности;
• Требуется размещение электропитающих подстанций на расстоянии 50 километров друг от друга, ведь на больших расстояниях сопротивление контактного провода заметно снижает действующее напряжение, что сразу сказывается на мощности;
• Заметное снижение мощности на участках движения нескольких поездов, требующих высокой мощности;
• Дороговизна инфраструктуры, необходимость использования контактного провода с большим сечением;
• Высокое влияние токов Фуко на элементы инфраструктуры.

Из плюсов можно отметить лишь простоту устройства электроподвижного состава, простоту регулирования работы тяговых двигателей.

Контактная сеть переменного тока (AC)

Большинство железных дорог СССР, электрифицированных впервые после 1960-х годов, ну и современной России, работают на AC напряжением 27 кВольт промышленной частоты. Это очень удобное решение, когда электрическая энергия, получаемая на электростанциях в форме трехфазного переменного тока, пройдя простую трансформацию попадает непосредственно в контактную сеть. Таким образом из-за высокого напряжения итоговая мощность достигается меньшими значениями I, а также AC легко передавать на большие расстояния опять же из-за повышенного напряжения, а еще такой ток легко трансформировать. Однако устройство электроподвижного состава несомненно усложняется, по сравнению с составом DC. Теперь на электровозах должны устанавливаться трансформаторы и аппараты для преобразования действующего напряжения в пульсирующее или постоянное, для дальнейшего питания коллекторных тяговых электродвигателей, оборотами которых легко управлять.

• 
• 
• 

В чем сложность работы от переменного тока

Тяговые электродвигатели, как главная движущая сила на электроподвижном составе, оборотами которых можно довольно просто управлять меняя напряжение, являются коллекторными и предполагают работу от постоянного тока. Таким образом мы получаем тот самый минус, который является преимуществом контактной сети AC: необходимость трансформации переменного тока в пульсирующий или постоянный, для управления тяговыми электродвигателями.

Существуют и более простые AC двигатели — асинхронные, которые применяются на вспомогательных машинах электровозов и электропоездов (мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы). Обороты этих двигателей зависят от частоты переменного тока, напомним в промышленной сети она равна 50-и Герцам. Существуют конечно электровозы, использующие подобные электродвигатели в качестве тяговых, однако изменение частоты процесс очень сложный, соответственно усложняющий конструкцию тяговых агрегатов и снижающий общую надежность.

• 
• 
• 
• 
• 
• 

Контактная сеть на железной дороге

Перспективы развития электроподвижного состава

На сегодняшний день из-за дороговизны текущей инфраструктуры и наличия огромного парка подвижного состава, переоборудовать дороги с постоянного на переменный экономически нецелесообразно, но вместо переоборудования контактной сети инженеры пошли другим путем.

Можно изменить подвижной состав — второй путь это создание электровозов двойного питания, способных работать и на постоянном и на переменном токе, причем переключение режимов работы на них максимально автоматизировано. На сегодняшний день такие машины не просто существуют на бумаге или в качестве опытных образцов, такие локомотивы успешно работают на благо РЖД — Электровозы двойного питания.

При подготовке материала использовалось: Марквардт К. Г. Контактная сеть. 4-е изд. перераб. и доп. Учеб. для ж.д. вузов.

Электрическая тяга — Система постоянного тока в контактной сети

Производство и передача энергии осуществляется на трехфазном переменном токе, а распределение и использование ее для целей тяги — преимущественно на постоянном токе. Поэтому между линией передачи и контактной сетью, подводящей энергию к подвижному составу, необходимо иметь промежуточное звено — преобразовательную тяговую подстанцию, понижающую напряжение и преобразующую трехфазный переменный ток в постоянный.
Основными элементами этой системы являются: 1) трехфазная линия электропередачи (воздушная или кабельная) для передачи энергии от трансформаторных подстанций или непосредственно с электростанции к тяговым подстанциям; 2) тяговые преобразовательные подстанции; 3) контактная и рельсовая сети (для троллейбуса — только контактная), осуществляющие непрерывный подвод энергии постоянного тока к движущемуся по линии подвижному составу; 4) трамвайные вагоны и троллейбусы, на которых происходит преобразование электрической энергии в механическую работу, затрачиваемую на движение подвижного состава. На рис. 3 показана принципиальная схема электроснабжения городского электротранспорта.
Преобразовательная тяговая подстанция обычно оборудована: а) распределительным устройством трехфазного тока высокого напряжения, предназначенным для приема энергии с линии передачи и распределения ее между трансформаторами преобразовательных агрегатов и агрегатов собственных нужд подстанции; б) трансформаторами для понижения напряжения, подводимого к преобразователям; в) выпрямителями для преобразования тока; г) распределительным устройством выпрямленного тока, предназначенным для распределения энергии постоянного тока, получаемой от преобразователя, между отдельными линиями, подводящими энергию к контактной сети.

Рис. 3. Принципиальная схема электроснабжения городского транспорта
Т — трансформатор; Ш — шины; ПК и ОК — положительные и отрицательные кабели питающих линий; КВ — кремниевый выпрямитель; КС — контактная сеть; PC — рельсовая сеть

Рис. 4. Структурная схема тяговой преобразовательной подстанции (ТПП)

Рис. 5. Нагрузка подстанции
а — кривая мгновенных значений тока на шинах; б — типичный график нагрузки за сутки в рабочий день
На рис. 4 приведена структурная схема тяговой преобразовательной подстанции. Питание тяговой подстанции электроэнергией производится от высоковольтной сети трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ. Через вводы (на рис. 4 видны два ввода) электроэнергия поступает на сборные шины распределительного устройства высокого напряжения. Сборные шины служат для приема энергии и ее распределения по агрегатам. Шины обычно выполняются в виде голых проводников (медных, алюминиевых или стальных) прямоугольного или круглого сечения. Вводы и агрегаты снабжены автоматическими высоковольтными выключателями и разъединителями. Электроизмерительные приборы автоматической защиты оборудования от токов короткого замыкания и перегрузок питаются от измерительных трансформаторов тока и напряжения. Защита оборудования от перенапряжений выполняется высоковольтными разрядниками. Все эти аппараты и приборы размещаются в распределительном устройстве высокого напряжения. С шин высокого напряжения энергия поступает в трансформаторы ТР и затем в преобразователи ПР, в качестве которых обычно применяются статические преобразователи — ртутные и кремниевые выпрямители. В распределительном устройстве выпрямленного тока размещаются сборные шины постоянного тока (на 600 в), измерительная и защитная аппаратура. К положительной и отрицательной шинам присоединена сеть питающих линий, каждая из которых состоит из положительного и отрицательного кабеля.

