Все изложенные выше требования, предъявляемые к системе электроснабжения, могут быть удовлетворены при различных технических решениях. Окончательная оценка этих решений осуществляется сопоставлением технических и экономических их качеств, т. е. по степени надежности решения и по затратам. В затратах определяют как капитальные. Так и ежегодные эксплутационные расходы. Все эти задачи возникают не только при проектировании вновь электрифицируемой линии железной дороги, но и в процессе эксплуатации при развитии системы электроснабжения, когда рост грузопотоков приводит к увеличению размеров движения и весов поездов. Ни одно техническое решение не может быть достаточно обоснованным без соответствующей экономической оценки.
Система снабжения электрифицированных железных дорог состоит из двух частей:
Первичной (или внешней) части систем электроснабжения, включающей в себя все устройства от электрической станции до линии передачи (включительно), подводящих энергию к тяговым подстанциям;
Тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии к контактной подвеске непосредственно или через специальные трансформаторы. Устройство тяговой подстанции зависит от системы электрической тяги, применяемой на железной дороге, т. е. определяется родом тока и напряжения, применяемого в контактной сети, а также напряжением и системой тока источника энергии первичной части схемы питания.
Как правило, электрифицированная железная дорога получает питание от энергосистемы, а не от одной электрической станции.
Электроэнергетическое хозяйство всех стран мира строится по принципу концентрации производства электрической энергии на крупных электрических станциях, которые с помощью линий электропередачи соединяются в энергетические системы. В процессе развития энергетические системы охватывают все большее число электрических станций, а сами эти станции строятся на все возрастающие мощности. Соединение электростанций в одну систему приносит больше выгоды, перекрывающие затраты на сооружение специальных линий электропередачи, соединяющих собой эти станции.
Мощность электростанции должна быт достаточной, чтобы в любой момент удовлетворить спрос потребителей, получающих от нее питание. Потребители же в общем случае расходуют в разное время различную мощность и характеризуются как общим количеством потребляемой ими энергией, так и максимумом требуемой мощности в отдельные отрезки времени. Максимумы мощности потребителей часто не совпадают по времени, поэтому максимум мощности, требуемой от электрических станций, как правило, меньше суммы максимумов мощностей потребителей. Использование электрических станций тем выше, чем больше к ним подключено потребителей. Еще больший эффект такого использования достигается соединением нескольких станций в энергосистему. Соединение нескольких электрических станций между собой позволяет также сократить число резервных агрегатов, т. е. еще больше повысить степень их использования. Соединение в одной системе тепловых электростанций и гидроэлектростанций позволяет в многоводные периоды передавать большую часть нагрузки на гидростанции, в отдельных случаях загружая тепловые станции только выработкой реактивной мощности, получая тем самым значительную экономию топлива.
Современная мощная энергетическая система может включать в себя различные электрические станции, линии электропередачи различного напряжения и соответственно различного напряжения трансформаторные подстанции. Соединение между собой отдельных энергосистем специальными линиями электропередачи, так называемыми линиями межсистемной связи дает, по существу, те же преимущества. Что и соединение станций в одну энергосистему.
В реальных условиях электрическая энергия преобразовывается на ряде подстанций и питает ряд локомотивов. Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы.
Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (э. п. с), оно является номинальным напряжением в контактной сети. Напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10% выше этого значения. На всех суммах напряжение в тяговой сети показано равным номинальному напряжению э. п. с.
Система постоянного тока. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока в основном изготовляют на напряжение не выше 1500. В (редко – незначительно большее). Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение, равное 3000 В. При таком напряжении энергия тяговым двигателям передается без изменения уровня напряжения на электровозе. В этой системе электровозы получаются наиболее простыми, что и составляет одно из главных ее преимуществ. При таких значениях напряжения расстояния между подстанциями на грузонапряженных дорогах принимаются, как правило, около 15 – 20 км, а сечения проводов контактной сети по сравнению с другими системами тока и напряжения – в 2 – 3 раза большими. В столь же раз больше получаются потери энергии в проводах контактной сети.
