Электроснабжение электрифицированной железной дороги. Секционирование контактной сети

Для электрификации железных дорог в нашей стране вначале была принята система электрической тяги постоянного тока напряжением 3 кВ. Выбор этой системы (за рубежом уже применялась система переменного тока напряжением 15 кВ частотой 16 2/3 Гц) был сделан на основе технико-экономических расчетов; решающим оказалось более простое выполнение элек-троподвижного состава (э.н.с.) и более низкий уровень изоляции контактной сети.

Постоянный и интенсивный рост грузонапряженности, характерный для наших дорог, постепенно стал, однако, усугублять недостатки системы постоянного тока, среди которых основными являются: большой расход цветных металлов на электрификацию (из-за сравнительно низкого напряжения в системе для поддержания необходимого уровня его на токоприемниках элек-троподвижного состава необходимо иметь большую площадь сечения проводов контактной сети), малое расстояние между тяговыми подстанциями (определяемое из тех же условий), невозможность полного параллельного соединения всех двигателей локомотива (рассчитанных на напряжение 1,5 кВ), которое улучшает его тяговые свойства. В связи с этим в 60-х годах расширились работы по созданию э.п.с. переменного тока; создание его позволило принять систему переменного тока напряжением 25 кВ частотой 50 Гц (с однофазным питанием локомотивов) основной при электрификации новых линий, как обладающую более высокими технико-экономическими показателями но сравнению с системой постоянного тока в условиях интенсивной работы транспорта.

При системе переменного тока благодаря более высокому напряжению тяговые подстанции можно располагать на большем расстоянии одна от другой (через 40-60 км), чем при постоянном токе (через 15-25 км), а общую площадь сечения проводов контактной сети существенно уменьшить (обычно достаточно 140 мм² на один путь, в то время как при постоянном токе она достигает 700 мм²). Другими не менее важными положительными качествами системы переменного тока являются высокие тяговые свойства электровозов и отсутствие интенсивной коррозии подземных искусственных сооружений.

Несмотря на указанные существенные преимущества системы однофазного переменного тока перед системой постоянного тока, стоимость электрификации линии по первой системе не намного ниже, чем по второй. Объясняется это тем, что конгактная сеть переменного тока оказывает сильное индуктивное влияние на другие линии, находящиеся в зоне действия ее электромагнитного поля- воздушные и кабельные линии СВЯЗИ, ЛИКИН телеуправления, радиовещания, силовые и осветительные линии, линин для питания автоблокировки и др. Для устранения мешающего влияния на линии связи, ухудшающего качество передачи информации, приходится осуществлять их переустройство-каблировагь или удалять на большое расстояние от железной дороги. Все эти дорогие работы включаются в стоимость электрификации линий. (Здесь уместно, однако, отметить, что каблирование линий связи само по себе является прогрессивным мероприятием, так как позволяет значительно повысить надежность связи и увеличить число каналов.)

Принципиальные схемы электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока одинаковы. От 1 яговых подстанций энергия поступает к э.п.с. но электротяговой сети, состоящей из питающей, контактной, рельсовой и отсасывающей сетей (рис. 1). Питиющую и отсасывающую сети выполняют в виде воздушных или кабельных липни. Рельсовая сеть состоит из ходовых рельсов, выделенных для передачи электрической энергии (на перегонах это обычно оба рельса каждого пути, на станциях - один), и рельсовых соединителей--отрезков гибких медных проводов, соединяющих концы рельсов и предназначенных для шунтирования их стыков, имеющих большое сопротивление. Контактная сеть представляет собой систему проводов и тросов, подвешенных на опорах и обеспечивающих передачу энергии к движущемуся подвижному составу посредством скользящего контакта.

Номинальное напряжение на шинах тяговых подстанций выше номинального напряжения контактной сети, составляя 27,5 кВ на линиях переменного тока и 3,3 кВ постоянного тока. Тяговые подстанции на линиях переменного тока представляют собой, по существу, трансформаторные подстанции, понижающие подведенное к ним напряжение. Тяговые подстанции постоянного тока оборудованы также включенными после трансформаторов выпрямительными установками, преобразующими переменный ток в постоянный. На тяговых подстанциях установлены быстродействующие аппараты, обеспечивающие защиту контактной сети, т. е. автоматическое прекращение питания ее в случае возникновения коротких замыканий, атмосферных перенапряжений или токовых перегрузок.

