Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем. Энергосистема — это совокупность крупных электрических станций, объединенных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объединяют электростанции различных типов: тепловые, где используются разнообразные виды органического топлива, гидравлические и атомные.
Следует отметить, что нагрузки электрической тяги отличаются большой равномерностью, а это способствует более стабильной работе энергосистем. От Единой энергетической системы нашей страны питаются электрические магистрали европейской части страны, Урала, Сибири. Питание от мощных энергосистем обеспечивает бесперебойность снабжения электроэнергией потребителей, в том числе и электрического подвижного состава.
На рис. 2 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции.
Трехфазный переменный ток напряжением 6—10 кВ от генераторов электростанции по кабелю проходит к повышающему трансформатору, здесь в зависимости от различных условий напряжение может быть повышено до 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номинальные значения напряжений предусмотрены действующими стандартами.
Затем ток по линии электропередачи (ЛЭП) проходит к потребителям, в данном случае к тяговой подстанции. Если произойдет короткое замыкание на линии электропередачи или возникнут недопустимые перегрузки, высоковольтный выключатель отключит ее от электрической станции. Этот же выключатель используют для снятия напряжения с линии, например, при ее осмотре.
Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первичную обмотку трансформатора тяговой подстанции, который понижает напряжение переменного трехфазного тока до значения, необходимого для нормальной работы электроподвижного состава (э. п. с).
Устройство и работа тяговых подстанций дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, резко различаются.
На тяговой подстанции постоянного тока, которая показана на рис. 2, переменный ток преобразуется в постоянный. Первоначально для этой цели использовали вращающиеся преобразователи, которые состояли из мощных двигателей переменного тока, установленных на одном валу с генераторами постоянного тока. Затем вместо тяжелых и громоздких машинных преобразователей стали применять ртутные выпрямители. В дальнейшем все ртутные выпрямители были заменены полупроводниковыми.
Выпрямленное напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий выключатель — и питающую линию (фидер) подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях электровоза ток от вторичной обмотки трансформатора проходит через выпрямитель, быстродействующий выключатель, фидер, контактную сеть, пускорегулирующие аппараты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электрическую цепь, рельсы соединяют отсасывающей линией с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора.
Быстродействующий выключатель автоматически отключает фидер, а следовательно, и контактную сеть в случае перегрузки и коротких замыканий последней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства каких-либо работ, для чего также отключают быстродействующий выключатель.
Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для понижения напряжения, подводимого от ЛЭП, преобразования переменного тока в постоянный и распределения электрической энергии постоянного тока по участкам контактной сети.
Если железная дорога электрифицирована на переменном токе промышленной частоты, то тяговая подстанция предназначена для понижения напряжения, подводимого ЛЭП, и распределения электрической энергии по участкам контактной сети. На линиях, электрифицированных на переменном токе, замкнутый контур тока образуется при соединением одного конца первичной обмотки трансформатора, расположенного на электровозе, к контактной сети, а другого — к рельсу и далее через отсасывающую линию к подстанции. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, поскольку выпрямление напряжения для питания тяговых двигателей осуществляется на самом подвижном составе.
Коэффициент полезного действия электрической тяги выражается произведением к. п. д. отдельных звеньев системы питания электрифицированной железной дороги: электростанции, линии электропередачи, тяговой подстанции, контактной сети и самого электровоза. Если энергия поступает от тепловой электростанции, к. п. д. которой примерно 35%, то полный к. п. д. электрической тяги составляет около 28%. С тем же примерно к. п. д. работают электрифицированные железные дороги, которые начали получать энергию от атомных электростанций. Гидроэлектростанции, к. п. д. которых достигает 85%, питают примерно одну пятую часть электрифицированных железных дорог; к. п. д. электротяги составляет при этом 60—62%.
