Принципиальная схема участка железной дороги, электрифицированной по системе переменного тока 25 кВ
Рисунок 2. Принципиальная схема участка железной дороги, электрифицированной по системе переменного тока 25 кВ (а), разрез его по друхпутному участку дороги (б) и схема, поясняющая процесс прохода поездом воздушного промежутка нейтральной вставки (в)
На схеме приведён участок электрифицированной железной дороги длиной 40—50 км с двумя тяговыми подстанциями / и //, расположенными вблизи станций А и В. К линии электропередачи 12 трёхфазного переменного тока 110 кВ подключён понижающий трёхобмоточный трансформатор 10 тяговой подстанции. Этим трансформатором первичное напряжение 110 кВ понижается до 25 кВ, а также до 35 или 10 кВ. Напряжение 25 кВ подаётся на шины 7, 8 и 9 (соответственно фазы b, а и с) и используется для питания тяговой сети, а напряжение 35 (или 10) кВ — на шины 11 и используется для питания прилегающего к подстанции района (Рисунок 2, а).
Для равномерной загрузки всех трёх фаз системы внешнего электроснабжения (ей принадлежит ЛЭП 110 кВ) в тяговую сеть станции А и перегона слева от неё подаётся напряжение, отличающееся по фазе от напряжения, подаваемого в тяговую сеть перегона справа. Для этого участки контактной сети указанных перегонов и станции, а также рельсы, присоединены к разным фазам шин 27,5 кВ; контактная сеть перегона 26 через фидер контактной сети 4 и выключатель 5 подключена к шине фазыb, контактная сеть станции 1 и перегона слева от неё — к шине фазы а, а рельсы через рельсовый фидер 6 — к шине фазы с. При таком подключении к шинам 27,5 кВ соединение контактной сети слева от станции А с контактной сетью станции токоприёмниками движущегося ЭПС 27 возможно, так как они присоединены к одной и той же фазе а. Соединение же контактной сети 1 станции и контактной сети 26 перегона справа от подстанции недопустимо, так как они присоединены к двум разным фазам а и b. Такое соединение приведёт к короткому замыканию фаз а и b понижающего трансформатора 10. Поэтому участки контактной сети 1 станции и перегона слева от неё разделены воздушным промежутком 2, а станции и перегона справа — двумя воздушными промежутками 2 и нейтральной вставкой между ними 3. Наличие нейтральной вставки 3 исключает даже кратковременное замыкание фаз а и b трансформатора 10 токоприёмниками ЭПС при проходе ими этого участка тяговой сети.
Подача напряжения в тяговую сеть перегона происходит при включении выключателя 5 фидера контактной сети. После этого машинист ЭПС может, подняв токоприёмник 27 и включив выключатель 28, подать переменное напряжение на первичную обмотку понижающего тягового трансформатора 31. Напряжение на вторичной обмотке тягового трансформатора выпрямляется выпрямителем 32 и через сглаживающий реактор 29 подводится к тяговым двигателям 30. Через электродвигатели начинает протекать ток, который приводит их и ЭПС в движение.
В тяговую сеть перегона между подстанциями напряжение подаётся от двух подстанций / и //. При этом обеспечивается двусторонний подвод энергии к ЭПС. Для обеспечения двустороннего питания ЭПС и равномерной загрузки фаз ЛЭП 110 кВ понижающие трансформаторы двух соседних подстанции / и // присоединены к ЛЭП 110 кВ неодинаково, а следуя специально разработанному правилу.
На рисунке также показаны другие вспомогательные линии электроснабжения участка. От шин тягового напряжения 27,5 кВ получают питание также нетяговые потребители. Для этого через выключатель 20 к шинам 7 и 8 подключают два провода, размещаемые на опорах контактной сети с полевой стороны. Понижающие трансформаторы потребителей 22 подключаются к этим проводам и рельсу. Такая система питания получила название ДПР (два провода — рельс). В середине линии ДПР установлен разъединитель 23. Нормально левая половина линии ДПР питается от подстанции /, а правая — от подстанции //, разъединитель 23 разомкнут. В случае необходимости (например, при отключении одной из подстанций) вся линия ДПР может получать питание от одной подстанции. При этом разъединитель 23 включается.
Энергию для собственных нужд тяговой подстанции (питание цепей управления, сигнализации, освещения, отопления, моторной нагрузки) получают от трансформатора собственных нужд (ТСН) 13 через шины собственных нужд 14 (на рисунке 2, а нагрузки собственных нужд обозначены стрелками). От шин собственных нужд 14 через трансформатор 15 напряжение подаётся в линию 16, предназначенную для питания устройств СЦБ и связи. От этой линии через маломощные понижающие трансформаторы 18 и релейные шкафы СЦБ 19 питаются светофоры. В середине линии 16 установлен разъединитель 17. Это даёт возможность питать линию от любой из двух подстанций / или // (при замкнутом разъединителе 17) или же каждую половину линии питать от своей подстанции (при разомкнутом разъединителе). Так как от работы устройств СЦБ непосредственно зависит выполнение графика движения поездов на участке, они должны иметь резервный источник питания. Устройства СЦБ получают резервное питание по линии 24 через понижающие однофазные трансформаторы 25 от линии ДПР 21.
На рисунке 2, б изображён разрез по двухпутному участку дороги.