Обычно контактная сеть каждого пути перегона получает питание от двух тяговых подстанций, расположенных с разных сторон перегона. Такой способ питания называется двусторонним. По сравнению с односторонним способом питания он обеспечивает снижение токов от каждой тяговой подстанции, а следовательно, и уменьшение падения напряжения и потерь электрической энергии.

На двухпутных участках постоянного тока для уменьшения падения напряжения и потерь энергии выгодно соединять контактную сеть обоих путей. Такое соединение выполняют посредством постов секционирования или пунктов параллельного соединения контактной сети.

Пост секционирования устраивают примерно посередине между тяговыми подстанциями, где по каждому пути предусмотрена изоляция расположенных с разных сторон поста одной контактной подвески от другой. Пост секционирования оборудован четырьмя быстродействующими выключателями, осуществляющими не только поперечное, но и продольное соединение контактных подвесок (рис. 2).

Рис. 3. Схема электроснабжения по системе 2X25 кВ

Такой пост решает и вторую задачу - обеспечивает автоматическое отключение участка (секции) контактной сети, на которой произошло короткое замыкание или перегрузка (потребление локомотивами, находящимися на данном участке, недопустимого по площади сечения проводов тока). Так, например, при коротком замыкании на IV секции, как показано на рисунке, произойдет отключение быстродействующего выключателя В1 тяговой подстанции ТП2 и выключателя В8 поста секционирования.

Хотя принятая на наших дорогах система переменного тока напряжением 25 кВ пока не ограничивает пропускную способность линий, при дальнейшем увеличении нагрузок, например при увеличении числа тяжеловесных поездов, такие ограничения могут наступить как по уровню напряжения на токоприемнике э.п.с., так и по нагреву проводов контактной сети. Поэтому в настоящее время у нас начато применение системы электротяги 2X25 кВ.

Сущность системы 2x25 кВ состоит в том, что на тяговой подстанции установлены специальные трансформаторы (Тр1, Тр2, рис. 3), имеющие по две вторичные обмотки с номинальным напряжением 27,5 кВ. Эти обмотки соединены последовательно, а их общая точка подключена к рельсам Р. Вывод одной ив вторичных обмоток подключен к проводам контактной подвески К, а другой- к питающему проводу П, подвешенному на опорах изолированно от контактной подвески. При этом и контактная подвеска, и питающий провод находятся под напряжением 25 (27,5) кВ но отношению к рельсам, а напряжение между ними равно 50 (55) кВ.

На межнодстанционной зоне па расстоянии 15 -25 км друг от друга установлены автотрансформаторы (АТ1, АТ2) с коэффициентом трансформации 2, подключенные к контактной подвеске и питающему проводу. Средняя точка каждого автотрансформатора соединена с рельсами. Автотрансформаторы понижают напряжение петли «контактная подвеска--питающий провод» до напряжения контактной сети. Таким образом, электроэнергия подается от тяговой подстанции по контактной подвеске и питающему проводу к автотрансформаторам при номинальном напряжении 55 кВ, а автотрансформаторы преобразуют ого в напряжение 27,5 кВ (между контактной подвеской и рсд.сами), на которое рассчитан э.л.с.

Во время движения поезда по участку автотрансформаторы, располагаемые на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга, принимают нагрузку по очереди. Ток электровоза без трансформации течет по тяговой сети только между э.п.с. и ближайшим к нему в данный момент автотрансформатором, а на большем расстоянии - от подстанции до этого автотрансформатора- ток в тяговой сети вдвое меньше, чем электровоза. Благодаря уменьшению тока снижаются потери напряжения и энергии в системе электроснабжения, что позволяет увеличить расстояние между тяговыми подстанциями в 1,5-2 раза по сравнению с системой 25 кВ (примерно до 100 км) и обойтись меньшей площадью сечения проводов контактной сети.

Важным достоинством новой системы является уменьшенное влияние тяговой сети на линии связи. Это объясняется тем, что токи в контактной подвеске и питающем проводе на большей части межнодстанционной зоны близки по значению и направлены противоположно, а ток в рельсах невелик.

С целью обеспечения возможности снятия напряжения на отдельных путях перегонов и станций при сохранении питания электроэнергией других путей, что может оказаться необходимым не только при возникновении коротких замыканий и аварийных ситуаций на сети или э.п.с., но и для обеспечения плановых пябпт по контактной сети, выполняемых со снятием нап ряжения, контактная сеть делится на отдельные участки (секции), электрически непосредственно не связанные между собой, не только на перегонах, о чем только что было сказано, но и на станциях.

