какое напряжение в сети электропоездов
Системы тока. Напряжение в контактной сети
На железных дорогах России используют две системы электроснабжения: постоянного и однофазного переменного тока. Тяга на трехфазном переменном токе не получила распространения, поскольку технически сложно изолировать близко расположенные провода двух фаз контактной сети (третья фаза — рельсы).
Электрический подвижной состав обеспечивают тяговыми двигателями постоянного тока, так как предлагаемые модели двигателей переменного тока не отвечают предъявляемым требованиям по мощности и надежности. Поэтому железнодорожные линии снабжают системой однофазного переменного тока, а на локомотивах устанавливают специальное оборудование, преобразующее переменный ток в постоянный.
Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь сечения контактной подвески.
На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют две функции: понижают напряжение подводимого трехфазного тока и преобразуют его в постоянный. Все оборудование, подающее переменный ток, размещается на открытых площадках, а выпрямители и вспомогательные агрега ты — в закрытых помещениях. От тяговых подстанций электроэнергия поступает в контактную сеть по питающей линии — фидеру.
Основными недостатками системы электроснабжения постоянного тока являются его полярность, относительно низкое напряжение и отсутствие возможности обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего. Рельсы, служащие проводниками тока разной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и искусственных сооружений. Для предотвращения этого применяют соответствующие защитные устройства (анодные заземлители, катодные станции и др.).
Из-за относительно низкого напряжения (11 = 3 кВ) в системе постоянного тока по контактной сети к электрическому подвижному составу подводится мощность (Ж= Ш) при большой силе тягового тока /. Для этого тяговые подстанции размещают недалеко друг от друга (10. 20 км) и увеличивают площадь сечения проводов контактной подвески.
При переменном токе повышается эффективность использования электрической тяги, поскольку по контактной сети передается требуемая мощность при меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 40. 60 км друг от друга. Их задачей является только понижение напряжения со 110. 220 до 25 кВ, поэтому их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока. Кроме того, в системе однофазного переменного тока площадь сечения проводов контактной сети примерно в два раза меньше. Для размещения оборудования на тяговых подстанциях при переменном токе используют открытые площадки. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше.
В результате воздействия электромагнитного поля переменного тока на металлические конструкции и коммуникации, расположенные вдоль железнодорожных путей, в них появляется опасное для людей напряжение, а в линиях связи и автоматики возникают помехи. Поэтому применяют особые меры защиты сооружений. Затраты на такие защитные меры, как улучшение электрической изоляции между рельсами и землей, замена воздушных линий кабельными или радиорелейными, составляют 20. 25 % общей стоимости работ по электрификации.
Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных станциях. В ряде случаев, когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.
Почему РЖД мечтает отказаться от 3000V постоянного тока в пользу 27000V переменного?
Опубликовано 15.08.2019 · Обновлено 04.02.2021
Эра постоянного тока на железной дороге началась с самого появления подвижного составов на электрической тяге. На тот момент тяговые электродвигатели (собственно рабочие лошади электротяги) использовали для своей работы только постоянный ток. Человечеству уже были известны двигатели переменного тока, как асинхронные так и синхронные, вот только из-за сложной системы управления их использование для нужд любого вида транспорта было вопросом наглухо закрытым. А двигатели постоянного тока легко управлялись как в диапазоне скоростей так и в диапазоне мощностей.
Максимальное напряжение, пригодное для использования в узлах двигателей постоянного тока, а именно в щеточном аппарате коллектора, составляло около 3000 Вольт, что и было принято за максимальное напряжение для контактной сети. Дальнейшее повышение напряжение приводило бы к совсем скорому износу электродвигателей.
Почему я собственно заговорил вдруг о повышении напряжения, как известно и сейчас электровозы тягают тысячетонные составы именно на этом напряжении, и ничего? А дело все в том, что электрическая мощность является величиной, находящейся в прямой зависимости от напряжения или силы тока в контактной сети (P=U*I). C ростом грузоперевозок и числа пассажирских поездов, возрастала и потребность в мощности контактной сети, а ввиду того, что напряжение более 3000 Вольт повышать, как мы уже выяснили, невозможно, остается эту мощность увеличивать за счет повышения силы тока. С ростом последней ложится огромная нагрузка на инфраструктуру контактной сети — это и провода с постоянно увеличивающимся сечением, это и увеличение числа трансформаторных подстанций, и, соответственно, сокращение расстояния между ними, это и огромные потери электроэнергии на этапе её передачи до электродвигателя. Закладывать в такую инфраструктуру дальнейший рост грузо- и пассажиропотока просто некуда, он достиг своего предела. Мощность электровозов постоянного тока на сегодняшний день находится на своем максимуме, и при развитии мощностей будет однозначно проигрывать электровозам переменного тока.
