Развитие систем тягового электроснабжения
На протяжении XX-ого века электрическая тяга доказала свою надежность и жизнеспособность. Стоимость электрической тяги на 54% дешевле тепловозной тяги, скорость на 23% выше /1/. Серьезным преимуществом электрической тяги является экономия нефтяного топлива, мировые запасы которого ограничены. Впервые электрическая тяга появилась в 1879 году, когда на промышленной выставке в Берлине была продемонстрирована первая электрическая железная дорога длиной 300 м, построенная Вернером Сименсом. Электровоз, приводился в движение электродвигателем мощностью 9,6 кВт. Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по отдельному контактному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд. К настоящему моменту общая протяженность электрических железных дорог во всем мире достигла 200 тыс. км, что составляет примерно 20% общей их длины. Как правило, это наиболее грузонапряженные линии, участки со сложным профилем пути, пригородные узлы больших городов с интенсивным движением поездов. С момента появления электротяги система тягового электроснабжения железных дорог коренным образом изменилась, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, которые используют энергию электростанций. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу - по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля. К настоящему времени в мире применяются три различные системы электрической тяги: - постоянного тока, - переменного тока пониженной частоты, - переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц. В первой половине XX-ого века для электрификации железных дорог применялись две первые системы, третья получила признание в 50-60-х годах, когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами. В системе постоянного тока к токоприемникам электроподвижного состава подводится ток напряжением 3000 В (в некоторых странах 1500 В и ниже). Такой ток обеспечивают тяговые подстанции, на которых переменный ток высокого напряжения общепромышленных энергосистем понижается до нужного значения и выпрямляется мощными полупроводниковыми выпрямителями. Одним из основных преимуществ системы постоянного тока является применение коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и эксплуатационными свойствами. А к числу ее недостатков относится сравнительно низкое значение напряжения в контактной сети, ограниченное допустимым значением напряжения двигателей. Следствием этого являются значительные токи в контактной сети, которые вызывают потери энергии и затрудняют процесс токосъема. Интенсификация железнодорожных перевозок и увеличение массы поездов привели на некоторых участках постоянного тока к трудностям питания электровозов из-за необходимости увеличения площади поперечного сечения проводов контактной сети и обеспечения эффективности токосъема. Все же система постоянного тока получила широкое распространение во многих странах, более половины всех электрических линий работают по такой системе. Так в России к настоящему моменту на половине электрифицированных участков используется система постоянного тока. Так же СТЭ постоянного тока распространена во Франции и Японии. Стремлением поднять напряжение в контактной сети и исключить из системы электрического питания процесс выпрямления тока объясняется применение и развитие в ряде стран Европы (ФРГ, Швейцария, Норвегия, Швеция, Австрия) системы переменного тока напряжением 15000В, пониженной частоты 16,6 Гц /2/. При этой системе на электровозах используют однофазные коллекторные двигатели, имеющие худшие показатели, чем двигатели постоянного тока. Эти двигатели не могут работать на общепромышленной частоте 50 Гц, поэтому приходится применять пониженную частоту. Для выработки электрического тока такой частоты потребовалось построить специальные электростанции, не связанные с общепромышленными энергосистемами. Линии электропередачи в этой системе однофазные, на подстанциях осуществляется только понижение напряжения трансформаторами. В отличие от подстанций постоянного тока в этом случае не нужны преобразователи переменного тока в постоянный, в качестве которых применялись ненадежные в эксплуатации, громоздкие и неэкономичные ртутные выпрямители. К настоящему времени по системе переменного тока напряжением 15 кВ пониженной частоты 16,6 Гц электрифицированы железные дороги Германии, Австрии и Швейцарии, образуя тем самым общую систему /3/. В 50-е годы XX-ого века в СССР и Франции были начаты работы по созданию новой более экономичной системы электрической тяги переменного тока промышленной частоты 50 Гц с напряжением в тяговой сети 25 кВ /2/. В этой системе, как и в системе постоянного тока, тяговые подстанции питаются от общепромышленных высоковольтных трехфазных сетей. Но на них нет выпрямителей. Трехфазное напряжение переменного тока линий электропередачи преобразуется трансформаторами в однофазное напряжение контактной сети 25 кВ, а ток выпрямляется непосредственно на электроподвижном составе. Легкие, компактные и безопасные для персонала полупроводниковые выпрямители, которые пришли на смену ртутным, обеспечили приоритет этой системы. К основным преимуществам данной системы по сравнению с системой постоянного тока можно отнести увеличение расстояния между тяговыми подстанциями, уменьшение площади сечения проводов контактной сети и сокращение потерь электроэнергии. К настоящему времени по системе переменного тока промышленной частоты электрифицировано около половины электрифицированных железных дорог России и Франции, все электрифицированные железные дороги Китая /4, 5, 6/. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты. Наибольший удельный вес общей протяженности электрифицированных железных дорог мира приходится на страны Западной, Центральной и Восточной Европы и страны СНГ. Также электрифицированный железнодорожный транспорт достаточно развит Юго-Западной и Юго-Восточной Азии (в основном это Япония, Китай и Индия) и на юге Африки (в основном за счет ЮАР). По абсолютной протяженности электрифицированных железных дорог среди стран мира лидирует Россия (40,3 тыс. км), с большим отрывом от Германии (18,8 тыс.км) и ЮАР (16,8 тыс. км). Представляет интерес то, что на 12 стран объединенной Европы приходится почти три четверти общей протяженности электрифицированной железнодорожной сети мира /7/. Примечателен тот факт, что к настоящему времени у пионеров внедрения электрической тяги (США), протяженность электрифицированных железных дорог составляет около 1 %. На рисунке 1 показан вес общей протяженности электрифицированных железных дорог в мире. По удельному весу электрической тяги в общем объеме транспортной работы железнодорожного транспорта лидирует Грузия и Армения (100%), Швейцария (99,0%) и Швеция (95%), в Германии - 87,6%, в Великобритании – 55%, в Италии - 90,7%, в России – (46,2%) /8 - 10/. Большинство первых железных дорог мира принадлежало частным компаниям, и каждая из них рассматривала технические вопросы обеспечения перевозок исключительно с позиций своих экономических интересов. В зависимости от условий рельефа и вида перевозимых грузов, их массы и размеров выбирали систему тягового электроснабжения. Первая половина XX-того века вошла в историю двумя разрушительными войнами на Европейском континенте. Обороноспособность государств требовала закрытости железнодорожного комплекса, и поэтому созданные в то время технические системы (в частности и системы тягового электроснабжения) имели существенные различия.