Секционирование подразделяют на продольное и поперечное. К продольному секционированию относят разделение сети у тяговой подстанции и поста секционирования, сети станции и перегона, сети разных парков станции или групп путей.

К поперечному секционированию относят разделение между собой контактной сети главных путей перегонов, станций и обгонных пунктов, отделение сети путей, на которых производятся погрузочно-разгрузочные работы, осмотр крышевого оборудования и экипировка э.п.с., а также его отстой в пунктах оборота и на зонных станциях.

Продольное секционирование чаще всего осуществляется.посредством изолирующих сопряжений анкерных участков (в обиходе называемых воздушными промежутками), поперечное секционирование- посредством секционных изоляторов.

Смежные секции контактной сети могут быть соединены между собой путем включения соответствующих секционных разъединителей. Однако при указанном способе секционирования секции соединяются между собой также и токоприемниками проходящего э.п.с., замыкающего полозами контактные провода, принадлежащие разным секциям.

В ряде случаев последнее недопустимо. Например, на особенно низких искусственных сооружениях при расположении контактных проводов на наименьшей допустимой высоте над уровнем головок рельсов воздушные зазоры между проводом и заземленными частями оказываются меньше нормальных для данного уровня напряжения. Поэтому подавать напряжение на контактные провода в таком искусственном сооружении нельзя. На дорогах переменного тока для обеспечения более равномерной нагрузки трехфазной системы, к которой подключены тяговые подстанции, применяется чередование фаз, т. е. смежные секции контактной сети питаются от разных фаз.

В таких местах для исключения возможности соединения контактных проводов разных секций полозами токоприемников, что приводит к коротким замыканиям (па линиях переменного тока - к междуфазным к.з.), сопряжения анкерных участков-выполняют с нейтральными вставками. Э. п. с. должен проходить их с отключенным током (на выбеге); это предупреждает пережог контактного провода электрической дугой, возникающей между полозом и проводом, принадлежащим секции, с которой сходит токоприемник, если локомотив потребляет ток.

Типовые схемы питания и секционирования контактной сети на двухпутных участках дорог постоянного и переменного тока приведены на рис. 4. На этих схемах буквами А, Б, В, Г обозначены разъединители продольного секционирования, Я - поперечного секционирования, Ф-разъединители питающих линий. Посредством разъединителей А и Б может быть подано напряжение на изолирующие сопряжения с нейтральными вставками (//$), что необходимо для вывода э.п.с. с нейтральной вставки в тех случаях, когда он остановится на ней.

Рис. 4. Схемы питания и секционирования контактной сети на двухпутных участках дорог постоянного (а) и переменного (б) тока

Остановка э.п.с. на нейтральной вставке крайне нежелательна, так как подача напряжения на нее, производимая по просьбе машиниста, и снятие напряжения, производимое после уведомления машиниста об освобождении локомотивом нейтральной вставки, требует значительного времени и, следовательно, приводит к сбою в движении поездов. Поэтому задача машиниста - проследовать нейтральную вставку без остановки, для чего обеспечить необходимую скорость движения э.п.с. перед отключением тока.

На приведенных схемах косыми параллельными линиями обозначены изолирующие сопряжения анкерных участков, а параллельными линиями, перпендикулярными осям путей съездов, - секционные изоляторы. Окружностями со штриховкой внутри обозначены нормально включенные разъединители, без штриховки - нормально отключенные.

На границах между линиями, электрифицированными по ¦системам постоянного и переменного тока, устраивают станции стыкования. Характерным для таких станций является деление контактной сети на три района: в одном из них сеть всегда находится под напряжением постоянного тока, в другом - всегда под напряжением переменного тока, к третьем .(районе Переключения)- напряжение на каждом пути может быть тем или другим в зависимости от того, какого рода тока э.п.с. направляется на этот путь или находится на нем.

Такой режим работы станции стыкования определяет и схему ее питания и секционирования, особенностью которой является наличие пунктов группировки, в которых сосредоточены переключатели, подключающие контактные подвески путей к питающим линиям постоянного или переменного тока. Переключение контактной сети производится автоматически одновременно с переводом стрелок дежурным пункта маршрутно-релейной централизации. Специальное устройство на этом пункте позволяет изменить напряжение контактной сети пути, с которого ушел отцепившийся от состава электровоз, хотя путь остался занятым вагонами.

