Глава 12 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ

 

  Главная      Книги - Электровозы     Как устроен и работает электровоз (Сидоров Н.И., Сидорова Н.Н.) - 1988 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     39      40      41      42     ..

 

 

 

 

 

Глава 12 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ДОРОГ


ТЯГОВЫЕ ПОДСТАНЦИИ

 

Тяговые подстанции дорог постоянного и переменного тока значительно различаются по устройству. Однако и те и другие должны отвечать следующим требованиям: обеспечивать надежность электроснабжения локомотивов, быть по возможности несложными, безопасными в обслуживании. Желательно также, чтобы расходы на их монтаж и эксплуатацию были невелики.

Познакомимся с устройством типовой тяговой подстанции постоянного тока (рис. 132). На ней установлено два силовых трансформатора Т1 и Т2 (их может быть и больше). Каждый из трансформаторов соединен со своим выпрямителем В, собранным по трехфазной мостовой схеме. Катоды выпрямителей быстродействующими выключателями БВ и разъединителями Р соединены с шиной «+» распределительного устройства РУ постоянного тока. Аноды выпрямителей соединены разъединителями с шиной «—».

Шина «+ », или, как еще ее называют, главная шина, соединена фидерами с контактной сетью. В фидер для защиты подстанций от коротких замыканий в контактной сети включены быстродействующий выключатель БВф и два разъединителя Рф. Отключив эти разъединители, можно производить в безопасных условиях ревизию или осмотр быстродействующего выключателя. Защита от коротких замыканий должна действовать избирательно (селективно) и не отключать контактную сеть в тяжелых рабочих режимах, например при одновременном пуске нескольких единиц электроподвижного состава, резком колебании нагрузок, связанных с перегруппировкой тяговых двигателей.

Фидеров обычно бывает несколько (на рис. 132 показан один). Количество их зависит от числа электрифицированных путей на перегоне, путевого развития станций, наличия депо. Шину «—» (ее еще называют обратной) соединяют с рельсами отсасывающей воздушной или кабельной линией.

Поясним особенности выпрямления переменного тока на тяговых подстанциях. Выше было отмечено, что выпрямленный ток на подстанциях является практически постоянным в отличие от пульсирующего на электровозах переменного тока. Объясняется это тем, что на тяговых подстанциях выпрямляется трехфазный ток в отличие от однофазного, который подводится к электровозам переменного тока.

При однофазном токе для уменьшения пульсаций применяется двухпериодная схема выпрямления (см. рис. 62, б); по такой же схеме включают и все три фазы вторичной обмотки трансформатора, соединенные «звездой». К обмоткам присоединены шесть групп вентилей, работающих поочередно. При этом обеспечивается шестифазное выпрямление. Кроме того, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в шину «-» включают сглаживающий реактор СР.

 

 Схема рис. 132 упрощена; на ней, например, не показаны запасная шина и запасной БВ, с помощью которых, не прерывая питание, можно заменить любой БВ фидера; не показан также ряд других устройств и аппаратов.

Чтобы еще больше уменьшить колебания выпрямленного напряжения, можно применить параллельную работу двух преобразовательных агрегатов, каждый из которых имеет шестипульсовые схемы выпрямления. Пульсации выпрямленного напряжения каждой установки следуют со сдвигом 360°:6= 60°. Если искусственно сделать дополнительный сдвиг на 30° при параллельной работе двух выпрямителей, то на выходных линиях подстанции будет выпрямленное напряжение с 12-фазной пульсацией. Отклонение этих колебаний от среднего значения выпрямленного напряжения меньше, чем при шестипульсовой схеме.

 

 

 

Рис. 132. Принципиальная схема тяговой подстанции постоянного тока 

 

Для того чтобы можно было осуществить рекуперацию на электроподвижном составе, независимо от наличия потребителя на линии устанавливают инверторы или поглощающие устройства на подстанциях. Принцип инвертирования (преобразование постоянного тока в переменный) был рассмотрен применительно к установкам на электроподвижном составе. В отличие от рассмотренного инвертор, расположенный на подстанции, является многофазным: он преобразует постоянное напряжение в трехфазное.

В СССР применяют в основном выпрямительно-инверторные установки, силовая схема которых рассчитана на работу в двух режимах: выпрямления и инвертирования. При наличии такой установки энергия рекуперации передается от тяговой подстанции в систему первичного (внешнего) электроснабжения.

Поглощающие устройства состоят из резисторов. Поглощающие резисторы, в которых энергия рекуперации бесполезно рассеивается, целесообразно применять лишь тогда, когда количество энергии рекуперации, поступающее на подстанции, незначительно, и эта энергия в основном потребляется электровозами, находящимися в тяговом режиме. Это возможно на многопутных электрифицированных участках с интенсивным движением, на которых всегда в зонах питания имеются электровозы, потребляющие энергию.

Однако в некоторые моменты времени на таких участках кратковременно могут отсутствовать электровозы — потребители энергии рекуперации. При отсутствии приемников этой энергии возможны срывы рекуперативного торможения поездов, движущихся с большой скоростью по уклону. Это недопустимо как с точки зрения безопасности движения, так и вследствие возникновения в таких случаях чрезмерно высокого напряжения, опасного для тяговых двигателей.

