Автотрансформаторную систему впервые начали применять в США с 1913 г. До 30-х годов по этой системе был электрифицирован ряд участков с большим пригородным движением и линий, где обращались тяжелые грузовые поезда. Можно отметить довольно большое разнообразие в напряжении контактной сети и питающего провода на дорогах США: 11 и 22 кВ в контактной сети, 11, 22, 44 кВ в питающем проводе по отношению к земле; применены также различные технические решения. Это объясняется тем, что дороги принадлежат разным компаниям и электрификацию их проводили различные фирмы [25].
На пригородной железной дороге Рединг (Филадельфия) используют напряжение в контактной сети 12 кВ частотой 25 Гц. На тяговых подстанциях установлены однофазные трансформаторы Т с двумя вторичными обмотками 12 и 24 кВ (рис. 6.14); обмотка 12 кВ присоединена к контактному проводу К и рельсам Р, 24 кВ — к питающему проводу П и рельсам Р.
Рис. 6.14. Принципиальная схема питания линии Рединг
Таким образом, по контуру «контактная сеть — питающий провод» энергия передается при напряжении 36 кВ, т. е. в 3 раза большим, чем в контактной сети. В тяговой сети на расстоянии 10 км друг от друга установлены автотрансформаторы АТ мощностью по 2000 кВ-А.
Тяговая подстанция получает питание по двухпроводной линии от преобразовательной подстанции, преобразующей трехфазный ток частотой 60 Гц в однофазный с частотой 25 Гц.
Аналогичные соотношения напряжений на Вирджинской железной дороге: 12 кВ в контактной сети и 24 кВ — в питающем проводе. Однофазные трансформаторы подстанций мощностью 3000 кВ-А получают питание от двухфазной линии напряжением 88 кВ, расположенной на опорах контактной сети. Расстояния между тяговыми подстанциями составляют 30—36 км. Посередине между подстанциями установлен автотрансформатор мощностью 3750 кВ-А. Обращает на себя внимание отсутствие защиты автотрансформаторов (имеется только грозозащита). Вирджинская железнодорожная линия характеризуется большими массами поездов до 9000 т; при ее электрификации по автотрансформаторной системе учитывалось уменьшенное влияние на линии телефонной и телеграфной связи.
На ряде пригородных линий — Нью-Йорк, Нью-Хейвен и других применена система электрификации 2x11 кВ, т. е. и контактная сеть, и питающий провод имеют напряжение 11 кВ по отношению к земле. Эти линии четырехпутные с интенсивным пригородным движением, проходят по населенной местности, что потребовало при электрификации принять меры по значительному снижению влияния на линии связи. Поэтому автотрансформаторы мощностью 2000 кВ· A установлены через 5 км; автотрансформаторные пункты совмещены с постами секционирования, соединяющими все пути между собой. Имеются линии (Детройт — Толедо, Айронтон), где использована система электроснабжения 2 x22 кВ с частотой 25 Гц.
Наибольшее распространение автотрансформаторная система с напряжениями 2x25кВ получила в Японии на высокоскоростных пассажирских участках Осака—Хаката и Тохоку — Дзёэтсу линии Сан-Йо [261.
Рис. 6.15. Схема трансформатора системы Вудбриджа
Эти линии являются продолжением линии Токио — Осака (Новая Токайдо), на которой применена система электроснабжения 25 кВ с отсасывающими трансформаторами для защиты линий связи. Эксплуатация системы с отсасывающими трансформаторами при высоких скоростях движения поездов и большом токопотреблении выявила необходимость сложной конструкции изолирующих сопряжений у отсасывающих трансформаторов, расположенных часто (через 1,5—3,0 км), и наличие искрения при проходе этих сопряжений, влияющего на телевизионный прием. Кроме того, на новых линиях отсутствуют линии электропередачи, расположенные вблизи железной дороги. Поэтому при системе 25 кВ понадобилось бы большое количество отпаек от линий электропередачи (на линии Новая Токайдо с системой электроснабжения 25 кВ тяговые подстанции расположены через 20 км).
Для исключения этих недостатков была применена автотрансформаторная система, имеющая такое же защитное действие на линии связи, как и система с отсасывающими трансформаторами. Среднее расстояние между тяговыми подстанциями на линиях с напряжением 2 х25 кВ составляет 50 км, между автотрансформаторами —10 км. На тяговых подстанциях применяют трансформаторы системы Вудбриджа (рис. 6.15) большой мощности 100—200 MBA, обеспечивающие снижение несимметрии нагрузки в сети внешнего электроснабжения. Эти трансформаторы имеют первичную обмотку, соединенную в звезду (номинальное напряжение 155—275 кВ), и две вторичные обмотки, соединенные в два встречных треугольника. Одно плечо тяговой нагрузки подключают к вершинам а2 — а3 треугольников, другой — к обмоткам b2 — с2 и b3 — сЗ, соединенным параллельно. Напряжение между точками а2 и аЗ равно 55 кВ, а между b2 и с2 (bЗ и сЗ) — 55/3 кВ, поэтому для повышения напряжения второго плеча до номинального напряжения 55 кВ устанавливают повышающий автотрансформатор.
Напряжения плеч питания тяговой нагрузки от трансформатора системы Вудбриджа сдвинуты друг относительно друга на угол 90°, поэтому зависимость коэффициента несимметрии этой схемы от соотношения нагрузок плеч такая же, как и схемы Скотта или у подстанции с комбинированным применением однофазных и трехфазных трансформаторов (см. параграф 1.3).