Питание контактной сети депо от тяговой подстанции 777 производится обычно отдельной питающей линией с разъединителем (Ф6 на рис. 5).

Если заезд э.н.с. на канавы депо производится на высоком напряжении (это характерно для канав, предназначенных для обслуживания электропоездов), то напряжение на контактную сеть каждой канавы подается с помошыо индивидуального разъединителя (31, 32, 33) с заземляющим ножом. Наличие такого ножа .обеспечивает заземление контактной сети соответствующей канавы сразу же после отключения разъединителя.

Ручные приводы этих разъединителей связаны со световыми указателями специальной сигнализации внутри и снаружи депо. Горение красной лампы указателя внутри депо на той или иной канаве указывает на наличие высокого напряжения на сети этой канавы, і. е., в частности, на недопустимость подъема лю-

Рис. 5. Схема питания и секционирования контактной сети депо:

Т/7 - тяговая подстанция, А, Б-продольные секционные разъединители; /1 - поперечный секционный разъединитель; Л - деповской секционный разъединитель; Фь - разъединитель питающей линии, 31-33 - разъединители в депо дей на крышу э.п.с.; зеленая лампа загорается после снятия напряжения. Снаружи депо показания указателей соответствуют показаниям светофоров автоблокировки. Красный свет свидетельствует о снятии высокого напряжения на соответствующей канаве и запрещает заезд э.п.с. на нее, поскольку полозом токоприемника может быть перекрыт секционный изолятор перед воротами канавы, в результате чего произойдет короткое замыкание.

Для обеспечения надежной работы защиты от токов короткого замыкания и безопасности обслуживающего персонала и других лиц, которые могут прикоснуться к опорам и другим устройствам, расположенным вблизи контактной сети и оказавшимся под напряжением вследствие пробоя изоляции, на контактной сети применяют защитные заземления. Заземлению подлежат металлические опоры контактной сети, консоли, кронштейны, анкерные оттяжки на железобетонных и деревянных опорах или неметаллических искусственных сооружениях, а также все металлические конструкции (мосты, путепроводы, светофоры, отдельно стоящие опоры, прожекторные мачты, крыши зданий и др.), расположенные от находящихся под напряжением проводов и других элементов контактной сети на расстоянии менее 5 м в плане.

Защитные заземления присоединяют к тяговым рельсам или к средним точкам путевых дроссель-трансформаторов. Их подразделяют на индивидуальные и групповые.

Индивидуальные заземления устраивают на каждом заземляемом устройстве и выполняют стальным прутком диаметром не менее 12 мм на линиях постоянного тока и 10 мм -переменного. Этот пруток присоединяют к заземляемой конструкции болтами или сваркой, к рельсу - с помощью крюковых болтов, захватываемых за его подошву, к дроссель-трансформаторам - соединительными зажимами (при двух трансформаторах) или болтами (при одном трансформаторе).

При выполнении заземлений для уменьшения блуждающих токов, а также для обеспечения надежной работы автоблокировки и возможности контроля целости рельсов в них включают искровые промежутки. Основным элементом искрового промежутка является изолирующая (слюдяная) прослойка, заключенная между двумя контактными шайбами, одна из которых соединена с концом прутка, проложенного к заземляемой конструкции, а другая - с концом прутка, присоединенного к рельсу. В нормальных условиях заземляемая конструкция и рельс изолированы друг от друга, они соединяются между собой лишь тогда, когда, оказавшись под определенным напряжением (например, вследствие пробоя изолятора контактной сети), искровой промежуток пробивается'. В результате в этом месте образуется надежная цепь «контактная сеть-рельс», не снижающая благодаря своему малому сопротивлению ток короткого замыкания, и быстродействующие аппараты на подстанции прерывают этот ток.

Консольные опоры на перегонах заземляют на ближайший рельс, поскольку там оба рельса являются тяговыми. При этом опоры, расположенные с одной стороны путей, в пределах каждого блок-участка заземляют на одну и ту же рельсовую нить, чтобы в любых условиях (например, при заземлении контактной сети на нескольких опорах для выполнения работ) исключалось соединение рельсовых цепей через контактную сеть. На станциях с однониточными рельсовыми цепями заземления таких опор присоединяют к ближайшему тяговому рельсу.

Жесткие и неизолированные гибкие поперечины для исключения перетекания по ним обратного тягового тока и нарушений работы устройств СЦБ заземляют только с одной стороны.