Рис. 1.2 Общая протяженность электрифицированных железных дорог в мире.
Так в процессе мировой эволюции электрической тяги кроме описанных выше трех систем появилось много разновидностей систем тягового электроснабжения. В таблице 1 приведены основные системы тягового электроснабжения, имеющие на сегодня наибольшее распространение в мире /11 - 17/. Необходимо отметить то, что в таблице приведены системы тягового электроснабжения, отличающиеся по роду тока, подаваемому напряжению и частоте. При этом существующую классификацию можно расширить, учитывая более детальные характеристики систем тягового электроснабжения. Так например во второй половине XX-того века в Японии были разработаны и введены в эксплуатацию система переменного тока 20 кВ с отсасывающими трансформаторами, система переменного тока 20 кВ с автотрансформаторами и система переменного тока 20 кВ с коаксиальным кабелем. При этом необходимо отметить, что в силу географических особенностей данные системы изолированы и в настоящее время не имеют дальнейшего распространения на другие страны. Также в Германии в настоящее время используется система переменного тока 12 кВ частотой 25 Гц и система переменного тока 25 кВ частотой 60 Гц. Таблица 1.2 Системы тягового электроснабжения железных дорог, применяемые в мире
На рисунках 1.3-1.6 приведена география распространения основных систем тягового электроснабжения. На рисунках отмечены страны, в которых по данным системам электрифицировано более 1000 км железных дорог.
Рис. 1.3 География распространения системы 1,5 кВ постоянного тока
Рис. 1.4 География распространения системы 15 кВ переменного тока частотой 16,7 Гц
Рис. 1.5 География распространения системы 3,3 кВ постоянного тока
Рис. 1.6 География распространения системы 25 кВ переменного тока
Рис. 1.7 Удельный вес систем тягового электроснабжения в Мире
Подобная эволюция систем тягового электроснабжения, выраженная в их различии, обусловлена тем, что работы по проектированию систем велись одновременно в разных странах, и у каждой системы есть свои преимущества и недостатки. Объединив все системы тягового электроснабжения по роду тока можно выделить следующие их основные недостатки. Для систем постоянного тока: - относительно небольшое расстояние межподстанционных зон; - необходимость увеличения площади сечения контактной сети; - коррозия подземных сооружений. Для систем переменного тока: - электромагнитное влияние на линии связи; - относительно сложные и ненадежные электровозы; - несимметричная загрузка фаз питающей системы. Между тем, различие систем и многообразие их видов само по себе является одним из недостатков железных дорог. В большей степени это относится к Европе и России. Исторически сложилось так, что электрификация начиналась на отдельных участках существовавшей в то время сети железных дорог в соответствии с уровнем техники и местными условиями. С увеличением протяженности электрифицированных участков и появлением необходимости в их стыковке возникли проблемы. В настоящее время в международных сообщениях в пределах Европы используются пять различных систем тягового электроснабжения, география которых различна. То же самое относится и к России. Хотя на территории Российской Федерации основными используемыми системами являются система постоянного тока 3,3 кВ и система переменного тока 27,5 кВ, география их также различна и исторически сложилось так, что к настоящему времени основные магистрали страны электрифицированы различными системами (рис.1.8, 1.9).
Рис.1.8 География распространения систем тягового электроснабжения России (синим цветом отмечены участки, электрифицированные по системе постоянного тока; красным цветом отмечены участки, электрифицированные по системе переменного тока; серым цветом отмечены неэлектрифицированные участки)
В настоящее время стратегическая задача ОАО «РЖД» по повышению объемов перевозок и эффективности работы во многом решается увеличением средней массы и длины грузовых поездов на основных направлениях сети железных дорог /1/. В связи с этим правлением ОАО «РЖД» был взят курс на усиление железнодорожной инфраструктуры для обеспечения к концу 2008 года пропуска грузовых поездов весом 6000-6300 тонн с интервалами не более 10 минут на основных направлениях сети железных дорог /2/. На заседания правления ОАО «РЖД» от 22.02.2006, проводимого под председательством президента ОАО «РЖД» Владимира Якунина, были выделены «основные направления сети железных дорог» /2/. На рисунке 8 приведена схема основных направлений сети железных дорог. Из рисунка видно, что существенная часть направлений электрифицирована по системе переменного тока.
Рис. 1.9 Схема основных направлений сети железных дорог (жирными линиями отмечены участки, электрифицированные по системе переменного тока)
|