Электровоз переменного тока ЭП1
Пока электрификация постоянным током, испытывая описанные трудности, все же разрасталась, технический прогресс изобрел средства выпрямления переменного тока, пригодные для использования на электровозах. Напряжение в контактной сети можно было значительно увеличить, так еще и снизить силу тока при сохранении мощности. На каждый такой электровоз переменного тока устанавливается трансформатор, который может с высоким КПД дать на выходе напряжение любого значения, пригодное для дальнейшего выпрямления и питания тяговых электродвигателей.
В итоге тяговые двигатели остались работать на постоянном токе (или пульсирующем токе), сохраняя широкий диапазон и простоту регулирования, а контактная сеть могла перейти на переменный ток повышенного напряжения. Но к сожалению разрастание постоянного тока к тому моменту уже достигло существенных масштабов и было принято решение действующие сети оставить как есть, а все последующие строить исключительно на токе переменном. Так и получилось, что у нас запад России электрифицирован на постоянном токе, а Сибирь и Дальний восток на переменном.
Зацеперы совершенно не боятся постоянного тока
Напряжение переменного тока в контактной сети РЖД составляет на сегодняшний день 25 тысяч Вольт непосредственно на контактном проводе и 27,5 кВольт на шинах трансформатора на подстанции. Сами подстанции расположены далеко друг от друга, на расстоянии до 50 километров, и при этом остается ещё большой запас мощности сетей.
Поддержка постоянного тока все равно сохраняется, но модернизация и растущие потребности в мощности, серьезно наступают такой поддержке на «пятки», а в части мощностных потребностей для высокоскоростных поездов, уже не то, что на «пятки», а на самое «горло». Многие электрические сети дорог, после очередной модернизации, были переведены на переменный ток, а все вновь электрифицированные участки, как говорилось ранее, поддерживают только переменный ток. Переменный ток в РЖД принят теперь за основу в электрической тяге.
Постоянный ток морально и физически устарел для нужд ЖД, причем очень давно, и продолжает поддерживаться исключительно из-за высоких затрат на одномоментное перепрофилирование инфраструктуры и самое главное тяговых единиц подвижного состава. Были конечно изобретены электровозы, способные работать на обоих родах тока, и на перспективное будущее активно составляются сметы и планы по переходу на переменный ток, но парадокс остается на виду — поддержка инфраструктуры постоянного тока уже потребовала в десятки раз больше средств, чем требовалось для одномоментного изменения профиля тока на всей ЖД. А теперь, с ростом нагрузок и скоростей, мы имеем дело уже не с перспективностью использования переменного тока, а его неизбежностью.
Контактный рельс в метро: как это устроено и какое там напряжение?
Опубликовано 12.04.2021 · Обновлено 03.11.2021
В большинстве метрополитенов мира для передачи электрической энергии от подстанции к подвижному составу применяется не привычная для железной дороги воздушная контактная сеть, а вполне жесткий контактный рельс, оправдывающий свое название в полной мере.
Назначение и устройство контактного рельса
Контактный рельс — это жесткий токоведущий элемент, предназначенный для передачи электроэнергии к токоприемнику подвижного состава, за счет скользящего контакта.
На фото оранжевым окрашен токоприемник, скользящий по контактному рельсу снизу
Под жестким токоведущим элементом как правило понимается дополнительный рельс, однако это может быть все что угодно, главное чтобы этот элемент имел гладкую поверхность для возможности скольжения по нему токоприемника, и был жестким для возможности его крепления без дополнительных удерживающих приспособлений. Кстати, варианты крепления тоже могут быть различны: как по бокам от основного пути, так и в середине пути. Помимо крепления есть разные варианты токосъема: когда скольжение токоприемника осуществляется сверху, снизу или сбоку.
Напряжение электрического тока в контактной сети метрополитенов России — 825 Вольт выпрямленного постоянного тока, рабочим напряжением для подвижного состава является диапазон от 750 до 925 Вольт
В метрополитенах России контактный рельс расположен по бокам от основного пути для токосъема снизу, он с жестко крепится к шпалам железнодорожного пути посредством специального кронштейна, на вершине которого устанавливается изолятор, непосредственно удерживающий его. Таким образом ось контактного рельса оказывается параллельной оси пути, и если говорить о цифрах: расстояние между этой осью и ближайшим рельсом составляет 690 мм, а высота нижней (токоведущей) стороны над головкой рельса пути составляет 160 мм. Эти показатели на протяжении всей длины остаются практически неизменными.
