Жоғары жылдамдықты теміржолдардағы стандартты ток күші мен кернеу шамалары

Кіріспе

Көптеген жоғары жылдамдықты темір жолдар үшін стандартты ток пен кернеу шамалары 25 киловольт (кВ) айнымалы ток (AC) жүйелерінде қолданылады, әсіресе жоғары жылдамдықты темір жолдарда. Ол әдетте стандартты желілік жиілікте (әдетте 50 немесе 60 Гц) беріледі, бұл көтергіш подстанцияларды (тягалық подстанцияларды) қарапайымдайды. 25 кВ АТ электрлендірудің дамуы желілік жиілікті табысты пайдаланумен тығыз байланысты. Бұл электрлендіру ұзақ қашықтықтарды қамтитын немесе жоғары трафик көлеміне ие темір жолдар үшін өте қолайлы. Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін Венгрияда және Германиядағы Қара Орманда сынақтан өткеннен кейін, 1950-ші жылдары кеңінен қолданыла бастады. Бұрын енгізілмеуіне себептердің бірі – қатты күйдегі түзеткіштер (rectifiers) және оған байланысты технологиялар дамығанға дейін қолайлы, кішкентай және жеңіл басқару және түзету жабдықтарының жетіспеуі еді. Тағы бір себеп – көпірлер мен туннельдер астынан өтетін жерлерде қажетті қашықтықтардың артуы, бұл тірі бөліктерге қажетті кеңістікті қамтамасыз ету үшін ауқымды құрылыс жұмыстарын талап ететін еді. Егер бұрынғы жүк көлемі кең болса, бұл мәселе азырақ болды. Ескі, төмен сыйымдылықтағы тұрақты ток жүйелерін пайдаланатын темір жолдар өздерінің жаңа жоғары жылдамдықты желілерінде 3 кВ DC/1,5 кВ DC орнына 25 кВ АТ енгізді немесе енгізіп жатыр.