Трёхфазная комплектная трансформаторная подстанция (КТП) 34, состоящая из трансформатора 22 и сопутствующего оборудования, получает питание от линии ДПР 21 через провода 36. Один провод линии ДПР 21 через изоляторы 37 подвешивается к консоли 38 с полевой стороны опоры контактной сети 39, а другой — с полевой стороны опоры 45 второго пути. Третий вывод КТП присоединяется проводом 35 к рельсам 33. На изолированной консоли 41, закреплённой на опоре через изоляторы 40, подвешен несущий трос 42. Одиночный контактный провод 44, удерживаемый фиксатором 43, занимает заданное положение относительно оси пути. Электрически соединённые во многих точках несущий трос 42 и контактный провод 44 и составляют контактную сеть 26 (см. рис. 2, а). Светофор 46 получает напряжение от маломощного понижающего однофазного трансформатора 18 через кабель 24 и релейный шкаф СЦБ 19. Трансформатор 18 подключён к трёхфазной линии передачи 10 кВ 16. Провода этой линии крепятся на штыревых изоляторах 48 опор 47, которые установлены параллельно железной дороге специально для линии СЦБ.
Проход воздушного промежутка 2 перед нейтральной вставкой 3 поездом, идущим со станции А в сторону станции В, происходит следующим образом. По правилам этот воздушный промежуток, как и нейтральную вставку, поезд должен проходить при отключённых тяговых электродвигателях или, как говорят, без тока. В противном случае возможен пережог ветви контактного провода 1 промежутка 2, принадлежащей ст. А.
Это может произойти так. Воздушный промежуток 2 изображён сбоку на рисунке 2, в. Высота подвеса контактных проводов ветвей 1 и 3 в пределах воздушного промежутка постепнно изменяется. В направлении слева направо контактный провод ветви 1 поднимается, а ветви 3 опускается. В точке а высоты подвеса обоих проводов равны. Поэтому, двигаясь по воздушному промежутку в направлении, указанном стрелкой, токоприёмник ЭПС до точки а скользит по проводу ветви 1 (позиция к), а после точки а — по проводу ветви 3 (позиция к+1). На провод 1 подано напряжение фазы А (см. рис. 2, а), на провод же 3, принадлежащий нейтральной вставке, напряжение не подано. По этой причине, двигаясь по воздушному промежутку, ЭПС может потреблять ток только до точки а. После её прохода контакт между контактным проводом 1 и токоприёмником 27 прекращается, и ток через двигатели ЭПС должен прерваться. Однако при большом токе (несколько сотен ампер) этого сразу не происходит, между контактным проводом и токоприёмником загорается электрическая дуга 49, которая за несколько долей секунды пережигает провод 1. Поэтому машинист и обязан отключать электродвигатели, или, как говорят, отключать ток, подъезжая к нейтральной вставке. Однако преждевременное отключение тока может вызвать остановку поезда на нейтральной вставке, следовательно, проезд нейтральной вставки требует от машиниста большого внимания.
Главными достоинствами системы переменного тока напряжением 25 кВ является более высокое напряжение в контактной сети и возможность легко понизить это напряжение трансформатором электровоза. Электровоз мощностью 6000 кВт на постоянном токе потребляет из контактной сети ток 2000 А, а на переменном лишь 300 А. Поэтому контактная сеть постоянного тока тяжелёя, имеет большое число проводов. Это обычно два медных контактных провода сечением 100 мм2 каждый, медный несущий трос сечением 120 мм2 и ещё один или два усиливающих алюминиевых провода сечением 185 мм2 каждый. На переменном токе контактная сеть более лёгкая и состоит из одного медного контактного провода сечением 100 мм2 и биметаллического несущего троса сечением 95 мм2. Конструкция подстанции переменного тока по сравнению с подстанцией на постоянном токе более проста благодаря отсутствию выпрямительных агрегатов. Количество подстанций на линиях при системе переменного тока меньше, ибо располагаются они на больших расстояниях. Один из недостатков системы переменного тока заключается в её значительном влиянии на линии связи, так как переменный ток создаёт вокруг проводов переменное электромагнитное поле. Приходится линии связи, проходящие вдоль железных дорог, непременно выполнять кабельными, а не воздушными, как на постоянном токе, что приводит к увеличению стоимости электрификации железных дорог. Кроме того, возникают проблемы несимметрии токов и напряжений из-за того, что электровозы потребляют однофазный ток, а линии передачи трёхфазные. Появляется необходимость монтажа нейтральных вставок у каждой подстанции. Наличие таких вставок увеличивает вероятность пережога контактного провода.
В некоторых странах (Канада, США, ЮАР) появилась новая система тягового электроснабжения — система переменного тока напряжением 50 кВ частоты 50 или 60 Гц. Эта система аналогична системе переменного тока 25 кВ, но более высокое напряжение даёт возможность существенно увеличить передаваемую по тяговой сети электрическую мощность. Однако при этом приходится усиливать изоляцию контактной сети, увеличивать габариты между устройствами, находящимися под напряжением, и заземлёнными частями, и, конечно, требуется новый электроподвижной состав, рассчитанный на напряжение 50 кВ.
Стремление повысить мощность, передаваемую по тяговой сети, путём увеличения напряжения при одновременном желании использовать стандартный электроподвижной состав на напряжение 25 кВ привело к возникновению системы переменного тока 2×25 кВ. При этой системе электрическая энергия от тяговой подстанции к ЭПС передаётся в два этапа: сначала при напряжении 50 кВ, а затем 25 кВ. Для этого на опорах контактной сети с полевой стороны приходится подвешивать ещё один так называемый питающий провод (напряжение между ним и проводами контактной сети и составляет 50 кВ), и устанавливать на перегоне между подстанциями автотрансформаторы 50/25 кВ.
Система 2×25 кВ широко применяется как в нашей стране, так и в других странах (Франция, Япония), имеющих электрифицированные линии напряжением 25 кВ. Она рассматривается как средство усиления этих линий.