Системы управления ЭПС - Классификация ЭПС по роду тока в контактной сети

Классификация ЭПС по роду тока в контактной сети
Эта классификация представлена на рис. 1.4.
Величину номинального напряжения и род тока в контактной сети выбирают так, чтобы обеспечить:
— малые потери энергии при ее передаче;
—возможно меньшие затраты цветного металла и объемы строительных работ;
—простоту преобразования энергии для питания ТЭД;
—отсутствие влияния тягового тока на устройства связи и сигнализации;
—электробезопасность.
В начале 2000 г. в мире было 240 тыс. км ЭЖД, в том числе на постоянном токе 103 тыс. км (43 %), на переменном токе нормальной и пониженной частоты соответственно 101 тыс. км (42 %), и 36 тыс. км (15 %).

Постоянный ток.

Исторически это первая система электрической тяги. Первый участок магистральной железной дороги Балтимор-Огайо был электрифицирован на постоянном токе напряжением 650 В в 1895 г. Такое напряжение было слишком низким с точки зрения передачи электроэнергии на расстояние. Низкое напряжение позволяло непосредственно питать ТЭД от контактной сети, но ограничивало мощность ТЭД, а также удаление ЭПС от тяговой подстанции. Впоследствии напряжение в контактной сети было увеличено до 1500 В (Франция, Англия, Голландия, Австралия, Япония), а затем повышено до 3000 В (Россия, Украина, Грузия, Армения, Азербайджан, Латвия, Эстония, Италия, Испания, Бельгия, ЮАР, Польша, Чехия, Словакия).
Дальнейшее повышение напряжения делает невозможным питание тяговых электродвигателей непосредственно от контактной сети и требует применения преобразователей. В Италии и России ведутся поисковые работы по созданию системы тяги постоянного тока высокого напряжения (12 кВ).

Рис. 1.4. Классификация ЭПС по роду тока в контактной сети. Цифры после названий стран указывают протяженность ЭЖД в тыс. км на 2000 г.

Преимущества электрической тяги на постоянном токе:

1. Падение напряжения определяется только активным сопротивлением сети.
2. Незначительное влияние на линии связи.
3. Симметричная нагрузка трехфазной системы первичного энергоснабжения.

Недостатки:

1. Малое расстояние между тяговыми подстанциями (20—25 км при Uc= 3000 В).
2. Необходимость преобразователей на тяговых подстанциях.
3. Высокие капиталовложения и трудоемкость сооружения контактной сети, затраты цветного металла 9,5 т на километр.
4. Ограничение мощности коллекторных ТЭД до 900—1000 кВт по напряжению на коллекторе и изоляции на полное напряжение контактной сети.

Однофазный переменный ток.

 Попытки питать коллекторный тяговый двигатель от контактной сети через понижающий трансформатор привели к необходимости применения пониженной частоты в контактной сети (1903). Наибольшее распространение имеют сейчас пониженная частота 162/3 Гц в Европе (Германия, Австрия, Швеция, Норвегия, Швейцария) и 25 Гц в США. Такое решение имеет единственное преимущество: обеспечивается простота управления ЭПС, сводящегося к переключению выводов трансформатора.

Недостатки:

1. Сложность конструкции коллекторного тягового электродвигателя однофазного переменного тока.
2. Необходимость преобразования частоты на тяговых подстанциях.
3. Несимметричная нагрузка фаз первичного электроснабжения и влияния тяговой сети на линии связи.
4. Невозможность питания от тяговой сети освещения и электродвигателей общего назначения.

Для устранения этих недостатков была применена система стандартной частоты 50 Гц, а в США, Канаде и Японии — 60 Гц.
Первые опытные участки на частоте 50 Гц появились в Венгрии (1934), Германии (1936), СССР (экспериментальное кольцо 1938 г.), Франция (1950). Электрификация магистральных участков началась во Франции с 1954 г., в СССР с 1957 г., а затем и в других странах.

Успех применения однофазного переменного тока определился применением на ЭПС преобразователей однофазного переменного тока в постоянный или в трехфазный для питания ТЭД.

Преимущества:

1. Простота устройства тяговых подстанций;
2. Возможность повышения напряжения в контактной сети до 25—50 кВ и вследствие этого увеличение расстояния между тяговыми подстанциями до 70 км;
3. Снижение стоимости строительства, трудозатрат и расхода цветного металла до 7,5 т меди на км.
4. Возможность питания нетяговых потребителей от контактной сети.
5. Использование ТЭД постоянного тока с оптимальным соотношением номинальных значений напряжения и тока.

Недостатки:

1. Искажение формы потребляемого тока при применении простейших статических преобразователей.
2. Несимметричность нагрузки по фазам в системе первичного энергоснабжения.
3. Необходимость применения преобразователей на ЭПС.

Трехфазный переменный ток.

 Применялся в Швейцарии (1899), в Италии (1902). Контактная сеть двухфазная, наподобие троллейбусной. Напряжение контактной сети 3—10 кВ ограничено изоляционными расстояниями на воздушных стрелках. Основной недостаток: сложность двухпроводной контактной сети. Вскоре итальянский участок был переведен на постоянный ток, а швейцарский — на однофазный.