Схема крепления контактного рельса в метрополитенах России
Достоинства применения контактного рельса
Есть множество сценариев использования контактных рельс для питания подвижных составов, начиная от поездов метро и заканчивая городским трамваем. В каждом конкретном случае проявляются те или иные сложности, по этому о достоинствах и недостатках такого способа передачи электроэнергии мы будем говорить с позиции применения в отечественном метрополитене.
Главной сложностью перед применением в метро классической контактной сети, организация которой хорошо отработана на большой железной дороге, стала борьба буквально за каждый кубический сантиметр пространства в тоннеле. Здесь и проявилось главное достоинство контактного рельса — такая технология не требует много места и габариты тоннелей остаются минимальными, ведь он занимает свободное пространство, которое невозможно занять чем-то другим, и невозможно ликвидировать.
Контактный рельс в тоннеле метро в изоляционном кожухе
Так как такая технология электропередачи не предполагает, в отличие от провода, движущихся частей, а также состоит из значительно меньшего количества элементов, если опять же сравнивать с контактной сетью, а значит и общая надежность оборудования будет выше, соответственно обслуживание будет упрощено, а ремонт удешевлен. Сплошная выгода, и почему железнодорожники не перешли на контактный рельс?*
Следующий плюс вытекает из физических свойств материалов. В метро используются рельсы изготовленные из низкоуглеродистой стали, и хоть ее положительные электрические качества заметно отстают от таковых, как например у меди, но за счет большого сечения контактного рельса, доходящего до 6600 квадратных миллиметров, его электрическое сопротивление значительно ниже, чем в контактном проводе. Отсюда, в сумме, он обладает лучшими токопроводящими свойствами, а учитывая большую площадь пятна контакта с токоприемником, и также постоянство этого контакта, возникновение электрической дуги и искрения исключено, а значит подвижной состав будет получать стабильное электропитание.
Недостатки применения контактного рельса
Однако из достоинств вытекают и недостатки. Из-за того, что сталь в силу ферромагнитных свойств обладает выраженным скин-эффектом, она не пригодна для передачи переменного тока: из-за того, что движение заряженных частиц в переменном электрическом поле будет сгруппировано в поверхностном слое данного металла, полезное сечение проводника изменится в меньшую сторону, увеличивая и электрическое сопротивление.
В воздушной контактной сети все токоведущие части расположены на значительной высоте и не представляют никакой угрозы для окружающих, а также сами остаются в «безопасности» от погодных явлений, таких как сильный снегопад. Электробезопасность диктует множество ограничений, связанных с контактным рельсом, в основном правила сводятся к необходимости обеспечить отсутствие людей вблизи токоведущего рельса под напряжением, ну и изоляцию рельса.
На станциях метро при падении пассажира на пути, предусмотрен свой алгоритм «возвращения» его обратно после снятия напряжения, для подъема на станцию через контактный рельс используют специальную лестницу. Также необходимо обеспечить 100% исключение нахождения в тоннеле людей во время движения поездов, и в российских метро для этого на всех станциях установлены специальные устройства мониторинга. В данном случае опасность заключается в токоприемниках, которые расположены по обе стороны подвижного состава. Наличие контактного рельса с одной стороны пути в тоннеле может дать забежавшему зацеперу ложное ощущение безопасности на противоположной стороне. Мало того, что движущиеся токоприемники сами по себе крайне опасные элементы конструкции, для встречи с ними в узком тоннеле, так они еще и под напряжением, если хоть один из них, на любой стороне вагона, касается контактного рельса.
Так выглядит лестница для захода с путей на станцию в метро. Лестница имеет складную конструкцию
В общем конечно есть метрополитены, в которых контактный рельс не изолирован от внешнего мира совсем никак, а электробезопасность обеспечивается исключительно организационными мерами, но в России он должен иметь изоляционный кожух (короб), а это значительно удорожает конструкцию.
Устройство контактного рельса
Контактный рельс закреплен непосредственно в фарфоровом изоляторе с полиэтиленовой прокладкой, который в свою очередь присоединяется к головке удерживающего кронштейна. Изолирующий короб крепится непосредственно на головку кронштейна. Таким образом уже на данном уровне контактный рельс остается полностью электрически изолированным проводником. Для подачи на него напряжения применяют прямое подключение провода от соответствующего энергетического фидера.
Место подключения контактного рельса к фидеру (обратите внимание, что контактный рельс на данном фото не имеет защитного короба)
Удерживающий кронштейн надежно крепиться к шпале, а его высота зависит от высоты путевых рельс. Между кронштейнами выдерживают расстояние до 5,5 метров, и это расстояние не зависит от длины рельсовых плетей (кстати длина одной плети 12,5 метров).