Собственные нужды подстанции (СН) состоят из понижающих трансформаторов и сборных шин (ШСН) на 127—220 в. К шинам присоединен зарядный агрегат (ЗА), служащий для зарядки аккумуляторных батарей (АБ), и все потребители переменного тока собственных нужд подстанции (ПСН). От аккумуляторной батареи получают питание все потребители собственных нужд постоянного тока (ПСН).
Тяговые подстанции городского наземного электротранспорта можно классифицировать по различным признакам:
1) по назначению — трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные;
2) по типу преобразователей — с ртутными и кремниевыми преобразователями;
3) по количеству агрегатов — одноагрегатные и многоагрегатные;
4) по способу резервирования;
5) по способу управления (например, автоматические);
6) по конструктивному оформлению — стационарные и передвижные.

Нагрузка на сборных шинах тяговой подстанции не остается постоянной (рис. 5), так как непрерывно изменяется количество поездов, находящихся в районе подстанции, а также величина тока, потребляемого каждым поездом. Номинальная мощность тяговых подстанций в зависимости от числа агрегатов составляет 600—5000 кВт, а коэффициент полезного действия 0,85—0,87.

Номинальное напряжение на шинах постоянного тока тяговых подстанций по ГОСТ составляет 600, 825, 1650 и 3300 в. На подстанциях городского наземного электрического транспорта применяют напряжение 600 в, среднее же напряжение на токоприемниках 550 в, а для метрополитенов 825 и 750 в. На пригородных и магистральных железных дорогах вследствие больших мощностей подвижного состава экономически целесообразно применять более высокие напряжения— 1650/1500 и 3300/3000 в. Это дает возможность уменьшить сечение контактных проводов и сократить количество тяговых подстанций.
Тяговая сеть системы электроснабжения, служащая для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к подвижному составу, состоит из питающих линий (положительный и отрицательный кабели) и контактной сети (два провода или провод и рельс).

Рис. 6. Тяговая сеть рельсового транспорта
1 — шины тяговой подстанции; 2 — тяговая сеть: ПК — положительные кабели; П1, П2, П3 — питающие пункты; ОК — отрицательные кабели; О1, О2, О3 — отсасывающие пункты, 3 — подземные металлические сооружения

Электрический контакт с проводами создается скольжением (или качением) по ним токосъемного устройства (токоприемника) подвижного состава. С рельсами трамвая контакт осуществляется через колесные пары вагонов. Для улучшения электропроводности рельсовой сети между отдельными рельсовыми нитками устроены междурельсовые и междупутные электрические соединения. Таким образом, рельсовый путь трамвая представляет собой непрерывную электрическую цепь и помимо своего прямого назначения служит проводом, по которому ток возвращается на подстанции.
Измерения показывают, что некоторая часть токов ответвляется из рельсов в землю, а затем и в подземные металлические сооружения, вызывая электрохимическую коррозию. Эти токи получили название блуждающих. На рис. 6 показан путь прохождения блуждающих токов. При электролитических процессах в земле происходит разъедание металлического сооружения в местах выхода тока из них в землю (так называемые анодные зоны). При положительной полярности контактного провода опасные анодные зоны (труб водопровода, канализации и газопровода, свинцовых оболочек кабелей и т. п.) располагаются, как правило, вблизи пунктов присоединения отрицательных кабелей к рельсам, называемых отсасывающими пунктами.
Контактные провода обычно подвешиваются над рельсовым или дорожным полотном при помощи изоляторов на опорных конструкциях. На метрополитенах контактная сеть выполняется в виде изолированного контактного рельса, укрепленного сбоку от ходовых рельсов.
Для обеспечения независимого питания частей контактной сети и сокращения длины участков, отключаемых при перегрузках или авариях, ее секционируют, т. е. разделяют на отдельные участки длиной по 500—1000 м, электрически изолированные друг от друга участковыми изоляторами.

Рис. 7. Принципиальная схема разветвленной тяговой сети трамвая
ТПП — тяговая подстанция; СИ — секционные изоляторы

Контактные сети бывают разветвленными и неразветвленными. На рис. 7 показана схема питания и секционирования разветвленной двухпутной городской трамвайной сети. Сеть дана в однолинейном изображении, так как контактные провода смежных путей обычно, как и рельсы, соединены параллельно. Секционные изоляторы устанавливаются только в контактной сети, так как рельсовая сеть не секционируется. Положительные и отрицательные кабели не показаны, а в виде точек изображены лишь места их присоединения, т. е. питающие и отсасывающие пункты.
Наивыгоднейшее место расположения тяговых подстанций, их число и мощность, а также количество и месторасположение питающих и отсасывающих пунктов устанавливается электрическим расчетом тяговой сети. На рис. 7 показаны четыре тяговые подстанции с 15 питающими пунктами. В больших городах с сильно разветвленной контактной сетью количество тяговых подстанций исчисляется несколькими десятками.