Поэтому на тяговых подстанциях устанавливают поглощающие резисторы, служащие резервным приемником энергии рекуперации в указанные моменты времени. Их включение должно производиться безынерционно как только напряжение в контактной сети превысит напряжение на выходе выпрямителя, установленного на подстанции.

На подстанциях дорог переменного тока используют силовые трансформаторы различных типов с разными схемами соединения их обмоток в зависимости от величины нагрузок и условий электроснабжения тяговой подстанции. В случае питания тяговой подстанции от двух линий электропередачи (ЛЭП) первичные обмотки трансформаторов Т1 и Т2 (рис. 133) присоединяют к разным ЛЭП.

 В случае необходимости эти обмотки можно подключить к одной и той же ЛЭП, применив перемычку (на рис. 133 перемычка не показана). Две фазы вторичных обмоток трансформаторов, например А и С, соединены с шинами тяговой подстанции.

Шины высоковольтными выключателями ВВ и фидерами соединены с контактными подвесками путей I и II двухпутного участка. Третья фаза (в нашем примере В) соединена с рельсами. Более или менее равномерная нагрузка фаз обеспечивается благодаря подключению контактной подвески I к фазам А и С.

 

 Так же подсоединена контактная подвеска II другого пути. Для предотвращения короткого замыкания между фазами А и С контактные подвески электрически разделены нейтральными вставками.

 Тяговые подстанции имеют также трансформаторы для питания собственных нужд (например, освещение, отопление и пр.), трансформаторы напряжения для питания релейной защиты, счетчиков и т. п. Эти присоединения на рис. 132 и 133 не показаны. От тяговых подстанций получают питание устройства железнодорожной сигнализации, связи, автоблокировки.

Электрификация железных дорог одновременно способствует развитию централизованного снабжения электроэнергией промышленных предприятий и сельских районов, прилегающих к электрифицированным линиям.

Для электроснабжения нетяговых потребителей трансформаторы тяговых подстанций дорог переменного тока имеют третью трехфазную обмотку, соединенную с шинами А', В', С'. На тяговых подстанциях дорог постоянного тока устанавливают отдельные трансформаторы Т3 (см. рис. 132), питающие районные потребители.

 

Рис. 133. Принципиальная схема тяговой подстанции переменного тока



Многие тяговые подстанции превратились по существу в районные, нагрузки которых в значительной мере определяются нетяговыми потребителями. Электровооруженность труда значительно повышает его производительность, улучшает условия быта и отдыха населения. Важную роль в решении этих задач играет электрификация железных дорог. Кроме того, в районах, через которые проходят электрифицированные железные дороги, оказывается возможным закрыть маломощные транспортные, промышленные и сельские электростанции, что дает значительный экономический эффект.

 

 

ТЯГОВАЯ СЕТЬ

 

Контактная сеть, рельсы, фидеры и отсасывающие линии образуют тяговую сеть железных дорог.

Контактная сеть служит для непосредственного подведения электрической энергии к электроподвижному составу. В зависимости от назначения и условий эксплуатации контактная сеть может быть выполнена в виде воздушной подвески на опорах или контактного (третьего) рельса, установленного рядом с путями на кронштейнах с изоляторами. Контактные рельсы используют в СССР только на метрополитенах. На магистральных электрических дорогах их не применяют из-за трудностей, связанных с обеспечением безопасности людей и животных, с защитой от снежных заносов и т. д.

Контактная сеть должна обеспечивать бесперебойный токосъем при наибольших скоростях в любых атмосферных условиях. Практически это означает, что при значительных колебаниях температуры, образовании гололеда, сильном ветре, максимально допустимой скорости движения электроподвижного состава, установленной графиком движения, не должен нарушаться скользящий контакт между контактным проводом и токоприемником.

Основным критерием качества механического взаимодействия токоприемника и контактной подвески является степень постоянства контактного нажатия, т. е. нажатия в месте контакта токоприемника и провода в процессе движения электроподвижного состава. Если контактное нажатие близко к постоянному, то, во-первых, не происходит отрывов полоза токоприемника от контактного провода и не создаются тем самым условия для повышенного электрического износа провода и элементов полоза в результате искрения; во-вторых, не происходит заметных повышений контактного нажатия в жестких точках контактной подвески и не создаются условия для повышенного механического износа провода и токосъемных элементов.

Воздушные контактные подвески подразделяют на простые и цепные. Простая контактная подвеска, называемая иногда трамвайной, состоит из контактного провода, подвешенного на опорах к консолям на изоляторах. Контактный провод может занимать почти горизонтальное положение только при какой-то одной температуре. При любой другой температуре он либо провиснет, либо натяжение его превысит допустимое. В условиях больших скоростей движения токоприемник может не успевать следовать за очертаниями контактного провода; в результате этого возможны нарушения скользящего контакта, особенно в точках подвеса контактного провода.

На магистральных участках железных дорог в СССР, как и за рубежом, применяют цепные подвески, состоящие из контактных проводов и несущих тросов. Это деление в некоторой мере условно. Однако принято к несущим тросам относить провода, основная функция которых — воспринимать механические нагрузки, а к контактным проводам те, основная функция которых проводить ток.

Цепные подвески в свою очередь подразделяют на одинарные и двойные. Цепные подвески позволяют увеличивать расстояние между опорами и обеспечивают безыскровой скользящий контакт при высоких скоростях.

