В зависимости от системы тока, принятой в контактной сети, электрифицированные железные дороги разделяются на дороги постоянного и переменного тока.
Рис. 7-8. Схема энергоснабжения при постоянном токе. 1 — линия электропередачи; 2 — тяговые подстанции; 3 — контактный провод; 4 — рельсы.
Принципиальная схема энергоснабжения электрифицированной железной дороги по системе постоянного тока приведена на рис. 7-8. Трехфазный ток промышленной частоты 50 гц по линиям электропередачи подается от энергосистемы (или отдельной электростанции) к тяговым подстанциям электрифицированной железной дороги, где он преобразуется в постоянный ток нужного напряжения. Для этой цели на тяговых подстанциях устанавливаются трансформаторы и выпрямители, обычно ртутные. Выпрямленный ток подводится к контактной сети электрифицированной железной дороги, причем один полюс подключается к контактному проводу, другой — к рельсам.
Участки контактной сети, получающие питание от разных тяговых подстанций, как правило, изолируются друг от друга через нейтральную вставку, представляющую собой небольшой участок контактной сети, не получающий питания и электрически изолированный от обоих разделяемых им участков.
Система постоянного тока применена на большинстве электрифицированных магистральных и промышленных железных дорогах, в трамвае, для троллейбусов, на метрополитене.
Рис. 7-9. Схемы энергоснабжения при однофазном переменном токе.
1 — линия электропередачи; 2 — тяговые подстанции; 3 — контактный провод; 4 — рельсы; 5 — нейтральные вставки.
Принципиальная схема энергоснабжения электрифицированной железной дороги по системе однофазного переменного тока промышленной частоты приведена на рис. 7-9. В этой системе трехфазный ток промышленной частоты по линиям электропередач подается на тяговые подстанции, где он преобразуется в однофазный нужного напряжения. На тяговых подстанциях устанавливаются обычные трехфазные или специальные трансформаторы. В последнем случае достигается лучшее использование трансформатора.
Участки контактной сети, получающие питание от разных фаз трансформатора, обязательно изолируются друг от друга с помощью нейтральной вставки. Ввиду того что преобразование величины напряжения переменного тока не представляет трудностей, при применении системы переменного тока оно может производиться на электровозах, а в контактной сети выбирается экономически наиболее целесообразное напряжение, обычно в несколько раз превышающее величину напряжения, принимаемого при постоянном токе.
Это позволяет значительно облегчить и удешевить контактную сеть, увеличить расстояние между тяговыми подстанциями и, следовательно, сократить их количество.
Подстанции дорог переменного тока значительно более просты как по устройству, так и в обслуживании, чем тяговые подстанции дорог постоянного тока. Электрифицированные железные дороги однофазного переменного тока создают несимметричную нагрузку на питающую систему. Однако в связи с ростом мощности энергосистем этот недостаток становится все менее ощутимым.
Защита цепей связи от вредного действия контактной сети переменного тока является более сложной и дорогой, чем защита от воздействия контактной сети дорог постоянного тока.
В торфяной промышленности система однофазного переменного тока промышленной частоты применена в Шатурском транспортном управлении. Величина напряжения в контактной сети на электрифицированной дороге ШТУ принята 6 000 в. Питание дороги электроэнергией осуществляется от энергосистемы через две промышленные подстанции обычного типа, на которых дополнительно установлены трансформаторы для питания тяговой нагрузки. В качестве тяговых трансформаторов используются обычные трехфазные трансформаторы.
Защита цепей связи от вредного воздействия контактной сети на ШТУ достигнута путем отнесения линии связи в сторону от железной дороги на 100—200 м. Система постоянного тока применена на торфобрикетном предприятии Тоотси. Предприятие это по грузообороту и дальности возки является относительно небольшим. Питание электрифицированной дороги осуществляется от собственной электростанции. Напряжение в контактной сети принято 250 в.
Тяговые подстанции обычного типа с ртутными выпрямителями. Ввиду малого напряжения в контактной сети такая система может получить распространение только на торфопредприятиях небольшой мощности и малой дальности вывоза.
Одним из основных элементов любой электрифицированной железной дороги, требующим наибольших капиталовложений, является контактная сеть, которая служит для подвода электрической энергии от тяговых подстанций непосредственно к токоприемникам электроподвижного состава. Контактная сеть совместно с токоприемником должна обеспечивать надежный токосъем при скоростях движения, принятых на данной дороге, и при любых реально возможных метеорологических условиях. Контактная сеть должна быть простой и надежной по конструкции и в эксплуатации, иметь возможно меньшую стоимость при наименьшем расходе дефицитных материалов.