Теперь видится лишь одна проблема — стирание контактного башмака (который прижимается токоприемником к контактному рельсу) о частые стыки. Но бархатный путь придумали не только для людей, и для токоприемников контактные рельсы сваривают в единые плети длиной до 100 метров, с обязательным наличием температурных стыков для возможности бездеформационного расширения и сжатие плети от изменений температуры. На сварной стык обязательно приваривают несколько токопроводящих накладок, для уменьшения электрического сопротивления.
Башмак токоприемника мотор-вагона метро
Для плавного присоединения и отсоединения башмака токоприемника к контактному рельсу применяются концевые отводы. Их конструкция довольно проста, в конце отвода его высота относительно головки путевого рельса начинает повышаться, пока поверхность контактного рельса не становиться выше высоты касания башмака.
Какое напряжение в контактной сети на РЖД и действительно ли оно доходит до 30 тысяч вольт?
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 03.11.2021
Почему на железных дорогах Дальнего Востока напряжение в контактной сети 30 000 Вольт а на Западных дорогах 3 000 Вольт?
Сразу поясняю, 30 000 Вольт, это напряжение в контактной сети переменного тока и если быть точным, величина напряжения варьируется от 27 000 до 30 000 Вольт. 3 000 Вольт, это напряжение в контактной сети постоянного тока.
Да, дороги востока России электрифицированы на переменном токе, а вот в Сибири, многие дороги работают на постоянном. «Постоянка» преобладает на дорогах центральных регионов нашей страны, но не везде. На западе страны многие дороги электрифицированы на переменном токе, например юг России и недалеко от Москвы, например, Северная железная дорога. Поедем из Москвы с Ярославского вокзала в сторону Дальнего Востока и уже через несколько часов наш московский электровоз на станции Данилов отцепится от поезда и прицепится электровоз переменного тока, тоже происходит и на станции Рязань, если мы едем на юг.
Только сейчас уже вовсю эксплуатируются электровозы двойного питания. Что это такое? Это электровоз, который может работать как на постоянном так и на переменном токе, это очень здорово! Если раньше поезда стояли на станциях стыкования по 30 – 40 минут ожидая смены локомотивов, то теперь стоянка составляет несколько минут, достаточно опустить токоприемник и перевести электровоз в режим работы от другого рода тока, поднимаем токоприемник и поехали дальше!
Это, например, электровозы серии ЭП20, присмотритесь, если увидите на вокзале.
Ну а почему такой разброс в напряжении, это в основном вопрос экономический. Первыми в стране электрифицировались железные дороги в центре страны и дешевле было применить в этом деле ток постоянный, напряжением 3 000 Вольт. Железные дороги востока переходили на электрическую тягу гораздо позже и здесь уже применялся ток переменный, а потому-что это и экономически и в тяговом аспекте более выгодно, чем применение постоянного. Во- первых для работы линии на постоянном напряжении требуется через каждые 25 километров строить тяговые подстанции, для улучшения токосъема требовалось прокладывать двойной контактный провод ну и постоянный ток обладает таким нехорошим свойством – он разрушает близлежащие металлические детали и опоры контактной сети, да и в тяге он проигрывает переменному. Вообщем потери налицо.
Переменный ток лишен этих недостатков : тяговые подстанции можно строить на расстоянии 50 – 80 километров друг от друга, контактный провод прокладывается один, металлические детали не разрушаются, правда он негативно влияет на работу радиосвязи, но это мелочи. Преимущества очевидны!
Перспективность электротяги была доказана ведущими институтами и учеными и конечно впоследствии переменный ток взял верх над постоянным. В настоящее время многие участки с постоянным током, в том числе и на западе страны переводятся на переменный. Как пример, в конце 90-х годов прошлого века была проведена колоссальная работа по переделке большого участка Слюдянка – Зима, Восточно-Сибирской железной дороги с постоянного на переменный ток, поезда не ходили по Транссибу около шести суток! Сильно отличаются по устройству электровозы постоянного и переменного тока. Первые попроще да и в весе полегче, так как оборудования на них поменьше.
Внутри электровоза переменного тока ЭП-1
Электровозы переменного тока гораздо сложнее, весят они тяжелее, потому что оборудования на них больше. Электровозы переменного тока мощнее своих постоянных собратьев, соответственно можно существенно увеличить вес поездов, хотя представители постоянного тока в этом соревновании не уступают. Темой устройства, преимуществ и недостатков электровозов переменного и постоянного тока мы еще займемся. Ну вот пока все!