В цепной одинарной подвеске (рис. 134) контактный провод с помощью часто размещенных струн подвешивают к несущему тросу. Несущий трос, используя изоляторы, крепят к консолям, расположенным на опорах. Положение цепной подвески относительно оси пути задают с помощью фиксаторов. При двойной цепной подвеске (рис. 135) к несущему тросу на струнах подвешивают вспомогательный провод, к которому также струнами крепят контактный провод. Двойная цепная подвеска допускает наибольшие скорости движения.

Контактный провод в цепных подвесках подвешивают так, чтобы он располагался по всей длине пролета примерно на одной высоте от головки рельса. Это достигается применением струн разной длины: коротких в средней части пролета и более длинных у опор. Условия механического взаимодействия токоприемника и контактного провода ухудшаются при увеличении расстояний между соседними струнами, так как в этом случае значительны стрелы провеса контактного провода в межструновых пролетах. Эти стрелы провеса уменьшить практически невозможно, поскольку натяжения проводов уже приняты максимальными, в частности по условиям обеспечения наибольшей ветроустойчивости подвески.

 

 

 

 

Рис 135 Цепная двойная подвеска 

 

Рис. 136. Расположение цепной контактной подвески в плане 

 

Рис. 134. Цепная одинарная подвеска 

 

Рис. 137. Полукомпенсированная цепная контактная подвеска 

 

Рис. 138. Изменение стрелы провеса полукомпен-сированной цепной подвески в зависимости от температуры

 

По этой причине единственным путем снижения меж-струновых стрел провеса остается сближение струн до экономически целесообразных пределов. На отечественных железных дорогах расстояние между соседними струнами в средней части пролета обычно составляет 7—9 м. В подвесках с двумя контактными проводами при шахматном расположении струн (струны разных контактных проводов смещены друг относительно друга) расстояние между ними уменьшено до 4—6 м.
 

В плане на прямых участках пути контактные провода располагают зигзагообразно относительно оси пути. Это необходимо для обеспечения равномерного износа накладок токоприемников. Зигзаг устанавливают в соответствии с длиной рабочей части токоприемника. На дорогах Советского Союза зигзаг составляет 0,3 м в каждую сторону. Зигзаг контактному проводу придают фиксаторами, размещаемыми на каждой опоре.

Несущий трос может быть расположен зигзагообразно вместе с контактным проводом (рис. 136, а), по оси пути (рис. 136, б) и с зигзагом, обратным зигзагу контактного провода (рис. 136, в). В зависимости от этого цепная подвеска называется соответственно вертикальной, полукосой и косой. Выбор типа расположения подвески в плане зависит от скорости и преимущественного направления ветра на данном участке. Косая цепная подвеска наиболее устойчива к воздействию ветра и позволяет применять большие пролеты. Однако монтаж ее сложнее.
 

Рис 139 Анкерный участок 

 


В проводах контактной подвески необходимо поддерживать определенное натяжение, чтобы обеспечить минимальные стрелы провеса контактного провода. На электрифицированных железных дорогах применяют полукомпен-сированные и компенсированные кон-тактные подвески, различающиеся способом натяжения проводов.

В полу компенсированной цепной подвеске с помощью грузовых компенсаторов (рис. 137) обеспечивают натяжение только контактного провода. Вследствие этого отдельные точки контактного провода перемещаются вдоль пути при изменениях окружающей температуры и тем больше, чем ближе точка находится к компенсатору. В полу-компенсированной подвеске несущий трос закреплен на опоре жестко и при колебаниях температуры стрела его провеса изменяется (рис. 138). Вместе с несущим тросом приподнимается или опускается контактный провод. В зимнее время возникает так называемый отрицательный провес,, что значительно снижает качество токосъема. Учитывая это, в полукомпенсированной подвеске натяжение контактного провода регулируют так, чтобы он занимал беспро-весное положение при температуре не среднегодовой, а ниже ее на 10—15° С.

В компенсированной цепной подвеске в контактиый провод и несущий трос включены приспособления, автоматически компенсирующие температурные изменения и поддерживающие постоянное натяжение троса и контактного провода. Довольно часто контактный провод и несущий трос крепят к общему компенсатору.

Грузовой компенсатор в полуком-пенсированной и компенсированной подвесках состоит из груза и нескольких блоков, через которые его с помощью троса присоединяют к проводам. Чтобы можно было включить грузовые компенсаторы в провод контактной подвески, последнюю разбивают на отдельные участки, механически не связанные друг с другом (рис. 139), называемые анкерными. Длина анкерного участка составляет около 1600 м на прямых отрезках пути.

 

В полукомпенсированной или компенсированной подвеске не исключена вероятность того, что по какой-либо причине контактный провод в случае температурных изменений начнет перемещаться только в сторону одного грузового компенсатора, например, при неисправности блока компенсатора, расположении подвески на уклоне, под действием токоприемника и т. д. Во избежание этого устраивают среднюю ан-керовку, т. е. жестко закрепляют контактный провод в середине анкерного участка.

В полукомпенсированной цепной подвеске средняя анкеровка представляет собой отрезок троса, прикрепленный в средней точке а к контактному проводу (рис. 140), а концами — к несущему тросу. Разность усилий в двух частях анкерного участка воспринимается ветвью средней анкеровки. В случае обрыва контактного провода (предположим, в точке б) выходит из строя только половина анкерного участка. Среднюю анкеровку компенсированной подвески устроить сложнее, так как ее необходимо выполнить и для контактного провода, и для несущего троса.
 