Обычно на электрифицированных железных дорогах применяется воздушная подвеска контактного провода над осью пути на опорах с консолями. Высота подвески контактного провода определяется в зависимости от принятого в контактной сети напряжения и габаритов подвижного состава. Так, высота подвески контактного провода от головки рельса принята на железных дорогах ШТУ равной 5 700 мм, в Тоотси—4 500 мм. Расстояние опор контактной сети от оси пути диктуется габаритами подвижного состава и приближения строений. Для дорог колеи 750 мм расстояние от оси пути до внутренней грани опоры обычно принимается 2 200 мм. Однако в торфяной промышленности из-за необходимости перевозки крупно-габаритных торфяных машин без разборки это расстояние приходится зачастую увеличивать до 3 800 мм. Контактные подвески разделяются на простые и цепные. При простой контактной подвеске контактный провод закрепляется непосредственно на опорных устройствах. У цепных подвесок контактный провод подвешивается на струнках к несущему канату, а последний закрепляется на опорных устройствах.
Контактная сеть с простой подвеской имеет меньшую строительную стоимость, чем контактная сеть с цепной подвеской и обеспечивает надежное токоснятие при скоростях 30—40 км/ч. Ввиду этого простая подвеска получила большое распространение на промышленных железных дорогах и на городском транспорте. Транспорт Тоотси и большая часть путей на ШТУ электрифицированы с применением простой подвески.
На рис. 7-10 представлен общий вид электрифицированного участка узкоколейной железной дороги ШТУ, оборудованного контактной сетью с простой подвеской.
В качестве контактного провода используется медный провод специального профиля сечением 65, 85 и 100 мм2. Контактный провод с помощью струнок подвешивается на консолях и от перемещения в плане удерживается с помощью фиксаторов. Жесткое закрепление провода на консоли нежелательно, так как это ведет к ухудшению токосъема, подгарам и преждевременному износу провода.
Рис. 7-10. Общий вид электрифицированного участка пути.
Для контактных сетей торфопредприятий наиболее целесообразно применять деревянные опоры как наиболее дешевые (по типу применяемых на ШТУ) или деревянные на железобетонных пасынках.
Конструкция контактных подвесок и опорных устройств нс зависит непосредственно от системы тока. Однако в результате применения более высокого напряжения в контактной сети переменного тока должна быть соответственно усилена изоляция; в результате уменьшения сечения проводов уменьшается нагрузка на опоры. Различие в системе применяемого тока влияет также на электрическую схему соединений контактной сети и на типы коммутационной и защитной аппаратуры.
Для сокращения расхода дефицитного медного контактного провода при электрификации железных дорог разработаны конструкции и начато серийное производство комбинированных сталеалюминиевых контактных проводов.
Ввиду того, что стоимость медного и сталеалюминиевого проводов равной проводимости одинаковы, а величины пролетов так же близки, можно считать, что стоимость 1 км контактной сети с медным и со сталеалюминиевым проводом будет примерно одинаковой.
В настоящее время для узкоколейных железных дорог торфяной и лесной промышленности ведутся работы по замене медного контактного провода на стальной, работающий параллельно с алюминиевым усиливающим фидером. Построены и испытываются участки трехфазной контактной сети с круглыми стальными контактными проводами в комбинате «Вятлес» и в Олененком леспромхозе и проектируется опытный участок однофазной контактной сети со стальным проводом для Шатурского торфотранспорта.
Успешное решение этого вопроса позволит не только отказаться от потребления медного провода при электрификации узкоколейных железных дорог, но и значительно снизить стоимость контактной сети. Снижение стоимости достигается за счет более экономного расхода проводникового материала, так как усиливающие фидеры могут быть выбраны нужного сечения, а в некоторых случаях, например на ряде станционных путей, на коротких ветках, вообще не должны применяться. Исключится непроизводительный расход цветного металла при анкеровках контактного провода.
Стоимость усиливающего фидера и стального контактного провода почти в 2 раза меньше стоимости медного. Как показывают расчеты, применение стального контактного провода позволит увеличить расстояние между опорами.
Недостатками стального контактного провода являются его подверженность коррозии и повышенный износ накладок пантографа. В случае успешного применения стального контактного провода значительно расширяется область экономичного применения электрической тяги на торфотранспорте.
Электрификация временных погрузочных путей представляет собой известные трудности. На торфобрикетном предприятии Тоотси для этой цели была применена переносная контактная сеть с боковым токосъемом. Опоры были применены складывающиеся, телескопические из металлических труб, на крестовинах. Контактный провод крепился на верхней части опоры и был обращен контактной поверхностью кверху, так что скользящий по нему токоприемник находился выше провода. Опыт эксплуатации показал, что переносная контактная сеть на практике неудобна, требует значительных трудозатрат и времени на перенос и надзор. Тем более неудобно применение переносных контактных сетей для переменного тока с более высоким напряжением. Применение электротепловозов дает возможность успешноірабо- тать локомотивам на временных погрузочных путях.