Тарих

Пайдаланушы жиілік жүйесін алғаш рет қолдану 1931 жылға дейін созылды, сынақтар 1922 жылдан бері жүргізіліп келді. Оны Венгриядағы Кальман Кандо әзірледі, ол 50 Гц жиілігінде 16 кВ айнымалы ток, асинхронды жетегі және (мотор) полюстерінің реттелетін санын пайдаланды. Сынақтар үшін алғашқы электрлендірілген желі Будапешт-Дюнакеши-Алаг болды. Алғашқы толық электрлендірілген желі Будапешт-Дьёр-Гегиешалом (Будапешт-Вена желісінің бір бөлігі) еді. Кандоның шешімі болашаққа бағыт көрсеткенімен, Венгриядан тыс теміржол операторлары бұл жобаға қызығушылық танытпады. Бұл жүйені алғаш қолданған теміржол 1936 жылы Фрайбург пен Нойштадт арасындағы Хёллентальбанның бір бөлігін электрлендірген Deutsche Reichsbahn компаниясы болды, ол 20 кВ 50 Гц айнымалы ток жүйесін орнатты. Германияның бұл бөлігі 1945 жылдан кейін француз оккупациялық аймағында орналасқан. 1951 жылы неміс жүйесін зерттеу нәтижесінде SNCF Оңтүстік Франциядағы Aix-les-Bains пен La Roche-sur-Foron арасындағы желіні электрлендірді, бастапқыда 20 кВ кернеуде, бірақ 1953 жылы 25 кВ-қа ауыстырылды. 25 кВ жүйесі Францияда стандарт ретінде қабылданды, бірақ Париждің оңтүстігіндегі көптеген шақырымдар 1,5 кВ тұрақты токпен электрлендірілгендіктен, SNCF 1960 жылдарға дейін екі кернеулі локомотивтер әзірленгенге дейін ірі жаңа тұрақты ток электрлендіру жобаларын жалғастырды. Электр желісінде пайдалану жиілігінің кеңінен қабылдалмауының басты себебі – пойызға орнатылатын сынаптық тікшұңқыр түзетушілердің сенімділігінің жетіспеуі болды. Бұл өз кезегінде тұрақты токқа қатысты тізбекті қозғалтқыштарды қолдану қажеттілігімен байланысты, ол токтың айнымалы токтан тұрақты токқа айналуын талап етеді, ал мұндай түрлендіру үшін түзетуші қажет. 1950 жылдардың басына дейін сынаптық тікшұңқыр түзетушілерді тіпті идеалды жағдайда да пайдалану қиын болды, сондықтан оларды теміржол локомотивтерінде қолдануға болмайды. Айнымалы ток қозғалтқыштарын пайдалану мүмкін болды (және кейбір теміржолдар оны әртүрлі деңгейде жасады), бірақ олардың жетегі үшін идеалды сипаттамаларынан кем болды. Бұл жылдамдықты басқару үшін жиілікті өзгертудің қажеті болмауы және жылдамдықты басқару үшін кернеуге сүйенудің салдарынан, кез келген жылдамдықта идеалды емес айналу моментін берумен байланысты. Тұрақты токқа қатысты тізбекті қозғалтқыштар 1990 жылға дейін жетегі үшін ең көп таралған таңдау болып келді, өйткені оларды кернеумен басқаруға болады және айналу моменті мен жылдамдық арасындағы жақсы қатынасқа ие. 1990 жылдары жоғары жылдамдықты пойыздар жеңіл, техникалық қызмет көрсетуге азырақ күш жұмсалатын үш фазалы айнымалы ток индукциялық қозғалтқыштарын пайдалана бастады. N700 Shinkansen 25 кВ бір фазалы айнымалы токты 1,520 В айнымалы токқа (трансформатор арқылы), 3 кВ тұрақты токқа (фазалық реттегішпен тиристор арқылы) және максимум 2,300 В үш фазалы айнымалы токқа (өзгермелі кернеулі, импульс енін модуляциялайтын IGBT пайдаланатын инвертер арқылы) түрлендіру үшін үш деңгейлі түрлендіргішті пайдаланады, бұл қозғалтқыштарды іске қосуға мүмкіндік береді. Жүйе регенеративті тежеу үшін кері жұмыс істейді. 25 кВ кернеуін таңдау, электр қуатын беру тиімділігіне, кернеу мен шығындардың арақатынасына байланысты болды, бұл жай ғана тамаша қатынас емес. Белгілі бір қуат деңгейі үшін жоғары кернеу төменгі токпен және әдетте жоғары кернеулі жабдықтар үшін үлкен шығындарға қарағанда тиімділікке мүмкіндік береді. 25 кВ кернеуі – оптималды нүкте болып табылды, онда жоғары кернеу тиімділікті жақсартады, бірақ үлкен оқшаулағыштар мен құрылымдардан қашықтық қажеттілігіне байланысты жоғары шығындарға қатысты маңызды емес. Қысқа тұйықталудан сақтану үшін жоғары кернеу ылғалдан қорғалуы керек. Бұрынғы уақытта "қараңғы қар" сияқты ауа райының құбылыстары бұзылуларға себеп болды. Атмосфералық себептердің мысалы 2009 жылдың желтоқсанында болды, онда төрт Eurostar пойзы Ла-Манш туннелі ішінде бұзылды.