Рис. 140. Средняя анкеровка 

 


Чтобы обеспечить плавный переход полоза токоприемника с контактного провода одного анкерного участка на смежный без нарушения скользящего контакта и снижения установленной скорости движения, устраивают так называемые сопряжения анкерных участков. Рассмотрим такое сопряжение (рис. 141). Между анкерными опорами 1 и 4 расположены две переходные опоры 2 и 3, на которых подвешены контактные подвески сопрягаемых анкерных участков I и II.

В пролете между переходными опорами каждый из контактных проводов по мере приближения к переходной опоре, с которой он отходит к своей анкерной опоре, постепенно поднимается и у переходной опоры располагается на 200 мм выше рабочего контактного провода. Этого достигают, соответственно укорачивая струны. Токоприемник, проходя между опорами 2 и 3, сначала скользит по контактному проводу одного участка (например, I при движении слева направо), затем примерно в середине пролета касается проводов обоих сопрягаемых участков и далее продолжает движение, касаясь контактного провода сопрягаемого анкерного участка II.

 

 

 

 

 

Рис. 141. Сопряжение анкерных участков

 

Если контактные подвески в сопряжениях анкерных участков электрически не связаны специальными электрическими соединителями, то образуется так называемый воздушный промежуток, и контактные подвески сопрягаемых анкерных участков соединяются электрически только в момент прохода  токоприемника через сопряжение. В тех случаях, когда анкерные участки даже на мгновение нельзя электрически соединять, например при сопряжении анкерных участков с различными по фазе напряжениями, применяют нейтральные вставки (рис. 142).

Нейтральной вставкой называют участок контактной подвески, на котором в нормальных условиях нет напряжения. Нейтральные вставки на дорогах постоянного тока устраивают в тех случаях, когда габаритные размеры какого-либо искусственного сооружения не позволяют подвесить контактный провод, находящийся под напряжением, без нарушения минимального расстояния до ближайших заземленных частей.

Нейтральную вставку выполняют, монтируя дополнительную контактную подвеску 1, которая вместе с подвесками смежных анкерных участков I и II образует два последовательно включенных воздушных промежутка. Нейтральные вставки располагают так, чтобы токоприемник локомотива, следующего через сопряжение анкерных участков, сначала переходил с контактного провода анкерного участка I (при движении слева направо) на нейтральную вставку и далее с нейтральной вставки на контактный провод анкерного участка II. Через нейтральную вставку поезд проходит без тока по инерции. Для того чтобы он не остановился в пределах нейтральной вставки, при подходе к ней машинист разгоняет поезд до соответствующей скорости. Если поезд вынужденно остановился под нейтральной вставкой, то его выводят, включив секционные разъединители 2 и 3 в зависимости от того, в какую сторону он должен двигаться. Чтобы машинист знал, где нужно отключить и снова включить тяговые двигатели, устанавливают предупредительные сигнальные знаки.

Для обеспечения нормальной работы электрифицированных железных дорог большое значение имеет выбор электрического сопротивления контактной подвески. Напомним, что номинальное напряжение в ней на дорогах переменного тока составляет 25 кВ и постоянного тока — 3 кВ. Все тяговые и другие расчеты производят исходя из этих значений. На шинах тяговых подстанций напряжение на 10% выше номинального для компенсации падения напряжения и составляет 27,5 кВ для дорог переменного тока и 3,3 кВ на дорогах постоянного тока при номинальной нагрузке.

Однако резкие изменения нагрузок в тяговой сети вызывают значительные колебания напряжения. При понижении напряжения снижается скорость движения поездов, вследствие чего уменьшается пропускная способность дорог. Поэтому Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР установлен уровень напряжения на токоприемнике электровозов на любом участке: не менее 21 кВ при переменном токе и 2,7 кВ при постоянном. Электрическое сопротивление контактной сети должно быть выбрано таким, чтобы эти требования удовлетворялись. При этом учитывают также сопротивление рельсовой сети, питающих и отсасывающих линий.

Контактные провода изготовляют из меди, обладающей большой проводимостью. Наибольшее распространение получили контактные провода марки МФ (медный, фасонный). Фасонными их называют из-за двух продольных пазов (рис. 143), необходимых для закрепления различных зажимов. На главных путях применяют контактные провода сечением 100 и 150 мм2 (МФ-100, МФ-150), а на станционных — сечением 85 мм2. Иногда используют также провода бронзовые, сталемедные.

В качестве несущих тросов применяют медные и биметаллические (сталемедные) провода, стальные тросы. Биметаллические провода свиты из отдельных биметаллических проволочек, каждая из которых имеет стальную сердцевину, покрытую тонким слоем меди. Площадь сечения проводов контактной сети дорог переменного тока значительно меньше, чем на дорогах постоянного тока. Это объясняется более высоким напряжением, подводимым к токоприемникам электровозов. Обычно на дорогах переменного тока вполне достаточно несущего троса и контактного провода для обеспечения необходимой проводимости контактной подвески.

На дорогах постоянного тока вынуждены подвешивать два контактных провода, располагая их рядом; кроме того, дополняют подвеску усиливающими проводами.
 

 

Рис 142 Нейтральная вставка 

 

 

 

Рис. 143. Сечение контактного провода 

 

Рис. 144. Схема установки дроссель-трансформатора 

 

 

Рельсовая сеть служит вторым проводом тяговой сети. На железных дорогах используют рельсы типов Р50, Р65 и Р75 (цифры указывают массу в килограммах 1 м рельса).