Участки неразветвленной сети встречаются на городском электрическом транспорте в виде вылетных и загородных линий или линий междугородных сообщений. Примером может служить троллейбусная междугородная горная трасса Симферополь — Ялта протяженностью 82 км, питание которой осуществляется от 19 автоматических тяговых одноагрегатных подстанций с кремниевыми выпрямителями (рис. 8). Среднее расстояние между подстанциями 4 км, мощность каждой подстанции по постоянному току 1200 кВт. При разомкнутых секционных изоляторах каждая подстанция питает участки своего района. Возможна параллельная работа всех тяговых подстанций при замкнутых изоляторах.

Рис. 8. Принципиальная схема неразветвленной тяговой сети междугородной трассы
ТПП — тяговая подстанция; ПК — положительный кабель; П — питающий пункт; ОК — отрицательный кабель; О — отсасывающий пункт; КС — контактная сеть; СИ — секционный изолятор

В контактной сети городского электротранспорта допускаются большие колебания напряжения, чем в стационарных промышленных сетях. Изменение напряжения в некоторых случаях достигает ±25% номинального напряжения сети. На рис. 9 дана диаграмма падения напряжения во всех элементах тяговой сети трамвая, отнесенная к токоприемнику движущегося поезда для двух участков питания. Напряжение на токоприемнике поезда можно выразить формулой

Кроме двухпроводной контактной сети может применяться и трехпроводная (рис. 10). Сущность этой системы заключается в том, что преобразователи соединяют в две последовательные группы и на тяговой подстанции помимо положительного и отрицательного полюсов образуется также нулевая (средняя) точка (см. рис. 10, точка а). Трехпроводная система может быть с поперечным или продольным секционированием сети.

Рис. 10. Трехпроводная тяговая сеть (а — с поперечным секционированием; б — с продольным секционированием)
I — тяговая подстанция: 1 — ввод; 2 — шины трехфазного тока; 3 — ртутные или кремниевые выпрямители; 4 — шины постоянного тока; II — тяговая сеть: 5 — положительный кабель; 6 — отрицательный кабель; 7 — нулевой кабель; 8 — контактная сеть; 9 — рельсовая сеть (двухпутная); 10 — секционный изолятор; 11 — электрические соединения рельсов

При поперечном секционировании сети (схема а) от положительной шины ток протекает по положительному кабелю и контактному проводу к тяговым двигателям вагонов А и затеки через рельсовую сеть к тяговым двигателям вагонов 5; далее через тяговые двигатели вагонов В, контактный провод и отрицательный кабель к отрицательной шине подстанции. В случае, если токи, потребляемые поездами А и В, равны друг другу, ток в отрицательном кабеле равен нулю, а токи в рельсах минимальны. Этим достигается экономия энергии и снижение блуждающих токов. Аналогичный эффект обеспечивается и при продольном секционировании сети (схема б). Трехпроводная система применима и на троллейбусном транспорте.
Однако исследования трехпроводной системы показывают, что экономический эффект ее применения (экономия цветного металла, уменьшение потерь энергии в сети) несуществен, вследствие чего в настоящее время эта система не находит применения.

Система постоянного тока получила широкое распространение на электрическом транспорте. Преимущества этой системы следующие: а) применение электродвигателей постоянного тока, имеющих хорошие тяговые свойства и обеспечивающих широкую регулировку скорости; б) простота конструкции и надежность в эксплуатации всего электрического оборудования подвижного состава; в) простота и экономическая целесообразность всей системы. Эти достоинства обусловливают преимущественное применение постоянного тока на городском транспорте всех стран мира.
В настоящее время в СССР на городском электрическом транспорте применяется только система постоянного тока, на пригородных и магистральных дорогах — система постоянного тока и система однофазного тока нормальной частоты (с преобразованием его в постоянный непосредственно на подвижном составе).

В чем измеряется напряжение контактной сети наземного электротранспорта

Энергоснабжением городского электрического транспорта является подача электроэнергии по контактным проводам, расположенным вдоль трассы маршрута на токосъемники подвижного состава.

Городской наземный электрический транспорт работает на постоянном токе под напряжением 600 В. Метрополитен также работает на постоянном токе напряжением 825-830 В.

Источником электрической энергии является энергосистема города, которая в свою очередь является частью региональной и государственной энергосистем. Электростанции вырабатывают трехфазный переменный электрический ток, напряжением примерно 6,5-10,5 кВ. При необходимости транспортирования электроэнергии на большие расстояния ток поступает на повышающие подстанции, где напряжение в разы выше и достигает 100-200 кВ и более. Электрическая энергия по высоковольтным линиям электропередач поступает на понижающие подстанции, которые преобразуют электроэнергию до величины 6-10 кВ, затем по кабельным сетям электроэнергия передается на тяговые подстанции, которые преобразуют переменный трехфазный электрический ток в постоянный с напряжением 600 В. С тяговых подстанций при помощи кабельных сетей (питающих) ток поступает в контактную сеть. От контактных проводов троллейбуса электроэнергия поступает на токосъемники. Нормальное расстояние между контактными проводами троллейбуса составляет 500 мм. Продолжительность службы графитового токосъемника составляет 2-3 дня. В плохую погоду износ токосъемников сильно увеличивается, в таких условиях рекомендуется применять металлокерамические токосъемники (при нормальных условиях срок службы около 7 дней). Долго использовать их не рекомендуется, так как увеличивается износ контактных проводов.

В настоящее время разрабатываются роликовые токосъемники.

Рис. 7 – Схема энергоснабжения трамвая и троллейбуса

1 – электрическая станция; 2 – повышающая трансформаторная подстанция; 3 – линии электропередач; 4 – понижающая подстанция; 5 – кабельная линия 6 или 10 кВ; 6 – тяговая подстанция; 7 – питающие кабельные линии; 8 – контактный провод трамвая; 9 – рельсы; 10 – контактные провода троллейбуса.

*Для троллейбуса отсасывающий кабель соединен с «минусовым» контактным проводом, расположенный ближе к тротуару; у трамвая отсасывающий кабель соединен с рельсами.

