Системы электроснабжения электрифицированных железных дорог по предъявляемым к ним требованиям, условиям работы, используемому оборудованию и, наконец, по задачам, решаемыми, коренным образом отличаются от систем электроснабжения промышленных предприятий. Все это предопределило особенности теории работы таких систем, методов их расчета и проектирования привело к появлению науки об электроснабжении электрифицированных железных дорог.
Электрические железные дороги получают электрическую энергию от энергосистем, объединяющих в себе несколько электростанций. Электрическая энергия от генераторов электростанций передается через электрические подстанции,
линии электропередачи различного напряжения и тяговые подстанции. На последних электрическая энергия преобразуется к виду (по роду тока и напряжения)
используемому в локомотивах, и по тяговой сети передается к ним.
Вся совокупность устройств, начиная от генератора электростанции и кончая
Тяговой сетью, составляет систему электроснабжения электрифицированных железных дорог. От этой системы питаются электрической энергией, помимо собственно электрической тяги (электровозы и электропоезда), также все нетяговые
железнодорожные потребители и потребители прилегающих районов . Поэтому электрификация потребители железных дорог решает не только транспортную проблему, но и способствует решению важнейшей хозяйственной проблемы-электрификации.
Главные преимущества электрической тяги перед автономной (имеющей генераторы энергии на самом локомотиве) определяются централизованным электроснабжением и сводя к следующему:
1. Производство электрической энергии на крупных электростанциях приводит, как всякое массовое производство, к уменьшению ее стоимости, увеличению их к.п.д. и
снижению расхода топлива.
2. На электростанциях могут использоваться любые виды топлива и, в частности,
малокалорийные – нетранспортабельные (затраты на транспортировку которых не оправдываются). Электростанции могут сооружаться непосредственно у места добычи топлива, в следствии чего отпадает необходимость в его транспортировке.
3. Для электрической тяги может использоваться гидроэнергия и энергия атомных электростанций.
4. При электрической тяги возможна рекуперация (возврат) энергии при электрическом торможении.
5. При централизованном электроснабжении потребная для электрической тяги мощность практически не ограничена. Это дает возможность в отдельные периоды потреблять такие мощности, которые невозможно обеспечить на автономных локомотивах, что позволяет реализовать, например, значительно большие скорости движения на тяжелых подъемах при больших весах поездов.
6. Электрический локомотив (электровоз) в отличии от автономных локомотивов не имеет собственных генераторов энергии. Поэтому он дешевле и надежнее автономного локомотива.
7. На электрическом локомотиве нет частей, работающих при высоких температурах и с возвратно – поступательным движением (как на паровозе, тепловозе), что определяет уменьшение расходов на ремонт локомотива.
Преимущества электрической тяги, создаваемые централизованным электроснабжением, для своей реализации требуют сооружение специальной системы электроснабжения, затраты на которую, как правило, значительно превышают затраты на электроподвижный состав. Надежность работы электрифицированных дорог зависит от надежности работы системы электроснабжения. Поэтому вопросы надежности и экономичности работы системы электроснабжения существенно влияют на надежность и экономичность всей электрической железной дороги в целом.
Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги. Для этого необходимо, чтобы мощность всех элементов системы электроснабжения была достаточной для обеспечения потребной каждому локомотиву мощности при самых разнообразных условиях работы железнодорожной линии.
Эти задачи могут быть решены только при правильно выбранных параметрах системы электроснабжения, т. е. Обеспечивающих работу оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке и необходимое качество электрической энергии (в первую очередь уровень напряжения), а также при обеспечении необходимого резерва. Рассмотрим несколько детальнее поставленные требования.
Известно, что недопустимое для данного элемента электрической установки увеличение нагрузки может привести к выходу его из строя. С другой стороны, увеличение номинальной мощности любого элемента и, следовательно, допустимой для него нагрузки связано с увеличением затрат. Поэтому необходимо уметь выбирать параметры всех устройств системы электроснабжения так, чтобы они бесперебойно работали в течении времени, определяемого их нормальным сроком службы, и вместе с тем требовали минимальных затрат.