Для уменьшения сопротивления рельсовой сети тяговому току устанавливают соединители в рельсовых стыках. Стыковые соединители представляют собой небольшие отрезки гибкого медного провода с двумя наконечниками, привариваемыми к рельсам по обе стороны стыка.

На линиях, оборудованных автоблокировкой или электрической централизацией, устраивают изолированные стыки для разделения рельсов на блок-участки. В этих случаях путь для тягового тока в обход изолированных стыков без нарушения работы устройств автоблокировки обеспечивают, устанавливая дроссель-трансформаторы, называемые также путевыми дросселями (рис. 144), с обеих сторон каждого изолированного стыка. Средние точки их соединяют.

Для срабатывания устройств автоблокировки необходимо, чтобы сигнальный ток прошел из одной рельсовой нити в другую, отделенную изолированным стыком. Обмотки дроссель-трансформаторов обладают большим индуктивным сопротивлением, что практически делает невозможным прохождение через них сигнального переменного тока. В последнее время в устройствах автоблокировки на дорогах переменного тока применяют ток частотой 25 Гц, а на дорогах постоянного тока — частотой 50 Гц. Это предотвращает ложное срабатывание сигналов автоблокировки.

Переменный или постоянный тяговый ток Iт свободно проходит через обмотки дроссель-трансформаторов в перемычку между их средними точками, так как тяговые токи в каждой половине обмотки направлены встречно, вследствие чего магнитные потоки, создаваемые ими, взаимно уничтожаются.

 

ЗАЩИТНЫЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ


Защитные заземления предотвращают возможность попадания человека под напряжение (поражение током), что возможно в случае повреждения изоляции электрического оборудования или соприкосновения с оборванными проводами. Эти заземления — одно из важнейших средств обеспечения безопасности людей, которые при проведении работ могут случайно оказаться в опасной зоне.

Защитному заземлению подлежат все металлические наружные части и каркасы электротехнического оборудования, расположенного на территории подстанций, опоры контактной сети, металлические сооружения на железнодорожных линиях (например, мосты, путепроводы, светофоры).

В нормальных условиях работы доступные людям части этих устройств под напряжением не находятся. В случае нарушения изоляции электротехнического устройства внешние металлические части его оказываются под напряжением источника питания U (рис. 145, а). При отсутствии защитного заземления может произойти поражение током человека, попавшего под напряжение в момент прикосновения к поврежденной установке — так называемое напряжение прикосновения Unp. Поражение током может произойти и в случае передвижения вблизи опасной зоны: на человека действует так называемое шаговое напряжение Uш.

Когда напряжение попадает на наружные металлические части установки, по ним проходит ток, стекающий далее в землю. Площадь сечения массива земли, по которому идет ток, быстро увеличивается по мере удаления от места повреждения, а плотность тока резко падает. Вследствие этого падение напряжения и уменьшается в соответствии с кривой, изображенной на рис. 145, а; на определенном расстоянии (в точке В) оно не обнаруживается сколько-нибудь ощутимо.

Защитное заземление позволяет снизить до безопасного значения шаговое напряжение и напряжение прикосновения. При этом нормируется напряжение прикосновения, приложенное между рукой и ногами человека. Его допустимое значение существенно меньше, так как в этом случае ток протекает через область сердца.

 

 На человека, коснувшегося незаземленной поврежденной установки, действует напряжение Uпp, равное разности ординат АА' и XX'. В случае прикосновения к заземленному оборудованию это напряжение значительно меньше: оно равно разности ординат аа' и хх' (рис. 145, б), поскольку установка находится под напряжением Uз<<U. Значение Uз тем меньше, чем меньше сопротивление устройства заземления. 

 Устройства заземления, или зазем-лители, служат для создания надежного пути тока с металлических наружных частей оборудования на землю в случае попадания их под напряжение. Главной частью заземляющего устройства является искусственный заземлитель, выполненный из проводника, обычно стального. По возможности используют и естественные заземлители — рельсы, водопроводные и металлические коммуникации и т. д.

Устройства заземления различаются в зависимости от объекта защиты (подстанции или сооружения на железнодорожных линиях), а также от рода тока — постоянный или переменный.

 

 

 

Рис. 145. Распределение напряжения вблизи места короткого замыкания при отсутствии (а) и наличии (б) заземлителя 

 

В качестве заземлителей на подстанциях переменного тока используют: искусственный заземлитель, называемый иначе контуром заземления подстанции, охватывающий практически всю территорию тяговой подстанции; рельсы подъездных либо главных путей станции или перегона, проходящие вблизи нее; другие металлические коммуникации.

Контур заземления подстанции выполняют в виде сетки из стальных полос или круглой стали и размещают недалеко от поверхности земли. При больших удельных сопротивлениях земли (песок) сетку дополняют специальными вертикальными элементами в виде труб или уголков длиной 3—5 м, привариваемых к ней по периметру. Если же и при этом не обеспечивается нормируемое значение напряжения прикосновения [Uпр], сооружают выносные заземлители в виде вводимых глубоко в землю труб или же применяют на подстанции плохо проводящие искусственные покрытия (щебень, галька). Присоединения заземляющих проводников к оборудованию выполняются видимыми, преимущественно сварными или болтовыми. Каждый заземляющий элемент присоединяют к контуру заземления подстанции отдельным проводом.