Для трамваев применяются токосъемники пантографного типа – они обеспечивают надежное электрическое соединение с контактным проводом на скорости до 50 км/ч. С целью сокращения износа пантографа контактный провод трамвая располагают не прямой линией, а зигзагообразно. Таким образом, энергосистема городского пассажирского транспорта включает линии электропередач от электростанции или понижающих подстанций энергосистемы на тяговых подстанциях, питающие кабели (контактные сети с тяговых подстанций), контактные сети и отсасывающие кабели, соединяющие ходовые рельсы трамвая или метро или второй провод троллейбуса с тяговой подстанцией.

Для метро аналогично трамваю в качестве контактного провода используется специальный контактный рельс.

Тяговая подстанция – это инженерное сооружение, оснащенное сложным комплексом электрического оборудования, основными элементами которого являются трансформаторы и выпрямители. В настоящий момент применяются выпрямители терристорного типа, для обеспечения надежности используют несколько контуров электропреобразования.

По способу управления тяговые подстанции подразделяются на автоматизированные и телеуправляемые, также подразделяются по мощности. Мощность тяговой подстанции зависит от системы питания тяговых сетей. Системы питания бывают двух видов: централизованные и децентрализованные.

При централизованной системе питания радиус действия тяговой подстанции может достигать 2-3 км, мощность подстанции зависит от ее расположения и от количества подвижного состава, которое она должна обеспечивать электроэнергией. При децентрализованной системе питания радиус действия 1-1,5 км.

Располагаются тяговые подстанции вблизи крупных транспортных узлов (для сокращения потерь электроэнергии).

Централизованную систему используют при высокой плотности сети электрического транспорта; децентрализованную используют с целью сокращения затрат электроэнергии на вылетных, отдаленных линиях.

Эффективность использования подстанций характеризуется рядом показателей:

1. Коэффициент нагрузки – отношение средней потребляемой мощности подстанции к максимальной нагрузке (мощности);

2. Коэффициент использования подстанции – это отношение средней использованной мощности за расчетный период к номинальной мощности подстанции;

3. Коэффициент загрузки агрегатов – отношение энергии, отданной в сеть, к энергии, которую преобразовали агрегаты.

Контактные сети – это совокупность устройств, предназначенных для подачи электроэнергии к двигателю подвижного состава.

Требования, предъявляемые к контактной сети:

˗ надежность – т.е. обеспечение бесперебойной передачи электроэнергии при любых атмосферных условиях и любых скоростях подвижного состава;

˗ механическая и электрическая прочность – обеспечение максимальной безопасности при любых условиях;

˗ соответствие архитектурному облику города;

˗ простота конструкции (для снижения затрат на изготовление и обслуживание);

Контактные сети городского электрического транспорта, прежде всего, подразделяются по способу подвеса контактного провода:

1. Жесткий (простой) способ подвеса.

Рис. 8 – Простой способ подвеса контактных проводов

Преимущества: простота конструкции, удобство использования, недорогая эксплуатация. Максимальное расстояние между опорами контактного провода 35-40 м. Недостатки: возможный провес контактного провода, поэтому не обеспечивается надежная связь при высоких скоростях движения. Данный способ используется, в основном, для трамвайных контактных сетей (со скоростями движения до 40 км/ч).

2.

Цепной способ подвеса. Ширина пролета при цепном способе со

Рис. 9 – Цепной способ подвеса контактных проводов

ставляет до 100 м, используется для троллейбусов.

3. Консольный способ подвеса. Имеет характеристики сходные с цепным способом подвеса провода.

Рис. 10 – Консольный способ подвеса контактных проводов

Нормативная высота подвеса контактного провода 5,5-6,3 м. Минимальная высота подвеса – 4,2 м. Выполняется контактный провод из холоднотянутой медной проволоки (в настоящее время – из стальной омедненной проволоки).

Питание контактной сети осуществляется, преимущественно, с использованием подземного кабеля. Сердечник кабеля изготавливают из меди, алюминия. В качестве изоляции используется кабельная бумага, пропитанная битумной массой. Также рекомендуется использовать защитную оболочку, имеющую свинцовый слой, джутовую оболочку, ленточную (проволочную) броню.

Использование ходовых рельсов в качестве обратного провода при недостаточной изоляции вызывает появление в земле и подземных сооружениях «блуждающих» токов, разрушающих данные сооружения.

Рис. 11 — Схема электрокоррозии под действием блуждающих токов
1 – провод; 2 – рельс; 3 – влажный грунт; 4 – труба; 5 – электродвигатель трамвая; 6 – сопротивление в стыке рельса

В анодной зоне происходит разрушение подземного сооружения, т.к. «блуждающие» токи вызывают процесс электролиза (отрицательное явление). Этот фактор надо учитывать при прокладке путей и подземных инженерных сооружений.

Величина тока, уходящего из рельсов в подземные сооружения, определяется величиной падения напряжения в рельсах, величиной переходного сопротивления между рельсами и землей, величиной сопротивления между землей и подземными сооружениями, а также взаимного расположения рельсовых путей и подземных сооружений. Чем больше падение напряжения в рельсах и чем меньше переходное сопротивление, тем больше величина «блуждающих» токов. Применение «бесстыковых» рельсов позволяет уменьшить падение напряжения.

Меры защиты от «блуждающих» токов:

˗ определение оптимальной трассы прокладки подземных сооружений и рельсовых путей;

˗ соблюдение нормативных расстояний от рельсовых путей до подземных сооружений;

˗ прокладка кабелей в тоннелях, коллекторах, и использование специальных изолирующих покрытий для труб и т.п.