The first successful operational and regular use of a utility frequency system dates back to 1931, tests having run since 1922. It was developed by Kálmán Kandó in Hungary, who used 16 kV AC at 50 Hz, asynchronous traction, and an adjustable number of (motor) poles. The first electrified line for testing was Budapest–Dunakeszi–Alag. The first fully electrified line was Budapest–Győr–Hegyeshalom (part of the Budapest–Vienna line). Although Kandó's solution showed a way for the future, railway operators outside of Hungary showed a lack of interest in the design. The first railway to use this system was completed in 1936 by the Deutsche Reichsbahn who electrified part of the Höllentalbahn between Freiburg and Neustadt installing a 20kV50 Hz AC system. This part of Germany was in the French zone of occupation after 1945. As a result of examining the German system in 1951 the SNCF electrified the line between Aix les Bains and La Roche sur Foron in southern France, initially at the same 20kV but converted to 25kV in 1953. The 25kV system was then adopted as standard in France, but since substantial amounts of mileage south of Paris had already been electrified at 1.5kV DC, SNCF also continued some major new DC electrification projects, until dual voltage locomotives were developed in the 1960s. The main reason why electrification using utility frequency had not been widely adopted before was the lack of reliability of Mercury arc rectifiers that could fit on the train. This in turn related to the requirement to use DC series motors, which required the current to be converted from AC to DC and for that a rectifier is needed. Until the early 1950s, mercury arc rectifiers were difficult to operate even in ideal conditions and were therefore unsuitable for use in railway locomotives. It was possible to use AC motors (and some railways did, with varying success), but they have had less than ideal characteristics for traction purposes. This is because control of speed is difficult without varying the frequency and reliance on voltage to control speed gives a torque at any given speed that is not ideal. This is why DC series motors were the most common choice for traction purposes until the 1990s, as they can be controlled by voltage, and have an almost ideal torque vs speed characteristic. In the 1990s, high speed trains began to use lighter, lower maintenance three phase AC induction motors. The N700 Shinkansen uses a three level converter to convert 25 kV single phase AC to 1,520 V AC (via transformer) to 3 kV DC (via phase controlled rectifier with thyristor) to a maximum 2,300 V three phase AC (via a variable voltage, variable frequency inverter using IGBTs with pulse width modulation) to run the motors. The system works in reverse for regenerative braking. The choice of 25 kV was related to the efficiency of power transmission as a function of voltage and cost, not based on a neat and tidy ratio of the supply voltage. For a given power level, a higher voltage allows for a lower current and usually better efficiency at the greater cost for high voltage equipment. It was found that 25 kV was an optimal point, where a higher voltage would still improve efficiency but not by a significant amount in relation to the higher costs incurred by the need for larger insulators and greater clearance from structures. To avoid short circuits, the high voltage must be protected from moisture. Weather events, such as "the wrong type of snow", have caused failures in the past. An example of atmospheric causes occurred in December 2009, when four Eurostar trains broke down inside the Channel Tunnel.

Тарату

25 кВ АЖ электрлендіруге арналған электр қуаты әдетте үш фазалы беріліс жүйесінен тікелей алынады. Беріліс қосалқы станциясында жоғары кернеу көзінің үш фазасының екеуіне төмендету трансформаторы қосылып, кернеу 25 кВ-қа дейін төмендетіледі. Бұл кейде бірнеше шақырым қашықтықта орналасқан, теміржолдың жанындағы азықтандыру станциясына беріледі. Азықтандыру станцияларындағы және азықтандыру станциялары арасындағы жол бөлімі кабиналарындағы коммутациялық жабдықтар, егер бір азықтандыру станциясы желілік қуаттан айырылса, көршілес азықтандыру станцияларынан жоғары сымды желіге қуат беруді қамтамасыз етеді. Жоғары кернеу көзінің тек екі фазасы қолданылатындықтан, фазалық тепе-теңсіздік әрбір азықтандыру станциясын фазалардың әртүрлі комбинациясына қосу арқылы түзетіледі. Пойыздың пантографы бір-бірімен фазадан шығып кеткен екі азықтандыру станциясын түйістірмеу үшін азықтандыру станцияларында және жол бөлімі кабиналарында бейтарап бөлімдер орнатылады. SVC жүктемені теңестіру және кернеуді басқару үшін қолданылады. Кейбір жағдайларда, бір фазалы АЖ трансформаторлары бар қосалқы станцияларға арналған арнайы бір фазалы АЖ қуат желілері салынды. Мұндай желілер француздық TGV-ны қуатпен жабдықтау үшін салынған.