В дальнейшем при увеличении грузопотоков приходится добавлять подстанции, и тогда расстояние между ними уменьшается вдвое. Большая площадь сечения проводов контактной сети и большее число тяговых подстанций, вызванное относительно невысоким напряжением в тяговой сети, являются существенным недостатком системы постоянного тока. Номинальное напряжение на метрополитенах России и ряде других стран равно 750 В.
Недостатком системы постоянного тока являются также большие потери энергии в пусковых реостатах при разгоне поезда. Особенно при пригородном движении, где доля пусковых потерь достигает – 12 - 15%.
Влияние нагрузок тяговой сети на смежные линии при системе постоянного тока относительно невелико и легко устранимо, что можно отнести к существенным преимуществам этой системы. Иначе обстоит дело с электрокорозией подземных сооружений, что как уже было отмечено, является особенностью и одним из существенных недостатков системы постоянного тока. Для борьбы с этими явлениями разработаны эффективные мероприятия, значительно уменьшающие опасность электрокоррозии подземных сооружений.
Участки дорог постоянного тока питаются от энергосистемы, а энергия преобразуется с помощью полупроводниковых преобразователей. Ранее подстанции постоянного тока оборудовались в основном двигатель – генераторы. В настоящее время для преобразования переменного тока в постоянный применяют только полупроводниковые преобразователи.
В России в связи с переходом электрификации по системе однофазного тока промышленной частоты электрификацию на постоянном токе используют в основном при продолжении электрификации существующих линий, ранее электрифицированных по системе постоянного тока.
Слабое влияние тяговой сети постоянного тока на смежные линии, являющееся существенным преимуществом этой системы, заставило искать решения по повышению напряжения в контактной сети. Но это определяло необходимость преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого более низкого напряжения. Велись различные исследования в этом направлении. Создание управляемых полупроводниковых преобразователей открыло возможность для разработок экспериментальных исследований по внедрению системы импульсного преобразования постоянного тока на электровозе, что может позволить повысить напряжение в контактной сети до 6 кВ. Разрабатываются также системы с преобразованием постоянного тока контактной сети в трехфазный ток регулируемой частоты при асинхронных двигателях на электровозах.
На дорогах постоянного тока не тяговые потребители питаются через специальные трансформатор от шин тяговых подстанций.
Система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц. Основным преимуществом этой системы по сравнению с системой постоянного тока является возможность использования более высокого напряжения в контактной сети России принято 25 кВ. При этом тяговые подстанции превращаются в простые трансформаторные, а сечение контактной сети значительно уменьшается даже при больших расстояниях между подстанциями (40 – 60 км.).
Наибольшее распространение получил э.п. с. с двигателями постоянного тока и преобразовательной установкой на локомотиве. Трансформаторы этой установки позволяют регулировать напряжение на двигателях под нагрузкой.
При питании однофазной нагрузки от трехфазной районной сети неизбежна различная нагрузка фаз первичной системы электроснабжения. Не симметрия нагрузки приводит к ухудшению работы первичной системы (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи, релейной защиты). При мощных энергосистемах обычно тяговая нагрузка составляет небольшую долю от всей нагрузки системы. В этих случаях не симметрия тяговой нагрузки не играет существенной роли в нагрузке, действующей на отдельные элементы системы. Однако она вызывает на шинах тяговых подстанций и в питающих их линиях передачи существенную не симметрию напряжения. Не симметрия напряжения оказывает неблагоприятные влияния на работу трехфазных потребителей, получающих питание от этих подстанций и линий электропередачи. Значительное влияние тягового тока на линии слабого тока и необходимость принятия дорогих мер защиты уменьшают эффективность систем переменного тока. Это соображение частично теряет силу, если линии связи были калиброваны до электрификации.