На уровне транспортного предприятия меры борьбы с «блуждающими» токами следующие:

˗ соблюдение нормативного сопротивления в рельсах при прокладке и в процессе эксплуатации;

˗ соблюдение нормативного сопротивления в стыках рельсов;

˗ соблюдение переходного сопротивления рельсового пути путем использования защитных материалов в путях, резиновых вставок в основании под рельсовыми путями;

˗ увеличение плотности отсасывающей сети, вследствие чего уменьшается падение напряжения;

˗ уменьшение мощности тяговых подстанций;

˗ обеспечение контроля за режимом работы отсасывающей сети.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транспорта

К числу наземного электрического транспорта относят трамваи и троллейбусы, которые используются в основном как городские транспортные средства. Для питания этого вида транспорта системы электроснабжения могут быть централизованными и распределенными.

Централизованная система электроснабжения – это система, в которой каждая тяговая подстанция питает протяженный район контактной сети по многим кабелям, децентрализованная – система, как правило, с двумя плюсовыми и двумя минусовыми кабелями, выводимыми на контактную сеть, каждая секция которой питается с двух сторон от двух тяговых подстанций.

Питание тяговых подстанций производится по кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ, присоединяемым к распределительному устройству высшего напряжения. Современные тяговые подстанции служат для преобразования трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц в постоянный. Для городского электрического наземного транспорта принято напряжение постоянного тока: на шинах тяговой подстанции – 600 В, на токоприемнике трамвая и троллейбуса – 550. Структурная схема тяговой подстанции приведена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Структурная схема тяговой подстанции и тяговой сети

Классификация тяговых подстанций может быть проведена по нескольким показателям: по назначению подстанции бывают трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные; наибольшее распространение в практике получили наземные подстанции. Для централизованного электроснабжения трамвая и троллейбуса их строят трехагрегатными, а децентрализованного – одно и двухагрегатными. Подробно с системой электроснабжения трамвая и троллейбуса можно ознакомиться по источнику [9]. В последнее время все большее распространение получает новый вид электрического транспорта – монорельсовый транспорт.

1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта

Монорельсовый транспорт – вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке – монорельсу, установленному на опорах или эстакаде на некотором расстоянии над землей.

В настоящее время широкое распространение получили две системы монорельсового транспорта: с колесным опиранием и магнитным подвесом.

Монорельсовый транспорт с колесным опиранием эксплуатируется во всех развитых странах, обеспечивая перевозки пассажиров по городским линиям. В 2004 г. в Москве пущена в опытную эксплуатацию Московская монорельсовая дорога (ММД) длиной 5 км в районе телецентра Останкино между Всероссийским выставочным центром (ВВЦ) и станцией метро «Тимиря-зевская».

Поезд ММД состоит из шести вагонов вместимостью 24 человека каждый. Московская монорельсовая дорога устроена следующим образом (рис. 1.21): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на эстакаду 4 при помощи опорных катков 5. Катки 6 и 7 обеспечивают вертикальную и горизонтальную стабилизацию экипажа. Передвижение осуществляется за счет линейного асинхронного двигателя 8, обмотки которого расположены на тележке и взаимодействуют с реактивной шиной 9, закрепленной на эстакаде.

В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 10, взаимодействующих с токопроводами 11, закрепленными посредством кронштейнов 12 на эстакаде.

Отличием данной схемы от классической является то, что в качестве движителя используются не колеса, а электрический линейный привод, обеспечивающий эффективную тягу и заданные ускорения вне зависимости от коэффициента трения качения колеса по балке.

Рис. 1.21. Схема расположения подвижного состава ММД на эстакаде

Для монорельсовых транспортных систем характерны скорости движения до 60 км/ч, в отдельных случаях на скоростных трассах до 100 км/ч. Потребляемый ток может составлять 200250 А на один токоприемник при напряжении 500600 В постоянного и 380500 В переменного тока.

Система электроснабжения такого транспорта аналогична системам электроснабжения метрополитена и городского электрического транспорта.

Электромагнитный монорельсовый транспорт. Принципиальной отличительной особенностью монорельсового транспорта с подвижным составом на электромагнитном подвесе (ЭМТ) является отсутствие традиционного для наземного транспорта колеса, выполняющего функцию опоры, направления и тягового усилия за счет сцепления с путевым полотном. В новом виде транспорта эти функции выполняет магнитное поле, что дает ряд несомненных преимуществ, особенно в части снижения уровня вибрации и шума и устранения сопротивления движению.

Классификация систем электромагнитного рельсового транспорта приведена на рис.1.22.

Рис. 1.22. Структурная схема ЭМТ

Система электроснабжения ЭМТ зависит от того, где размещены обмотки линейного двигателя – в пути или на экипаже [10]. В первом случае эта система носит название «длинный статор» и не требует специальных устройств для передачи электроэнергии на экипаж. Такая схема реализована в системах Transrapid (Германия), ML (Япония) и др. К недостаткам данной системы можно отнести высокую стоимость и сложность управления движением.

Если обмотка двигателя размещена на экипаже, то такая система называется «короткий статор». Она реализована в системах HSST (Япония) и ТЭМП (Россия), имеющих гораздо более низкую стоимость, но требующих применения устройств токосъема.

В России работы по созданию ЭМТ были начаты в середине 70-х гг. В настоящее время головной организацией в этой отрасли является инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва), в состав которого входят экспериментальный комплекс и испытательная трасса в г. Раменское, где ведутся работы по созданию отечественных систем монорельсового подвижного состава с электромагнитным подвесом.

Условия работы контактной системы ЭМТ обусловлены особенностями конструкции экипажа и характером расположения его на эстакаде (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Особенности системы токосъема ЭМТ

Кузов вагона ЭМТ установлен на тележке 1, охватывающей Т-образную эстакаду, на которой размещены опорные рельсы 3. На тележке смонтированы посадочные упоры 4, элементы подрессоривания 5 кузова 6, активная часть линейного электродвигателя 7, взаимодействующая с реактивной шиной 8, закрепленной на эстакаде 2. С феррорельсами 9 взаимодействуют электромагниты 10, обеспечивающие подвес экипажа.

