ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Железнодорожный транспорт на электрической тяге является наиболее производительным, экономичным и экологически безопасным. Поэтому с середины XX века и по настоящее время ведется активная работа по переводу железнодорожных магистралей на электрическую тягу. В настоящее время более 50 % железных дорог России являются электрифицированными. Кроме того, даже неэлектрифицированные участки железных дорог испытывают потребность в электрической энергии: она используется для целей обеспечения функционирования систем сигнализации, централизации, связи, освещения, работы вычислительной техники и т.д.

Электрическая энергия в России вырабатывается электростанциями, являющимися предприятиями энергетической отрасли. Железнодорожный транспорт потребляет около 7% электроэнергии, производимой в нашей стране. Она расходуется на обеспечение тяги поездов и питание нетяговых потребителей, к которым относятся железнодорожные станции с их инфраструктурой, устройства локомотивного, вагонного и путевого хозяйства, а также устройтсва регулирования движения поездов. К системе электроснабжения железной дороги могут быть подключены расположенные вблизи нее небольшие предприятия и населенные пункты.

Согласно п. 1 Приложения № 4 к ПТЭ на железнодорожном транспорте должно быть обеспечено надежное электроснабжение электрического подвижного состава, устройств СЦБ, связи и вычислительной техники как потребителей электрической энергии I категории, а также других потребителей в соответствии с установленной для них категорией.

Система электроснабжения железных дорог состоит из внешней сети (электростанции, трансформаторные подстанции, линии электропередачи) и внутренних сетей (тяговая сеть, линии электроснабжения устройств СЦБ и связи, осветительная сеть и др.).

На электростанциях вырабатывается трехфазный переменный электрический ток напряжением 6...21 кВ частотой 50 Гц. Для передачи электрической энергии к потребителям напряжение на трансформаторных подстанциях повышают до 250…750 кВ и передают на большие расстояния с помщью высоковольтных воздушных линий электропередачи (ЛЭП). Вблизи мест потребления электроэнергии напряжение понижают до 110 кВ с помощью понижающих подстанций и подают в районные сети, к которым наряду с другими потребителями подключены тяговые подстанции электрифицированных железных дорог и комплектные трансформаторные подстанции, питающие нетяговые потребители, ток которым поступает по высоковольтно-сигнальным линиям электропередачи напряжением 6...10 кВ.

Тяговая сеть предназначена для обеспечения электрической энергией электрического подвижного состава. Она состоит из контактных и рельсовых проводов, представляющих собой соответственно питающую и отсасывающую линии. Участки тяговой сети делят на секции (секционируют) и подсоединяют к соседним тяговым подстанциям. Это позволяет более равномерно загружать подстанции и контактную сеть, что в целом способствует снижению потерь электроэнергии в тяговой сети.

На железных дорогах России используют две системы тягового тока: постоянного и однофазного переменного.

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 пределы изменения величины напряжения: при постоянном токе от 2,7 до 4 кВ, при переменном - от 21 до 29 кВ (п.2 Приложения № 4 к ПТЭ).

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока с помощью тяговых трансформаторов и преобразуют его в постоянный с помощью выпрямителей. От тяговой подстанции электричество через защитный быстродействующий выключатель подается в контактную сеть по питающей линии - фидеру, а из рельсов возвращается обратно на тяговую подстанцию по отсасывающей линии.

Основными недостатками системы электроснабжения постоянного тока являются его постоянная полярность, относительно низкое напряжение в контактном проводе и утечки тока из-за отсутствия возможности обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего ("блуждающие токи"). Рельсы, служащие проводниками тока одной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и металлических конструкций, расположенных возле железнодорожного полотна. Для снижения этого эффекта применяют специальные защитные устройства - катодные станции и анодные заземлители.

Из-за относительно низкого напряжения в системе постоянного тока для получения необходимой мощности тягового подвижного состава (W=UI) по тяговой сети должен протекать ток большой силы. Для этого тяговые подстанции размещают недалеко друг от друга (через каждые 10...20 км) и увеличивают площадь сечения проводов контактной подвески, иногда применяя двойной и даже тройной контактный провод.

При электрификации на переменном токе по контактной сети передается требуемая мощность при бóльшем напряжении (25 кВ) и, соответственно, меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 50...70 км друг от друга. Их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока (отсутстсвуют выпрямители). Кроме того, сечение проводов контактной сети примерно в два раза меньше, что позволяет существенно экономить дорогостящую медь. Однако конструкция локомотивов и электропоездов переменного тока сложнее, а их стоимость выше.

Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных станциях - станциях стыкования. На таких станциях имеется электрическое оборудование - пункты группировки, позволяющие на одни и те же участки станционных путей подавать как постоянный, так и переменный ток. Работа таких устройств взаимоувязывается с работой устройств централизации и сигнализации. Устройство станций стыкования требует больших капиталовложений. Когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют двухсистемные электровозы и электропоезда, работающие на обоих родах тока. При использовании такого ЭПС переход с одного рода тока на другой может происходить во время движения поезда по перегону.