Наряду с этим на электрифицированных железных дорогах неизбежны редко встречающиеся случайные сочетания нагрузок (расположение поездов), вызванные особыми условиями эксплуатации, например пропуск поездов с минимальными межпоездными интервалами после снежных заносов или не предусмотренных детальных перерывах движения и др. Такие сочетания нагрузок предъявляют к системе электроснабжения весьма высокие требования. Такие редко встречающиеся сочетания нагрузок при выборе параметров системы электроснабжения не всегда принимают во внимание, пропуск же поездов в этих случаях регулируется диспетчером с учетом возможностей системы электроснабжения.
Передача электрической энергии по проводам связана с некоторым понижением напряжения у потребителя, тем большим, чем больше потребляемая их мощность и чем дальше от питающего центра он расположен. Вследствие этого поезда, удаляющиеся от подстанций, питаются электрической энергией при более низком напряжении, и если нельзя изменить режим ведения поезда, кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезда, располагаются также и другие, так называемые вспомогательные машины, выполняющие различные функции (обеспечение торможения, охлаждение двигателей и др.). Производительность связанных с ними устройств зависит от уровня напряжения на зажимах этих машин. Поэтому вопрос поддержания определенного значения напряжения в сети у поезда является весьма важным для обеспечения нормальной работы электрифицированных железных дорог.
Способы поддержания напряжения на необходимом уровне определяются техническими и экономическими соображениями.
Бесперебойность и экономичность работы электрифицированной дороги зависят от резервирования различных элементов устройства. Учитывая важность надежной работы электрифицированной железной дороги для обеспечения перевозочного процесса при всех условиях и особенно то, что электрическая тяга, как правило, работает на наиболее грузонапряженных магистралях, большое значение приобретает система резервирования.
Питание различных железнодорожных стационарных потребителей, а также потребителей прилегающих к железной дороге районов осуществляется от одной и той же системы электроснабжения. Поэтому при ее проектировании и сооружении вопросам надежности и экономичности питания этих потребителей также уделяют необходимое внимание. При этом питание железнодорожных потребителей в большинстве случаев прямо или косвенно связано с надежностью работы данной железнодорожной линии и должно, поэтому обеспечиваться с высокой надежностью. Систему резервирования в схемах питания не тяговых потребителей выбирают с учетом их характера и значимости.
Электрифицированные железные дороги оказывают различные мешающие влияния на смежные сооружения. Так, на дорогах переменного тока в питающей трехфазной системе нарушается симметрия токов и напряжений, что ведет к дополнительным потерям электрической энергии, к понижению мощности генераторов и двигателей или уменьшению срока их службы. Поэтому принимаются меры для ограничения не симметрии. Токи и напряжения в тяговой сети дорог переменного тока несинусоидальные, что усиливает электрическое и магнитное влияние на расположенные в близи линии, нарушая их работу, а иногда и создавая опасность для персонала и оборудования.
На линиях постоянного тока в токе тяговой сети также имеются гармонические составляющие, мешающие нормальной работе устройств связи. Поэту при проектировании системы электроснабжения приходится принимать специальные меры для ограничения этих влияний.
Локомотивы на электрифицированных железных дорогах питаются через тяговую сеть, где одним из проводов является контактная подвеска. А вторым – рельсовый путь. Последний же не изолирован от земли, вследствие чего большая часть тока течет по земле как по проводнику, присоединенному параллельно к рельсам. Если вблизи от железной дороги (на расстоянии даже в несколько километров) в земле уложены металлические трубопроводы или кабели с металлической оболочкой, то токи протекают и по ним и приводят к вредным последствиям. На дорогах постоянного тока ответвление токов в подземные сооружения может привести к их разрушению, а кроме того, создает на них опасные потенциалы. Особая опасность разрушения от электрической коррозии грозит транспортным сооружениям (фундаментам опор, арматуре железобетонных опор, искусственных сооружений и пр.). Поэтому для участников постоянного тока защита от электрокорозии является одной из важных задач.
С точки зрения обеспечения надежной работы особое место в системе электроснабжения занимает контактная сеть. Эта часть системы электроснабжения не может иметь резерва, а ее обслуживание связанно с затруднениями, особенно в условиях интенсивного движения. Большую часть работ ведут на сети под напряжением со специально устроенных изолирующих съемных вышек или отключают поочередно небольшие участки сети.
Это создает сложные условия для обслуживающего персонала и требует особого внимания к обеспечению безопасности работ. Все эти вопросы необходимо принимать во внимание, когда сравниваемые возможные технические решения не равноценны по условиям обслуживания контактной сети.