Групповым заземлением осуществляется заземление нескольких опор одним общим тросом, спускаемая часть которого присоединена к среднему выводу ближайшего установленного ранее или специально установленного для этого дроссель-трансформатора. С целью предотвращения образования блуждающих токов трос группового заземления в нормальных условиях, т. е. при хорошем состоянии изоляторов контактной сети, не должен быть соединен с рельсами. Это достигается обычно включением в спускаемый провод заземления полупроводниковых вентилей - кремниевых диодов.

Как было сказано выше, составной частью электротяговой сети является рельсовая сеть. Протекание тока по ходовым рельсам, имеющим значительное электрическое сопротивление, вызывает в них падение напряжения; вследствие этого рельсы оказываются под некоторым потенциалом относительно земли. В то же время изоляционные свойства шпал и балласта крайне низки. В силу этого часть тяговых токов из рельсов ответвляется и течет по земле и металлическим подземным сооружениям- трубопроводам, оболочкам кабелей и т. д. В местах выхода этих токов, называемых блуждающими, из подземных сооружений происходит электролиз, вызывающий на дорогах постоянного тока коррозию эт-их сооружений и их последующее разрушение.

При положительной полярности контактной сети постоянного тока места стекания блуждающих токов с подземных сооружений (так называемые анодные зоны) расположены вблизи тяговых подстанций. При отрицательной полярности анодные зоны перемещаются вдоль пути вместе с движущимся э. п. с. Из сопоставления этих вариантов нетрудно заключить, что положительная полярность сети более целесообразна, потому что принять специальные меры по защите подземных сооружений от коррозии в одном месте (в зоне тяговой подстанции) гораздо проще, чем вдоль всей линии.

Рис. 6. Принципиальная схема поездной радиосвязи

Именно поэтому на контактной сети наших дорог постоянного тока повсеместно принята положительная полярность.

Нормальное движение поездов в настоящее время немыслимо без устойчивой работы поездной радиосвязи. На электрифицированных линиях работе радиосвязи препятствуют гладкие и импульсные помехи. Первые из них возникают в результате работы преобразовательных устройств тяговых подстанций, работы тяговых двигателей и вспомогательных машин э.п.с. и выражаются в виде непрерывного шума. Импульсные помехи вызываются искрением токоприемников из-за плохого качества скользящего контакта и имеют место при отключении быстродействующих выключателей, контакторов и т. п.; они проявляются в виде отдельных щелчков разной громкости.

Для улучшения работы поездной радиосвязи в радиоканал между стационарным]! 3 (рис. 6) и локомотивными 9 радиостанциями включают направляющую линию (волновод) 5. В провода волновода электромагнитная энергия от стационарных радиостанций передастся индуктивным способом с помощью возбуждающих проводов 4, подвешенных на некотором расстоянии параллельно волноводу; эти провода присоединены к стационарной радиостанции коаксиальной линией 2 через устройство 1, обеспечивающее согласование входного сопротивления проводов 4 с волновым сопротивлением линии 2.

Локомотивная радиостанция имеет антенну 6 на крыше э.п.с., с которой она связана коаксиальным кабелем 8 через устройство 7, согласующее входное сопротивление антенны с волновым сопротивлением кабеля.

В качестве направляющих линий (волноводов) в настоящее время обычно используют подвешенные на опорах контактной сети провода продольных линий нетягового электроснабжения. Ранее для этой цели подвешивали специальные волноводные провода.

Электрификация железных дорог всегда выполняется комплексно. Кроме основной задачи - подвести энергию к электро-подвижному составу, решаются задачи питания устройств автоблокировки и других стационарных потребителей транспортных объектов, а также питания объектов, не принадлежащих Министерству путей сообщения. При электрификации дорог реконструируются и сооружаются новые объекты локомотивного хозяйства.

Па дорогах постойного тока питание нетяговых потребителей осуществляют 01 специальных трехфазных линий напряжением 6 или 10 кВ. Па дорогах переменного тока напряжением 25 кВ для питания таких потребителей применяют систему ДПР («два провода- рельс»), при которой на опорах контактной, сети подвешивают провода двух фаз; в качестве провода третьей фазь используют ходовые рельсы. При этом на опорах располагают провод фазы, к которой подкиочена контактная подвеска (т. е. усиливающий провод), и провод фазы, неиспользуемой на данном участке для целей тяги.

Ос шншм документам, регламентирующим устройство и содержание контактной сети, являются Правила технического обслуживания и ремонта контактной сети электрифицированных желез ;ых дорог, утвержденные МПС.