В нижней части узла крепления электромагнитов закреплены токоприемники 11, контактные элементы 12 которых обеспечивают токосъем с нижней поверхности контактного рельса, закрепленного на эстакаде с помощью изоляторов. Напряжение – 1500 В, род тока – постоянный.

Данная схема была принята за основу при создании первой отечественной линии ЭМТ Москва – Шереметьево-2.

Система электроснабжения электромагнитного монорельсового транспорта с линейным асинхронным двигателем. При скорости движения свыше 300 км/ч мощность линейного двигателя, необходимая для преодоления сопротивления движению, оценивается в несколько мегаватт, поэтому к устройствам передачи электроэнергии на борт экипажа предъявляются высокие требования. Наиболее целесообразным в этом случае является применение контактного токосъема с использованием токоприемников и жесткой контакт- ной сети.

Максимальное тяговое усилие, развиваемое ЛАД, реализуется при от­носительно низком напряжении на статорной обмотке. Вслед­ствие этого передача энергии к двигателям поезда должна осу­ществляться при относительно низком напряжении (до 4000 В) и большом токе (до 8 кА). Пункты питания с преобразователями при этом необходимо располагать очень часто — менее чем через 0,1 км, что практически неосуществимо. Организация систем элект­роснабжения по такой системе весьма затруднительна из-за боль­ших потерь напряжения в сети. Для увеличения протяженности зон питания необходимо использовать усиливающие линии, но они дают незначительный эффект при технически возможных сечениях проводов фаз. В этих условиях целесообразно передавать энер­гию по продольной питающей линии (ППЛ) более высоким напряжением, а контактной сети оставить в основном функцию токо­съема. Связь между продольной питающей .линией и контактной сетью осуществить посредством согласующих трансформаторов. Конфигурации системы электроснабжения получаются сущест­венно различными в зависимости от того, где расположены пре­образователи в системе передачи электроэнергии от энергосистемы до поезда.

На рис.1.24 представлены варианты систем электроснабже­ния с тяговой сетью трехфазного переменного и постоянного тока.

На рис. 1.24,а преобразователи (ПН и ПЧ) расположены на тяговой подстанции.

Через продольную питающую линию и согласующие трансформаторы (СТ) в контактную сеть энергия передается трехфазным переменным током с изменяющимися напряжением и частотой. При этом уровень номинального напряжения в продоль­ной питающей линии может быть выбран достаточно высоким для уменьшения сечения проводов фаз.

Рис.1.24. Схемы тягового электроснабжения ВСНТ с ЭМП и ЛАД:

а – система трехфазного переменного тока в контактной сети

с преобразователями на тяговых подстанциях; Тр1 – трансформатор

подстанции; ПЧ, ПН – преобразователи напряжения и частоты;

ППЛ – продольная питающая линия; Тр2 (СТ) – согласующий трансформатор питающего пункта; к. с. – контактная сеть; б – система трехфазного

пе­ременного тока в контактной сети с преобразователями на питающих пунктах; в – систе­ма постоянного тока в контактной сети с «разнесенными»

В целях уменьшения индуктивного сопротивления питающей линии и соответственно падения напряжения в ней можно переда­вать энергию при постоянной частоте 50 Гц. Для этого преобразо­ватели ПН и ПЧ устанавливаются последовательно с согласую­щим трансформатором (рис.1.24,б) между продольной питаю­щей линией и контактной сетью в так называемых питающих пунктах.

Подстанции конструктивно упрощаются, на них остаются толь­ко силовые трансформаторы. Зоны питания продольной питающей линии в этом варианте могут быть более протяженными, чем в предыдущем. Однако в этом случае увеличивается число преобразователей.

Каждый из указанных вариантов систем имеет свои преиму­щества и недостатки. Выбор целесообразного варианта может быть осуществлен после технико-экономической оценки каждого, сравнения результатов и выбора наиболее экономичного по затратам.

ГОСТ 6962-75 Транспорт электрифицированный с питанием от контактной сети. Ряд напряжений

Текст ГОСТ 6962-75 Транспорт электрифицированный с питанием от контактной сети. Ряд напряжений

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ТРАНСПОРТ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫЙ С ПИТАНИЕМ ОТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Electrified transport with overhead system power supply. Voltage row

Дата введения 1977-01-01

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерством путей сообщения СССР

Н.А.Фуфянский, А.И.Скачков, О.П.Поярков, Б.М.Бородулин, Д.К.Томлянович, Е.А.Хохлов.

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 14 ноября 1975 г. N 3137

3. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 38-83 в части номинальных напряжений.

4. Ограничение срока действия снято по решению Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-92)

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ (март 1996 г.) с Изменением N 1, утвержденным в ноябре 1991 г. (ИУС 2-92)

ВЗАМЕН ГОСТ 6962-54

1. Настоящий стандарт распространяется на электрифицированный транспорт переменного частоты 50 Гц и постоянного тока — магистральный и промышленный, а также на городской электрифицированный транспорт постоянного тока.

Стандарт не распространяется на внутрицеховой электрифицированный транспорт, а также на транспорт, питаемый по трехпроводной системе электроснабжения.

2. Напряжения на шинах тяговой подстанции и на токоприемнике электроподвижного состава должны соответствовать указанным в таблице.