Кроме того, при системе Вудбриджа нет тока нулевой последовательности в первичной обмотке. На каждой подстанции установлено по два силовых трансформатора: один в работе и один в резерве.
Как видно из рис. 6.15, вторичные обмотки трансформаторов подстанций не имеют соединения с рельсами (землей). Это дало возможность облегчить действие защиты контактной сети, но требует установки на подстанции коммутационного оборудования с номинальным напряжением не ниже 50 кВ, так как при замыкании контактной сети или питающего провода на землю второй вывод трансформатора оказывается под напряжением 50 кВ. Поэтому на тяговых подстанциях установлено коммутационное оборудование (выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы и т.п.) с номинальным для Японии классом изоляции 70 кВ.
Высокоскоростные линии Японии отличаются большой нагрузкой— один поезд на линии Сан-Йо имеет мощность до 16 000 кВт; в час «пик» проходит до девяти поездов в каждом направлении. Поэтому проходная мощность линейных автотрансформаторов составляет 20 МВ· А (собственная — 10 МВ-А) при расстоянии между ними 10 км. На менее нагруженных линиях используют автотрансформаторы мощностью 10 МВ-А. По данным японских журналов, сопротивление тяговой сети с автотрансформаторами составляет 40 % сопротивления тяговой сети 25 кВ. Расстояние между подстанциями при системе электроснабжения 2 X 25 кВ в 1,7 раза больше, чем в системе 25 кВ.
Во Франции на высокоскоростной линии Париж — Лион система электроснабжения 2 х 25 кВ использована на двух межподстанционных зонах длиной 90 и 93 км (на остальных зонах применена система 25 кВ с расстояниями между подстанциями 30—40 км) 1271. Сооружены подстанции открытого типа, РУ первичного напряжения занимают площадь 3200—4800 м2, РУ 55 кВ — 800 м2. Площадь здания тяговой подстанции составляет 65 м2, где размещают устройства автоматики, управления и защиты.
На тяговых подстанциях (рис. 6.16, о) установлены однофазные трансформаторы мощностью по 60 МВ· А с двумя вторичными обмотками, одну обмотку 1 (рис. 6.16, б) мощностью 36 МВ-А включают между контактной сетью и питающим проводом, вторую 2 мощностью 24 МВ· А — между контактным проводом и рельсом. Напряжение к.з. трансформатора 13 %. Трансформаторы допускают перегрузку 50 % в течение 15 мин и 100 % в течение 5 мин.
Подстанция, схема которой изображена на рис. 6.18, а, является стыковой систем 25 и 2 χ25 кВ. У трансформатора 77, который питает плечо системы 25 кВ, загружена только обмотка контактной сети; трансформаторы имеют возможность работать параллельно или быть подключенными к разным фазам линии электропередачи. Резервный трансформатор отсутствует. Фидерные выключатели подстанций — элегазовые на номинальный ток 1250 А, с отключающей способностью 15 кА.
Автотрансформаторы АТ мощностью по 10 МВ-А на этой линии установлены через каждые 15 км. Автотрансформаторы имеют естественное охлаждение и напряжение к.з. 1,2 %. Часть автотрансформаторных пунктов совмещена с постами секционирования 2 и пунктами параллельного соединения 3. В середине зоны имеется нейтральная вставка, которая в нормальном режиме при параллельной работе тяговых подстанций шунтируется коммутирующими аппаратами поста секционирования и может быть использована для обеспечения токораздела при раздельном питании межподстанционной зоны.
Посты секционирования оборудованы элегазовыми разъединителями мощности на номинальный ток 800 А, которые могут разрывать ток 1600 А при cos φ = 0,1.
Рис. 6.16. Схема тяговой подстанции линии Париж — Лион
Рис. 6.17. Схема тяговой подстанции линии Лион — Гренобль
Система электроснабжения 2x25 кВ применена также на участке Лион—Гренобль протяженностью 130 км. Схема тяговой подстанции этой линии (рис. 6.17) отличается от схемы подстанций Париж — Лион. Около подстанций нет нейтральной вставки, поэтому трансформаторы подключены к одним и тем же фазам линии электропередачи. Трансформаторы могут работать параллельно или один из них может питать оба плеча. Обращает на себя внимание большое количество трансформаторов (индикаторов) напряжения.
Рис. 6.18. Элегазовый выключатель на опоре контактной сети:
1 — герметичный сосуд с дугогасительной камерой; 2 — изолятор ввода; 3 — привод выключателя; 4 — опорные изоляторы
Существенные различия имеет схема питания и секционирования тяговой сети. Здесь автотрансформаторы расположены значительно чаще, через 4,7 — 6,0 км; на автотрансформаторном пункте установлен один автотрансформатор, имеющий возможность питать оба пути, контактная сеть и питающий провод часто секционированы.
Для шунтирования воздушных промежутков, подключения автотрансформаторов и в других случаях широко применяются элегазовые выключатели (рис. 6.18). Эти выключатели герметизированы (утечка газа допускается не более 0,1 % в год); фирма гарантирует им 20 лет эксплуатации без технического обслуживания. Устанавливаются выключатели на опорах контактной сети.
Система электроснабжения 2 х25 кВ нашла применение в Новой Зеландии; предполагается электрификация по этой системе железнодорожных линий в КНР, НРБ и в некоторых других странах.