Стандарттау

Темір жолдарды 25 кВ, 50 Гц айнымалы тоқпен электрлендіру халықаралық стандартқа айналды. Жүйенің кернеуін анықтайтын екі негізгі стандарт бар:

EN50163:2004+A1:2007 – "Темір жол саласындағы қолданыстар. Жүйелерді тартуға арналған электрмен жабдықтау кернеулері"
IEC60850 – "Темір жол саласындағы қолданыстар. Жүйелерді тартуға арналған электрмен жабдықтау кернеулері"

Жоғарыда аталған стандарттарда рұқсат етілген кернеулердің диапазоны көрсетілген, ол ток тартатын пойыздың саны мен олардың подстанциядан қашықтығын ескереді. Электрлендіру жүйесінің кернеуі: Минимальді, уақытша Минимальді, тұрақты Номиналды Максимальді, тұрақты Максимальді, уақытша 50 Гц

Бұл жүйе қазір Еуропалық Одақтың Транс-Еуропалық темір жолдардың өзара үйлесімділік стандарттарының құрамына кіреді (1996/48/EC "Транс-Еуропалық жоғары жылдамдықты темір жол жүйесінің өзара үйлесімділігі" және 2001/16/EC "Транс-Еуропалық конвенциялық темір жол жүйесінің өзара үйлесімділігі").

Вариациялар

Осы стандартқа негізделген, бірақ шамалы өзгерістері бар жүйелер пайдаланылды.

25 кВ АЖ 60 Гц

60 Гц жүйелік қуат жиілігі ретінде қолданылатын елдерде теміржол электрлендірілуі үшін 25 кВ 60 Гц жиілігі пайдаланылады. Канадада Монреаль қалалық көлік агенттігінің Deux Montagnes желісінде. Жапонияда Токайдо, Санъё және Кюсю Шинкансен желілерінде (1435 мм рельс енімен). Оңтүстік Кореяда Korail желісінде. Тайваньда Тайвань жоғары жылдамдықты теміржолы желісінде (рельс енімен) және Тайвань теміржол басқармасының электрлендірілген желілерінде (рельс енімен). АҚШ-та Солтүстік-Шығыс дәлізінің жаңа электрлендірілген бөліктерінде (мысалы, Нью-Хейвен – Бостон учаскесі), қалааралық жолаушылар желілерінде, Нью-Джерси Транзит қалалық желілерінде, Денвер RTD қалалық теміржолында және таңдамал оқшауланған қысқа желілерде. Сан-Франциско шығанағындағы Caltrain қазіргі уақытта электрлендіру жобасын жүргізуде, ол 2020 жылдың ортасында аяқталуы күтілуде.

50 немесе 60 Гц-те 20 кВ АЖ

Жапонияда бұл Тохоку аймағы, Хокурику аймағы, Хоккайдо және Кюсюдегі қолданыстағы темір жол желілерінде пайдаланылады, олардың ішінде Хокурику және Кюсюде жиілігі 60 Гц құрайды.

12,5 кВ АЖ 60 Гц

АҚШ-тағы кейбір желілер 12,5 кВ 60 Гц жиілігінде электрлендірілген немесе 11 кВ 25 Гц жиілігінен 12,5 кВ 60 Гц жиілігіне ауыстырылған. 60 Гц жиілігін пайдалану 60 Гц электр желісінен тікелей қуат алуға мүмкіндік береді, бірақ 25 кВ 60 Гц жиілігі үшін үлкен сым аралығын қажет етпейді және 11 кВ 25 Гц жиілігінде де жұмыс істейтін пойыздар үшін екі түрлі кернеуді де қажет етпейді. Мысалы: Метро Норт Темір жолының Нью-Хейвен желісі, Пелхам (Нью-Йорк штаты) мен Нью-Хейвен (Коннектикут штаты) арасында (1985 жылдан бері; бұрын 11 кВ 25 Гц жиілігінде болған).