Электрическая тяга — Система постоянного тока в контактной сети

Производство и передача энергии осуществляется на трехфазном переменном токе, а распределение и использование ее для целей тяги — преимущественно на постоянном токе. Поэтому между линией передачи и контактной сетью, подводящей энергию к подвижному составу, необходимо иметь промежуточное звено — преобразовательную тяговую подстанцию, понижающую напряжение и преобразующую трехфазный переменный ток в постоянный.
Основными элементами этой системы являются: 1) трехфазная линия электропередачи (воздушная или кабельная) для передачи энергии от трансформаторных подстанций или непосредственно с электростанции к тяговым подстанциям; 2) тяговые преобразовательные подстанции; 3) контактная и рельсовая сети (для троллейбуса — только контактная), осуществляющие непрерывный подвод энергии постоянного тока к движущемуся по линии подвижному составу; 4) трамвайные вагоны и троллейбусы, на которых происходит преобразование электрической энергии в механическую работу, затрачиваемую на движение подвижного состава. На рис. 3 показана принципиальная схема электроснабжения городского электротранспорта.
Преобразовательная тяговая подстанция обычно оборудована: а) распределительным устройством трехфазного тока высокого напряжения, предназначенным для приема энергии с линии передачи и распределения ее между трансформаторами преобразовательных агрегатов и агрегатов собственных нужд подстанции; б) трансформаторами для понижения напряжения, подводимого к преобразователям; в) выпрямителями для преобразования тока; г) распределительным устройством выпрямленного тока, предназначенным для распределения энергии постоянного тока, получаемой от преобразователя, между отдельными линиями, подводящими энергию к контактной сети.

Рис. 3. Принципиальная схема электроснабжения городского транспорта
Т — трансформатор; Ш — шины; ПК и ОК — положительные и отрицательные кабели питающих линий; КВ — кремниевый выпрямитель; КС — контактная сеть; PC — рельсовая сеть

Рис. 4. Структурная схема тяговой преобразовательной подстанции (ТПП)

Рис. 5. Нагрузка подстанции
а — кривая мгновенных значений тока на шинах; б — типичный график нагрузки за сутки в рабочий день
На рис. 4 приведена структурная схема тяговой преобразовательной подстанции. Питание тяговой подстанции электроэнергией производится от высоковольтной сети трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ. Через вводы (на рис. 4 видны два ввода) электроэнергия поступает на сборные шины распределительного устройства высокого напряжения. Сборные шины служат для приема энергии и ее распределения по агрегатам. Шины обычно выполняются в виде голых проводников (медных, алюминиевых или стальных) прямоугольного или круглого сечения. Вводы и агрегаты снабжены автоматическими высоковольтными выключателями и разъединителями. Электроизмерительные приборы автоматической защиты оборудования от токов короткого замыкания и перегрузок питаются от измерительных трансформаторов тока и напряжения. Защита оборудования от перенапряжений выполняется высоковольтными разрядниками. Все эти аппараты и приборы размещаются в распределительном устройстве высокого напряжения. С шин высокого напряжения энергия поступает в трансформаторы ТР и затем в преобразователи ПР, в качестве которых обычно применяются статические преобразователи — ртутные и кремниевые выпрямители. В распределительном устройстве выпрямленного тока размещаются сборные шины постоянного тока (на 600 в), измерительная и защитная аппаратура. К положительной и отрицательной шинам присоединена сеть питающих линий, каждая из которых состоит из положительного и отрицательного кабеля.

Собственные нужды подстанции (СН) состоят из понижающих трансформаторов и сборных шин (ШСН) на 127—220 в. К шинам присоединен зарядный агрегат (ЗА), служащий для зарядки аккумуляторных батарей (АБ), и все потребители переменного тока собственных нужд подстанции (ПСН). От аккумуляторной батареи получают питание все потребители собственных нужд постоянного тока (ПСН).
Тяговые подстанции городского наземного электротранспорта можно классифицировать по различным признакам:
1) по назначению — трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные;
2) по типу преобразователей — с ртутными и кремниевыми преобразователями;
3) по количеству агрегатов — одноагрегатные и многоагрегатные;
4) по способу резервирования;
5) по способу управления (например, автоматические);
6) по конструктивному оформлению — стационарные и передвижные.

Нагрузка на сборных шинах тяговой подстанции не остается постоянной (рис. 5), так как непрерывно изменяется количество поездов, находящихся в районе подстанции, а также величина тока, потребляемого каждым поездом. Номинальная мощность тяговых подстанций в зависимости от числа агрегатов составляет 600—5000 кВт, а коэффициент полезного действия 0,85—0,87.

Номинальное напряжение на шинах постоянного тока тяговых подстанций по ГОСТ составляет 600, 825, 1650 и 3300 в. На подстанциях городского наземного электрического транспорта применяют напряжение 600 в, среднее же напряжение на токоприемниках 550 в, а для метрополитенов 825 и 750 в. На пригородных и магистральных железных дорогах вследствие больших мощностей подвижного состава экономически целесообразно применять более высокие напряжения— 1650/1500 и 3300/3000 в. Это дает возможность уменьшить сечение контактных проводов и сократить количество тяговых подстанций.
Тяговая сеть системы электроснабжения, служащая для передачи электрической энергии от тяговых подстанций к подвижному составу, состоит из питающих линий (положительный и отрицательный кабели) и контактной сети (два провода или провод и рельс).

Рис. 6. Тяговая сеть рельсового транспорта
1 — шины тяговой подстанции; 2 — тяговая сеть: ПК — положительные кабели; П1, П2, П3 — питающие пункты; ОК — отрицательные кабели; О1, О2, О3 — отсасывающие пункты, 3 — подземные металлические сооружения