Защитное заземление подстанции переменного тока одновременно является и рабочим, т. е. используется при нормальной эксплуатации оборудования. Примером рабочего заземления является преднамеренное соединение с землей нейтралей трансформаторов, что позволяет снизить уровень сопротивления изоляции силовых трансформаторов и сделать их более дешевыми. Заземления тяговых подстанций постоянного тока выполняют аналогично с той лишь разницей, что заземляющее устройство не используется в качестве рабочего, так как в этом случае ток, стекающий с контура заземления подстанций, будет вызывать его интенсивную коррозию. Аварийное подсоединение контура осуществляется в момент короткого замыкания в цепях 3 кВ выпрямленного тока через специальное реле земляной защиты.

Оборудование, расположенное в закрытой части подстанции постоянного тока, заземляют на два отдельных контура — переменного и постоянного тока. Эти контуры соединены с контуром заземления открытой территории подстанции.


 Заземлителями опор контактной сети и других металлических сооружений на железнодорожных путях служат рельсы.


Заземления опор контактной сети могут быть индивидуальными и групповыми. Индивидуальные заземления выполняют из стального провода. Групповые заземления выполняют общим тросом для нескольких опор, расположенных на перегонах, установленных на пассажирских платформах или за ними, в горловинах станций и у воздушных промежутков, в зоне секционных разъединителей с моторными приводами дистанционного управления. Заземляющий провод присоединяют к рельсу или средней точке дроссель-трансформатора.

В наиболее ответственных случаях для большей надежности устанавливают двойные заземления. Двойным заземлением присоединяют к тяговым рельсам опоры контактной сети, расположенные у посадочных платформ, мест посадки и высадки пассажиров, где не имеется посадочных платформ, переездов и переходов, мест систематической погрузки и выгрузки грузов. Двойным заземлением также соединяют с рельсом опоры с разрядниками, секционными разъединителями, провода групповых заземлений, металлические мосты, путепроводы, пешеходные и сигнальные мостики независимо от места их расположения.

Если не принять соответствующих мер, то заземляющие провода будут способствовать прохождению тягового тока из рельсов в землю, т. е. образованию блуждающих токов (см. с. 205). Чтобы избежать этого, заземляющие провода покрывают лаком. Между опорой и рельсом их прокладывают на полушпалах. Кроме того, в необходимых случаях для предотвращения электрокоррозии фундаментов опор в заземляющие провода включают так называемые искровые промежутки.
 

 Нормально искровой промежуток электрически изолирует опору от рельсов. Он выполнен из двух-трех изолирующих слюдяных прокладок, размещаемых между двумя электродами, из которых один соединен с заземляющим проводом, другой — с заземляемой конструкцией. Пробивное напряжение искрового промежутка должно быть 800— 1200 В. Если произойдет перекрытие изолятора контактной сети, его пробой или случайное соприкосновение токоведущих частей контактной сети и металлической конструкции, напряжение на электродах искрового промежутка возрастет, он пробьется и конструкция заземлится на рельс. В результате сопротивление в цепи короткого замыкания контактной сети резко снизится, ток возрастет и на тяговой подстанции сработает соответствующая защита, отключив поврежденный участок контактной сети.

Обычно применяют искровые промежутки многократного действия. Устанавливают их на опорах и других конструкциях, подлежащих заземлению. Выбор места для них определяется сопротивлением заземления опор, значением положительного потенциала в зоне между рельсом и землей там, где находится опора. Искровые промежутки не устанавливают на опорах, на которых расположены приводы секционных разъединителей, а также на опорах, находящихся в общедоступных местах (пассажирские платформы и др.).

Чтобы предотвратить возникновение блуждающих токов в случае применения групповых заземлений, созданы специальные защиты. В нормальном режиме при таких защитах групповые заземлители отключены от рельсовой сети и, следовательно, цепь опора — рельс разорвана.


 

СЕКЦИОНИРОВАНИЕ И ПИТАНИЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Для обеспечения надежной работы контактной сети и удобства обслуживания ее делят на отдельные участки — секции, электрически не связанные друг с другом. При этом соблюдают следующие условия: обязательно разделяют электрически контактную сеть у каждой тяговой подстанции, каждого поста секционирования; отделяют контактную сеть перегонов от контактной сети станций; на станциях, имеющих несколько парков или групп путей, контактную сеть каждого парка или группы путей выделяют в отдельные секции.

На перегонах контактную сеть делят на секции воздушными промежутками, нейтральными вставками, на путях станций врезают в провода контактной подвески специальные секционные изоляторы, причем так, чтобы обеспечить беспрепятственный проход по ним токоприемников. Принятую схему секционирования для нормальных условий можно изменять в зависимости от аварийных ситуаций, включая или выключая секционные разъединители. Переключают секционные разъединители вручную или с помощью приводов, которыми управляют дистанционно.

На рис. 146 приведена для примера схема питания и секционирования контактной сети станции двухпутного участка переменного тока. От тяговой подстанции по шести питающим линиям (фидеры Ф1—Ф6) напряжение подводится к шести различным секциям контактной сети перегонов и главных путей станции. Каждый фидер может быть включен или отключен в обесточенном состоянии секционными разъединителями с моторными приводами. На дорогах переменного тока секции контактной сети перегона подключают к разным фазам в определенной очередности, что способствует выравниванию нагрузок отдельных фаз. Это необходимо, так как асимметрия нагрузок вызывает асимметрию напряжений, ухудшающую условия работы присоединенных к той же линии электропередачи потребителей.