Контактная сеть - это совокупность проводов, поддерживающих конструкций и другого оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприемникам электрического подвижного состава. Основным требованием к конструкции контактной сети является обеспечение надежного постоянного контакта провода с токоприемником независимо от скорости движения поездов, климатических и атмосферных условий. В контактной сети нет дублируемых элементов, поэтому ее повреждение может повлечь за собой серьезное нарушение установленного графика движения поездов.

В соответствии с назначением электрифицированных путей используют простые и цепные воздушные контактные подвески. На второстепенных станционных и деповских путях при сравнительно небольшой скорости движения может применяться простая контактная подвеска ("трамвайного" типа), представляющая собой свободно висящий натянутый провод, который закреплен с помощью изоляторов на опорах, расположенных на расстоянии 50…55 м друг от друга.

При высоких скоростях движения провисание контактного провода должно быть минимальным. Это обеспечивается конструкцией цепной контактной подвески, в которой контактный провод между опорами прикреплен к несущему тросу с помощью часто расположенных проволочных струн. Благодаря этому расстояние между поверхностью головки рельса и контактным проводом остается практически постоянным. Для цепной подвески в отличие от простой требуется меньше опор: они располагаются на расстоянии 65...70 м друг от друга. На скоростных участках применяют цепную двойную контактную подвеску, в которой к несущему тросу на струнах подвешивают вспомогательный провод, к которому также струнами крепят контактный провод. В горизонтальной плоскости контактный провод расположен зигзагообразно относительно оси пути с отклонением у каждой опоры на ±300 мм. Благодаря этому обеспечиваются его ветроустойчивость и равномерное изнашивание контактных пластин токоприемников. Для уменьшения провисания контактного провода при сезонном изменении температуры его оттягивают к опорам, которые называются анкерными, и через систему тросов, роликов и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы. Наибольшая длина участка между анкерными опорами (анкерного участка) устанавливается с учетом допустимого натяжения изношенного контактного провода и на прямых участках пути достигает 800 м.

В соответствии с п. 4 Приложения № 4 к ПТЭ высота подвески контактного провода над уровнем головки рельса на перегонах и станциях должна быть не менее 5750 мм, а на переездах - не менее 6000 мм. Максимально допустимая высота подвески контактного провода - 6800 мм.

Контактный провод изготавливают из твердотянутой электролитической меди сечением 85, 100 или 150 мм². Для удобства крепления проводов с помощью зажимов используют медные фасонные провода МФ.

Для надежной работы контактной сети и удобства обслуживания ее делят на отдельные участки - секции с помощью воздушных промежутков и нейтральных вставок, а также секционных изоляторов.

При проходе токоприемника электроподвижного состава по воздушному промежутку он своим полозом кратковременно электрически соединяет обе секции контактной сети. Если по условиям питания секций это недопустимо, то их разделяют нейтральной вставкой, которая состоит из нескольких расположенных последовательно воздушных промежутков. Применение нейтральных вставок обязательно на линиях, электрифицированных на переменном токе, т.к. соседние секции контактной сети могут питаться от разных фаз, приходящих с электростанции, электрическое соединение которых друг с другом недопустимо. Проследовать нейтральные вставки ЭПС должен в режиме выбега и с выключенными вспомогательными машинами. Для ограждения мест секционирования контактной сети применяются специальные сигнальные знаки "токораздел", устанавливаемые на опорах контактной сети.

Соединение или разъединение секций осуществляется посредством секционных разъединителей, размещаемых на опорах контактной сети. Управление разъединителями может осуществляться как дистанционно с помощью установленного на опоре электропривода, связанного с пультом энергодиспетчера, так и вручную с помощью ручного привода, .

Схема оснащения контактными проводами станционных путей зависит от их назначения и типа станции. Над стрелочными переводами контактная сеть имеет так называемые воздушные стрелки, образуемые пересечением двух контактных подвесок.

На магистральных железных дорогах применяют металлические и железобетонные опоры контактной сети. Расстояние от оси крайнего пути до внутреннего края опор на прямых участках должно быть не менее 3100 мм. В особых случаях на электрифицируемых линиях допускается сокращение указанного расстояния до 2450 мм - на станциях и до 2750 мм - на перегонах. На перегонах в основном применяют индивидуальную консольную подвеску контактного провода. На станциях (а в некоторых случаях и на перегонах) применяется групповая подвеска контактных проводов на гибких и жестких поперечинах.

Для защиты контактной сети от короткого замыкания между соседними тяговыми подстанциями располагают посты секционирования, оборудованные защитными выключателями. Все металлические конструкции, непосредственно взаимодействующие с элементами контактной сети или находящиеся в радиусе 5 м от них, заземляют (соединяют с рельсами). На линиях, электрифицированных на постоянном токе, применяют специальные диодные и искровые заземлители. Для защиты элементов и оборудования контактной сети от перенапряжений (например, вследствие удара молнии) на некоторых опорах устанавливают грозовые разрядники, имеющие дугогасительные рога.