Электрический контакт с проводами создается скольжением (или качением) по ним токосъемного устройства (токоприемника) подвижного состава. С рельсами трамвая контакт осуществляется через колесные пары вагонов. Для улучшения электропроводности рельсовой сети между отдельными рельсовыми нитками устроены междурельсовые и междупутные электрические соединения. Таким образом, рельсовый путь трамвая представляет собой непрерывную электрическую цепь и помимо своего прямого назначения служит проводом, по которому ток возвращается на подстанции.
Измерения показывают, что некоторая часть токов ответвляется из рельсов в землю, а затем и в подземные металлические сооружения, вызывая электрохимическую коррозию. Эти токи получили название блуждающих. На рис. 6 показан путь прохождения блуждающих токов. При электролитических процессах в земле происходит разъедание металлического сооружения в местах выхода тока из них в землю (так называемые анодные зоны). При положительной полярности контактного провода опасные анодные зоны (труб водопровода, канализации и газопровода, свинцовых оболочек кабелей и т. п.) располагаются, как правило, вблизи пунктов присоединения отрицательных кабелей к рельсам, называемых отсасывающими пунктами.
Контактные провода обычно подвешиваются над рельсовым или дорожным полотном при помощи изоляторов на опорных конструкциях. На метрополитенах контактная сеть выполняется в виде изолированного контактного рельса, укрепленного сбоку от ходовых рельсов.
Для обеспечения независимого питания частей контактной сети и сокращения длины участков, отключаемых при перегрузках или авариях, ее секционируют, т. е. разделяют на отдельные участки длиной по 500—1000 м, электрически изолированные друг от друга участковыми изоляторами.

Рис. 7. Принципиальная схема разветвленной тяговой сети трамвая
ТПП — тяговая подстанция; СИ — секционные изоляторы

Контактные сети бывают разветвленными и неразветвленными. На рис. 7 показана схема питания и секционирования разветвленной двухпутной городской трамвайной сети. Сеть дана в однолинейном изображении, так как контактные провода смежных путей обычно, как и рельсы, соединены параллельно. Секционные изоляторы устанавливаются только в контактной сети, так как рельсовая сеть не секционируется. Положительные и отрицательные кабели не показаны, а в виде точек изображены лишь места их присоединения, т. е. питающие и отсасывающие пункты.
Наивыгоднейшее место расположения тяговых подстанций, их число и мощность, а также количество и месторасположение питающих и отсасывающих пунктов устанавливается электрическим расчетом тяговой сети. На рис. 7 показаны четыре тяговые подстанции с 15 питающими пунктами. В больших городах с сильно разветвленной контактной сетью количество тяговых подстанций исчисляется несколькими десятками.

Участки неразветвленной сети встречаются на городском электрическом транспорте в виде вылетных и загородных линий или линий междугородных сообщений. Примером может служить троллейбусная междугородная горная трасса Симферополь — Ялта протяженностью 82 км, питание которой осуществляется от 19 автоматических тяговых одноагрегатных подстанций с кремниевыми выпрямителями (рис. 8). Среднее расстояние между подстанциями 4 км, мощность каждой подстанции по постоянному току 1200 кВт. При разомкнутых секционных изоляторах каждая подстанция питает участки своего района. Возможна параллельная работа всех тяговых подстанций при замкнутых изоляторах.

Рис. 8. Принципиальная схема неразветвленной тяговой сети междугородной трассы
ТПП — тяговая подстанция; ПК — положительный кабель; П — питающий пункт; ОК — отрицательный кабель; О — отсасывающий пункт; КС — контактная сеть; СИ — секционный изолятор

В контактной сети городского электротранспорта допускаются большие колебания напряжения, чем в стационарных промышленных сетях. Изменение напряжения в некоторых случаях достигает ±25% номинального напряжения сети. На рис. 9 дана диаграмма падения напряжения во всех элементах тяговой сети трамвая, отнесенная к токоприемнику движущегося поезда для двух участков питания. Напряжение на токоприемнике поезда можно выразить формулой

Кроме двухпроводной контактной сети может применяться и трехпроводная (рис. 10). Сущность этой системы заключается в том, что преобразователи соединяют в две последовательные группы и на тяговой подстанции помимо положительного и отрицательного полюсов образуется также нулевая (средняя) точка (см. рис. 10, точка а). Трехпроводная система может быть с поперечным или продольным секционированием сети.

Рис. 10. Трехпроводная тяговая сеть (а — с поперечным секционированием; б — с продольным секционированием)
I — тяговая подстанция: 1 — ввод; 2 — шины трехфазного тока; 3 — ртутные или кремниевые выпрямители; 4 — шины постоянного тока; II — тяговая сеть: 5 — положительный кабель; 6 — отрицательный кабель; 7 — нулевой кабель; 8 — контактная сеть; 9 — рельсовая сеть (двухпутная); 10 — секционный изолятор; 11 — электрические соединения рельсов

При поперечном секционировании сети (схема а) от положительной шины ток протекает по положительному кабелю и контактному проводу к тяговым двигателям вагонов А и затеки через рельсовую сеть к тяговым двигателям вагонов 5; далее через тяговые двигатели вагонов В, контактный провод и отрицательный кабель к отрицательной шине подстанции. В случае, если токи, потребляемые поездами А и В, равны друг другу, ток в отрицательном кабеле равен нулю, а токи в рельсах минимальны. Этим достигается экономия энергии и снижение блуждающих токов. Аналогичный эффект обеспечивается и при продольном секционировании сети (схема б). Трехпроводная система применима и на троллейбусном транспорте.
Однако исследования трехпроводной системы показывают, что экономический эффект ее применения (экономия цветного металла, уменьшение потерь энергии в сети) несуществен, вследствие чего в настоящее время эта система не находит применения.

Система постоянного тока получила широкое распространение на электрическом транспорте. Преимущества этой системы следующие: а) применение электродвигателей постоянного тока, имеющих хорошие тяговые свойства и обеспечивающих широкую регулировку скорости; б) простота конструкции и надежность в эксплуатации всего электрического оборудования подвижного состава; в) простота и экономическая целесообразность всей системы. Эти достоинства обусловливают преимущественное применение постоянного тока на городском транспорте всех стран мира.
В настоящее время в СССР на городском электрическом транспорте применяется только система постоянного тока, на пригородных и магистральных дорогах — система постоянного тока и система однофазного тока нормальной частоты (с преобразованием его в постоянный непосредственно на подвижном составе).