 

 

 

 

 

 

Рис. 146. Схема питания и секционирования контактной сети станции двухпутного участка 

 

 

 

Рис 147. Двухстороннее питание участка контактной сети с постом секционирования 

 

В случае выхода из работы какого-либо фидера, например Ф3 или Ф4, напряжение в контактную сеть главных путей станции подают, включая продольные разъединители В и Г, отключенные при нормальной схеме питания. Если по какой-либо причине электровоз остановится под нейтральной вставкой, то напряжение на нее можно подать, включив продольные разъединители А или Б. Временно можно подавать напряжение в контактную сеть разных секций от одного и того же фидера Ф1 или Ф2, включив поперечный разъединитель П. Возможны и другие схемы аварийного питания контактной сети.

 Как правило, участок контактной сети получает питание от двух тяговых подстанций ТП1 и ТП2 — двухстороннее питание (рис. 147). При этом уменьшаются потери напряжения и энергии в контактной сети и увеличивается надежность электроснабжения каждого участка. Вполне понятно, что при двухстороннем питании контактная сеть участка переменного тока с обеих сторон должна быть подключена к одной и той же фазе.

 

 

 

 

Рис 148. Схема стыкования контактной сети участков постоянного и переменного 

 

Тяговые подстанции дорог постоянного тока располагают через 12—20 км одну от другой, а на дорогах переменного тока — через 40—50 км.

Для повышения надежности контактной сети, удобства ее обслуживания при эксплуатации и уменьшения потерь напряжения устраивают так называемые посты секционирования. В месте установки поста секционирования контактная сеть каждого пути, например двухпутного участка, разделена (секционирована) воздушными промежутками. Секции контактной сети соединяют масляными выключателями на дорогах переменного тока или быстродействующими на дорогах постоянного тока через общую шину поста Ш. Тогда ток Iэ= I+ I2+ I3+ I4 проходит к электровозу по четырем участкам контактной сети. Если возникнет короткое замыкание, например, в точке к, отключаются быстродействующие выключатели 7 тяговой подстанции ТП2 и 6 поста секционирования: без напряжения остается участок контактной сети бв. При отсутствии поста секционирования одновременно с отключением быстродействующего выключателя 7 отключился бы и выключатель 2 подстанции ТП1, т. е. был бы отключен более длинный участок контактной сети ав.

Несколько отличаются от рассмотренных схемы питания и секционирования контактной сети станций стыкования, к которым с разных сторон подходят линии, электрифицированные одна на постоянном, другая на переменном токе. В контактной сети таких станций выделяют необходимое число секций, в которые можно подавать напряжение как постоянного, так и переменного тока (рис. 148). Секции переключают на постоянный или переменный ток одновременно с приготовлением маршрута следования поезда (перевод стрелок и включение соответствующих сигналов). В СССР разработана и внедрена специальная автоматическая система МРЦ (маршрутно-релейная централизация), не допускающая попадания локомотивов постоянного тока под переменное напряжение в контактной сети и наоборот.

При наличии электровозов двойного питания необходимость в станциях стыкования отпадает.

 

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2X25 КВ

Дальнейший рост грузонапряженности железных дорог, повышение массы поездов до 10 тыс. т, внедрение многократной тяги мощными электровозами создают трудности в электроснабжении и при переменном токе напряжением 25 кВ. Самым радикальным способом  усиления электрифицированных линий в таких условиях, как уже отмечалось, было бы повышение напряжения в контактной сети, но это связано с большими капитальными затратами на усиление изоляции, постройку принципиально новых электровозов, реконструкцию некоторых постоянных устройств.
 

 

 

Рис. 149. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированного участка по системе 2Х 25 кВ

 

 

Изучение возможных путей совершенствования системы переменного тока выявило перспективность варианта электроснабжения 2X25 кВ. При этом на тяговой подстанции (рис. 149) устанавливают тяговые трансформаторы Т1 и Т2 с двумя вторичными обмотками; номинальное напряжение каждой из них, как и на подстанции дорог переменного тока, равно 27,5 кВ.
В действительности, считают, что в контактной сети напряжение на 10% меньше вследствие потерь, т. е. составляет 25 кВ.


Обмотки соединены последовательно, а их общие точки присоединены к тяговым рельсам. Выводы а1 подключены к дополнительному питающему проводу Я, выводы а2 — к контактному проводу К.

Следовательно, между контактным и питающим проводом напряжение составляет 50 кВ, но по отношению к рельсам (к земле) провода П и К имеют напряжение 25 кВ.

Для передачи электроэнергии к электровозам на расстоянии около 10 км друг от друга устанавливают автотрансформаторы AT1, АТ2 ... (на рис. 149 условно показано два трансформатора) с коэффициентом трансформации 2.

Энергия для питания электровоза, находящегося между двумя автотрансформаторами, от тягового трансформатора Т2 по проводам П и К передается к автотрансформаторам AT1 и АТ2, которые понижают напряжение до 25 кВ. По тяговой сети оно подводится  к электровозу. Если электровоз находится в середине участка между автотрансформаторами, то от каждого из них к тяговой сети проходит ток 0,5Iэ, а по проводам П и К — ток, равный 0,25Iэ, так как напряжение между ними вдвое больше.