6,25 кВ АЖ

Ұлыбританиядағы 50 Гц АЖ темір жолдарды электрлендірудің алғашқы кезеңінде, көпірлер мен туннельдер астындағы кеңістік шектеулі болғандықтан 6,25 кВ АЖ учаскелерін пайдалану жоспарланған. Жылжымалы құрам 25 кВ және 6,25 кВ арасында автоматты түрде ауысып, екі кернеуде жұмыс істеді. 6,25 кВ учаскелері, бастапқыда қажет деп есептелгендей, тірі және жерге қосылған жабдықтар арасындағы қашықтықты қысқартуға болатынын көрсеткен зерттеулер нәтижесінде 25 кВ АЖ-ға ауыстырылды. Зерттеу жұмысы Креудегі көпірдің астында паровозды пайдалану арқылы жүргізілді. 25 кВ әуе желісінің бір бөлігі локомотивтің түтінінен шыққан буға ұшыратылып, бірте-бірте көпірдің жерленген металл конструкциясына жақындатылды. Шығарылым болған қашықтық өлшенді және осы деректер әуе желісі жабдықтары мен құрылымдар арасындағы қашықтықтарды есептеу үшін негіз ретінде пайдаланылды.

50 кВ АЖ

Кейде 25 кВ кернеуі 50 кВ-қа дейін екі еселенеді, осы арқылы қуатты арттыруға және подстанциялар арасындағы қашықтықты ұлғайтуға болады. Мұндай желілер әдетте басқа желілерден оқшауланып, өзара әрекеттесуден туындайтын қиындықтарды болдырмау үшін жасалады. Мысалдар: Сишен-Салданха темір жолы (50 Гц). Deseret Power Railway – оқшауланған көмір темір жолы (60 Гц). Қазір жабық Black Mesa және Lake Powell темір жолы, ол да оқшауланған көмір темір жолы болған (60 Гц). Сондай-ақ, қазір жабық BC Rail темір жолының Tumbler Ridge бөлімшесі (60 Гц).

2 × 25 кВ автотрансформатор жүйесі

2 × 25 кВ автотрансформаторлық жүйе – пойызға 25 кВ қуат жеткізетін, бірақ энергия жоғалтуды азайту үшін 50 кВ қуатпен берілетін бөлінген фазалы электр қуат жүйесі. Оны 50 кВ жүйесімен шатастыруға болмайды. Бұл жүйеде ток негізінен рельстен емес, әуе желісі мен қоректендіру желісі арасында жүзеді. Әуе желісі (3) және қоректендіру желісі (5) қарама-қарсы фазаларда орналасқан, сондықтан олардың арасындағы кернеу 50 кВ, ал әуе желісі (3) мен жүріс рельсі (4) арасындағы кернеу 25 кВ құрайды. Периодтық автотрансформаторлар (9) кері токты нейтральді рельстен бұрып, кернеуін жоғарылатып, қоректендіру желісі арқылы жібереді. Бұл жүйе алғаш рет 1981 жылы Францияның жаңа Париж-Лион жоғары жылдамдықты теміржол желісінде қолданылды, содан кейін 1988 жылы Жаңа Зеландия теміржолы, Үндістан теміржолы, Ресей теміржолы, Италияның жоғары жылдамдықты теміржолы, Ұлыбританияның High Speed 1, Батыс жағалау магистралінің көп бөлігі және Crossrail, сондай-ақ ескі желілердің бір бөлігі біртіндеп жаңартылды, француз желілері (LGV желілері және басқа желілер), испанның көптеген жоғары жылдамдықты теміржол желілері, Amtrak және Финляндия мен Венгрияның кейбір желілерінде пайдаланылды.

Көтерілген кернеу

Францияда жоғары жылдамдықты ТЖЖ пойыздарының әлемдік рекордтық жүрісі кезінде кернеу уақытша 29,5 кВ және кейбір уақыттарда 31 кВ дейін арттырылды.

Көп жүйелі локомотивтер мен пойыздар

Бірнеше кернеуде жұмыс істей алатын пойыздар, мысалы 3 кВ/25 кВ, бұрыннан қолданылып келе жатқан технологиялар. Еуропадағы кейбір локомотивтер төрт түрлі кернеу стандартына қабілетті.