Для электрической изоляции элементов контактной сети, находящихся под напряжением (контактного провода, несущего троса, струн, фиксаторов), от заземленных элементов (опор, консолей, поперечин и пр.) применяются изоляторы. По выполняемым функциям изоляторы бывают подвесные, натяжные, фиксаторные, консольные, по конструкции — тарельчатые и стержневые, а по материалу, из которого они изготовлены - фарфоровые, стеклянные и полимерные.

На электрифицированных железных дорогах по рельсам проходит обратный тяговый ток. Для сокращения потерь электроэнергии и обеспечения нормального режима работы устройств автоматики и телемеханики на таких линиях предусматривают следующие особенности устройства верхнего строения пути:

• к головкам рельсов с наружной стороны колеи приваривают стыковые соединители (шунты), снижающие электрическое сопротивление рельсовых стыков;
• рельсы изолируют от шпал с помощью резиновых прокладок в случае применения железобетонных шпал и пропиткой деревянных шпал креозотом;
• используют щебеночный балласт, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами, а между подошвой рельса и балластом обеспечивают зазор не менее 3 см;
• на линиях, оборудованных автоблокировкой и электрической централизацией, применяют изолирующие стыки, а для того чтобы пропускать тяговый ток в обход них, устанавливают дроссель-трансформаторы или частотные фильтры.

Один из способов стыкования линий, электрифицированных на разных родах тока - это секционирование контактной сети станции стыкования с переключением отдельных секций на питание от фидеров постоянного или переменного тока. Контактная сеть станций стыкования имеет группы изолированных секций: постоянного тока, переменного тока и переключаемые. В переключаемые секции подается электроэнергия через пункты группировки. Контактную сеть с одного рода тока на другой переключают специальными переключателями с моторными приводами, устанавливаемыми на пунктах группировки. К каждому пункту подведены две питающие линии: переменного и постоянного тока от тяговой подстанции постоянно-переменного тока. Фидеры соответствующего рода тока этой подстанции подключают также к контактной сети горловин станции стыкования и прилегающих перегонов.

Для исключения возможности подачи на отдельные секции контактной сети тока, не соответствующего находящемуся там подвижному составу, а также выезда ЭПС на секции контактной сети с другой системой тока переключатели блокируют друг с другом и с устройствами электрической централизации. Управление переключателями включают в единую систему маршрутно-релейной централизации управления стрелками и сигналами станции. Дежурный по станции, собирая какой-либо маршрут, одновременно с установкой стрелок и сигналов в требуемое положение производит соответствующие переключения в контактной сети.

Маршрутная централизация на станциях стыкования имеет систему счета заезда и выезда электроподвижного состава на участки пути переключаемых секций контактной сети, что предотвращает попадание его под напряжение другого рода тока. Для защиты оборудования устройств электроснабжения и электроподвижного состава постоянного тока при попадании на них в результате каких-либо нарушений напряжения переменного тока имеется специальная аппаратура.

Устройства электроснабжения должны обеспечивать надежное электроснабжение:

• электроподвижного состава для движения поездов с установленными весовыми нормами, скоростями и интервалами между ними при требуемых размерах движения;
• устройств СЦБ, связи и вычислительной техники как потребителей электрической энергии I категории;
• всех остальных потребителей железнодорожного транспорта в соответствии с установленной категорией.

К устройствам электроснабжения тягового подвижного состава предъявляются описанные выше требования в отношеннии величины напряжения в тяговой сети и высоты подвески контактного провода.

Резервные источники электроснабжения усройств СЦБ должны быть в постоянной готовности и обеспечивать бесперебойную работу устройств СЦБ и переездной сигнализации в течение не менее 8 ч при условии, что питание не отключалось в предыдущие 36 ч. Время перехода с основной системы электроснабжения на резервную или наоборот не должно превышать 1,3 с.

Для обеспечения надежного электроснабжения должны проводиться периодический контроль состояния сооружений и устройств электроснабжения, измерение их параметров вагонами-лабораториями, приборами диагностики и осуществляться плановые ремонтные работы.

Устройства электроснабжения должны защищаться от токов короткого замыкания, перенапряжений и перегрузок сверх установленных норм.

Металлические подземные сооружения (трубопроводы, кабели и т.п.), а также металлические и железобетонные конструкции, находящиеся в районе линий, электрифицированных на постоянном токе, должны быть защищены от электрической коррозии.

В пределах искусственных сооружений расстояние от токонесущих элементов токоприемника и частей контактной сети, находящихся под напряжением, до заземленных частей сооружений и подвижного состава должно быть не менее 200 мм на линиях, электрифицированных на постоянном токе, и не менее 270 мм - на переменном токе.

С целью безопасности обслуживающего персонала и других лиц, а также для улучшения защиты от токов короткого замыкания заземляют или оборудуют устройствами защитного отключения металлические опоры и элементы, к которым подвешена контактная сеть, а также все металлические конструкции, расположенные ближе 5 м от частей контактной сети, находящихся под напряжением.