В результате потери напряжения значительно уменьшаются. Они становятся еще меньше при двухстороннем питании.

Расчеты показали, что в системе 2X25 кВ расстояние между смежными подстанциями может составить 70— 80 км. Такая система может быть особенно эффективна для электрифицируемых участков БАМа, на которых, учитывая малонаселенность, необходимо максимально увеличивать расстояние между соседними тяговыми подстанциями. 

 

 

БЛУЖДАЮЩИЕ ТОКИ


Контактные провода на электрифицированных железных дорогах постоянного тока имеют положительную полярность (рис. 150). Токи от тяговых подстанций проходят по проводам контактной сети через силовую и вспомогательную цепи электровоза, затем по рельсам и отсасывающим проводам возвращаются на соответствующие подстанции. Так как рельсы электрически не изолированы от земли, а закреплены на шпалах, лежащих на балласте, часть тока проходит по земле. Иногда такие токи обнаруживались измерениями на расстоянии нескольких десятков километров от тяговых рельсов. Понятно, почему их называют блуждающими.

В местах, где вблизи полотна железной дороги проложены подземные металлические сооружения (например, трубопроводы, кабели), тяговые токи проходят по этим сооружениям и затем около тяговых подстанций, там, где к рельсам присоединены отсасывающие провода, вновь возвращаются в рельсы. Те участки (зоны), где блуждающие токи переходят из земли в металлические подземные сооружения, называют катодными зонами, а те участки, где они стекают с сооружений в землю,— анодными.


 Переход тока из металлических подземных сооружений в землю в анодных зонах вызывает разрушение металла — электрокоррозию. Электрокоррозия может быть очень интенсивной. Например, наблюдались случаи, когда стальные трубопроводы вследствие электрокоррозии становились неработоспособными через 3 года. Еще быстрее повреждаются кабели связи. Разрушаются также рельсы и рельсовые скрепления на мостах.
 

Допустим, что контактная сеть имеет отрицательную полярность. Тогда анодная зона перемещается по мере перемещения электроподвижного состава и разрушение подземных сооружений происходит не в одном месте, как при положительной полярности, а более равномерно — по всему участку с небольшой интенсивностью. Однако в этом случае трудней осуществить защиту от электрокоррозии. Поэтому в СССР принята положительная полярность для контактной сети и отрицательная для рельсовой сети. Одновременно для борьбы с электрокоррозией принимают различные меры, которые сводятся к уменьшению блуждающих токов, либо к применению различных защит подземных сооружений.
 

 

 

Рис. 150. Расположение анодных и катодных зон при положительной полярности контактной сети 

 

На электрифицированных дорогах переменного тока подземные сооружения подвергаются электрокоррозии в значительно меньшей степени, чем на дорогах постоянного тока. Это объясняется тем, что переменный ток частотой 50 Гц меняет свое направление 100 раз в 1 с. Соответственно в 100 раз уменьшается опасность электрокоррозии при равной плотности переменного и постоянного тока стекания.
 

МЕШАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯГОВОГО ТОКА НА ЛИНИИ СВЯЗИ

Нормальная работа железных дорог невозможна без устройств связи различного назначения. Для управления движением поездов применяется связь магистральная, местная, дорожная и другие ее виды. Кроме того, имеется участковая связь, поездная и диспетчерская, поездная межстанционная, подстанционная и другие виды связи. Вдоль железных дорог проложены провода воздушных линий связи, а также провода связи, не имеющие отношения к железным дорогам.

 На электрифицированных участках они попадают в зону действия магнитного поля, создаваемого тяговым током. Если тяговый ток имеет значительные пульсации, то пульсирующее магнитное поле, пересекая провода линий связи, наводит в них пульсирующие электродвижущие силы, которые вызывают пульсирующий переменный ток. В результате ухудшается, например, слышимость при телефонной связи, искажаются передаваемые сигналы.
 

Известно, что тяговые подстанции дорог постоянного тока преобразуют переменный ток в практически постоянный, пульсации которого существенно не сказываются на работе тяговых двигателей. Однако даже небольшие пульсации оказывают мешающее действие на линии связи. Пульсирующую часть выпрямленного тока можно представить состоящей из ряда синусоидально изменяющихся токов различной частоты. Основная частота пульсаций при шестифазном выпрямлении будет 50*6=300 Гц. Чтобы снизить пульсации, на тяговых подстанциях устанавливают электрические фильтры (см. рис. 132), состоящие из сглаживающего реактора и параллельно включенных резонансных LC-контуров, настроенных на частоты 300, 600, 900, 1200 и 1500 Гц, которые оказывают наибольшее влияние на линии связи.

Индуктивность L и емкость С каждого контура подобраны таким образом, что сопротивление его для тока данной частоты очень мало. Поэтому переменный ток данной частоты замыкается в контуре фильтра и не выходит за пределы подстанции. Постоянная составляющая пульсирующего тока, наоборот, не проходит через резонансные контуры, так как конденсаторы оказывают ей бесконечно большое сопротивление.

На дорогах переменного тока воздушные линии связи защитить от мешающего воздействия переменного магнитного поля, создаваемого тяговым током, невозможно. Поэтому применяют только кабельные линии связи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..     39      40      41      42     ..