На дорогах с напряжением 30 000 Вольт нет проблемы ЗАЦЕПЕРОВ, особенно которые любят побегать по крыше состава, а самые отчаянные умудряются при этом еще и виснуть на токоприемнике. Зацепинг проблема запада и все дело далеко не в разном менталитете, просто 30 000 Вольт переменного тока как вы понимаете гораздо опасней 3 000 Вольт постоянного. Вероятность поражения электрическим током, если вы находитесь на крыше состава очень высока, а шансов остаться в живых после случайного соприкосновения с токоведущими элементами локомотива или электропоезда практически нет!
Как устроена и работает контактная сеть?
Опубликовано 26.07.2019 · Обновлено 03.11.2021
Электрификация пришла на наши железные дороги давно. Современные Российские железные дороги уже невозможно представить без электровозов, быстрых пассажирских, тяжелых и длинных грузовых поездов, которые водят эти локомотивы. Безусловно электрификация совершила подлинную революцию на железных дорогах всего мира. Оставим пока анализ всех технических и экономических плюсов электротяги, посмотрим на контактную сеть.
Контактная сеть представляет из себя целый набор устройств: опоры, контактный провод, консоли, поддерживающие устройства, несущий трос, струны. Много всякого, а как оно работает?
Вдоль железной дороги, как правило, с правой стороны, на определенном расстоянии друг от друга (порядка 50 метров), в специальный фундамент в насыпи устанавливаются опоры, они могут быть бетонными или металлическими. На опоры устанавливаются консоли с изоляторами, между консолью и опорой, на консоль подвешивается сверху несущий трос, под ним подвешен непосредственно сам контактный провод.
Подвеска контактного провода к несущему тросу осуществляется, так называемыми, струнами, один конец струны закрепляется на несущем тросу, а к нижнему концу струны специальными хомутами крепится и закрепляется винтами контактный провод. Сам контактный провод не идеально круглый, а имеет специальное сечение, оно позволяет хомутам надежно закрепить его, не мешая токоприемникам электровозов свободно двигаться по нижней его части.
Контактный провод
На станциях все практически также, только контактная сеть располагается на жестких поперечинах или на гибких поперечинах, а поперечины устанавливаются сверху опор, которые находятся на больших расстояниях друг от друга, и между ними проложено много путей, это позволяет не устанавливать опоры контактной сети на каждом пути станции.
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 аварийных ситуаций, но и для обеспечения плановых работ на контактной сети, выполняемых со снятием напряжения, контактная сеть делится на отдельные участки (секции), электрически непосредственно не связанные между собой, не только на перегонах, но и на станциях. Это называется – секционированием.
Тяговая подстанция
Контактная сеть питается от тяговых подстанций, расположенных на определенном расстоянии на участках, в зависимости от рода тока. Железные дороги электрифицированы на постоянном токе, напряжением 3000 Вольт и на переменном токе, напряжением 25000 Вольт.
На границах между линиями, электрифицированными по системам постоянного и переменного тока, устраивают станции стыкования. Контактная сеть на таких станциях делится на три района: в одном контактная сеть всегда находится под напряжением постоянного тока, а в другом – всегда под напряжением переменного тока, а в третьем, называемом районом переключения, напряжение на каждом пути может быть тем или другим в зависимости от того, какого рода тока электровоз направляется на этот путь или находится на нем.
В настоящее время при электрификации предпочтение отдается переменному току, при этой системе благодаря высокому напряжению тяговые подстанции можно располагать на большем расстоянии одна от другой (через 40-60, а иногда и 80 километров), чем при постоянном токе (через 15-25 километров), общую площадь сечения проводов контактной сети можно существенно уменьшить (обычно 140 мм2, при постоянном токе она составляет 700 мм2 и даже протягивается второй провод).
Неоспоримыми положительными качествами системы переменного тока являются высокие тяговые свойства электровозов и отсутствие интенсивной коррозии подземных искусственных сооружений. Можно существенно увеличивать вес составов, а отсюда возрастает пропускная способность железных дорог, да и материальные затраты при электрификации переменным током ниже. Вообщем экономика двигает вперед научно-технический прогресс. Но есть у контактной сети переменного тока и существенный недостаток – она оказывает сильное индуктивное влияние на другие проводники электрического тока, находящиеся в зоне действия ее электромагнитного поля – воздушные и кабельные линии связи, телеуправления, радиовещания, силовые и осветительные, кабели питания автоблокировки и др. Приходится удалять их на большое расстояние или калибровать.
Контролирует и в оперативном порядке управляет устройствами контактной сети на дороге – энергодиспетчер.