Железнодорожная электрификация

Работы по обслуживанию контактной сети на станции Орёл

Опоры контактной сети на Swiss Federal Railways

Железнодоро́жная электрифика́ция — комплекс мероприятий выполняемых на участке железной дороги для возможности использовать на нём электроподвижной состав: электровозы, электросекции или электропоезда.

Для тяги поездов на электрифицированных участках железных дорог используются электровозы. В качестве пригородного транспорта используются электросекции или электропоезда.

Системы электрификации

Системы электрификации можно классифицировать:

• по виду проводников:
  • с контактной подвеской
  • с контактным рельсом
• по напряжению
• по роду тока:
  • постоянный ток
  • переменный ток
    • частота тока
    • число фаз

Обычно используют постоянный или однофазный переменный ток.

Использование трёхфазного тока требует подвески как минимум двух контактных проводов, поэтому эта система не прижилась.

При использовании постоянного тока напряжение в сети делают довольно низким, чтобы включать электродвигатели напрямую. При использовании переменного тока выбирают гораздо более высокое напряжение, поскольку на электровозе напряжение можно легко понизить с помощью трансформатора.

Система постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока напрямую питаются от контактной сети. Регулирование осуществляется подключением резисторов, перегруппировкой двигателей и ослаблением возбуждения. В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в резисторах.

Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2М используется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).

Простота электрооборудования, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.

Недостатком системы является низкое напряжение контактной сети, что вынуждает использовать большее суммарное сечение проводов и сокращать расстояние между тяговыми подстанциями, так как по закону Ома для передачи той же мощности при меньшем напряжении требуется пропорционально больший ток.

На железных дорогах в основном используется напряжение 3000 (3300)В и 1500 (1650)В. В начале 70-х в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением 6000 В. Трамваи, троллейбусы используют напряжение 550 (600), метрополитен 750 (825), первые электропоезда магистральных железных дорог 1200.

Система переменного тока пониженной частоты

В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора.

Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.

Система переменного тока промышленной частоты

Наиболее экономичным было бы использование тока промышленной частоты, однако его внедрение встретило много трудностей. Поначалу пытались использовать коллекторные электродвигатели переменного тока, мотор-генераторы (однофазный синхронный электродвигатель плюс генератор постоянного тока, от которого работали тяговые электродвигатели постоянного тока), вращающиеся преобразователи частоты (дающие ток для тяговых асинхронных электродвигателей). Коллекторные электродвигатели плохо работали на токе промышленной частоты, а вращающиеся преобразователи были слишком тяжёлыми.

Система однофазного тока промышленной частоты (25 кВ 50 Гц) начала широко применяться только после создания во Франции в 1950-х годах электровозов со статическими ртутными выпрямителями (игнитронах; позже они заменялись на кремниевые выпрямители); затем эта система распространилась и во многих других странах (в том числе в СССР).

При выпрямлении однофазного тока получается не постоянный ток, а пульсирующий, поэтому используются специальные двигатели пульсирующего тока, а в схеме имеются сглаживающие реакторы (дроссель), снижающий пульсации тока, и резисторы постоянного ослабления возбуждения, включенные параллельно обмотка возбуждения двигателей и пропускающие переменную составляющую пульсирующего тока, которая лишь вызывает ненужный нагрев обмотки.

Для привода вспомогательных машин используют либо двигатели пульсирующего тока, питающиеся от отдельной обмотки трансформатора через выпрямитель, либо промышленные асинхронные электродвигатели, питающиеся от расщепителя фаз (такая схема была распространена на французских и американских электровозах, а с них была перенесена на советские) или конденсаторов (применена, в частности, на российских электровозах ВЛ65, ЭП1, 2ЭС5К).

Недостатками системы являются значительные электромагнитные помехи для линий связи, а также неравномерная нагрузка фаз внешней энергосистемы. Для повышения равномерности нагрузки фаз в контактной сети чередуются участки с разными фазами; между ними устраивают нейтральные вставки — короткие, длиной несколько сотен метров, участки контактной сети, которые подвижной состав проходит с выключенными двигателями, по инерции. Они сделаны для того, чтобы пантограф не перемыкал находящийся под высоким линейным (межфазным) напряжением промежуток между секциями в момент перехода с провода на провод. При остановке на нейтральной вставке на неё возможна подача напряжения от передней по ходу секции контактной сети.

Стыкование систем электроснабжения

Электровозы разных систем тока на станции стыкования

Двухсистемный электровоз ВЛ82М

Разнообразие систем электроснабжения вызвало появление пунктов стыкования (систем тока, напряжений, частоты тока). При этом возникло несколько вариантов решения вопроса организации движения через такие пункты. Выявились 3 основные направления:

1. Оборудование станции стыкования переключателями, позволяющими подавать на отдельные участки контактной сети тот или иной род тока. Например, поезд прибывает с электровозом постоянного тока, затем этот электровоз отцепляется и уезжает. Контактную сеть на этом пути переключают на переменный ток, сюда заезжает электровоз переменного тока и отправляется с поездом. Недостатком такого способа является удорожание электрификации и содержание устройств электроснабжения, а также требует смены локомотива.

2. Использование многосистемного подвижного состава. При этом стыкование по контактной сети делается за пределами станции. Данный способ позволяет проходить пункты стыкования без остановки (хоть и, как правило, на выбеге). Но стоимость таких электровозов выше, а содержание дороже, кроме того, многосистемные электровозы имеют больший вес (что, однако, малоактуально на железной дороге, где нередка добалластировка локомотивов для увеличения сцепного веса). В СССР и странах СНГ были выпущены мелкими сериями такие типы подвижного состава, как электровозы ВЛ82 и ВЛ82^м, ВЛ61^д (постоянный ток напряжением 3000 В и однофазный 25 000 В), ВЛ19 и С^р (постоянный ток напряжением 3000 В и 1500 В). В Западной Европе встречается четырёхсистемный ЭПС (постоянный ток 1500 В, постоянный ток 3000 В, переменный ток 25 кВ 50 Гц, переменный ток 15 кВ 16⅔ Гц). В настоящее время в России налажено производство только пассажирских двухсистемных электровозов ЭП10 (постоянный ток 3000 В и переменный ток 25 кВ 50 Гц), которые выпускает НЭВЗ.

3. Применение тепловозной вставки — оставление между участками с разными системами электроснабжения небольшого тягового плеча, обслуживаемого тепловозами. На практике почти не применяется, т.к. при этом ухудшаются условия эксплуатации линии: в два раза повышается время стоянки составов, снижается эффективность электрификации из-за содержания и пониженной скорости тепловозов.