Электроснабжение электрифицированных железных дорог

Введение

Электрическая сеть для снабжения электрифицированных железнодорожных сетей.

Тяговая сеть, или сеть тягового питания, – это электрическая сеть для снабжения электрифицированных железнодорожных сетей. Отдельная тяговая сеть обычно устанавливается только в том случае, если на железной дороге используется переменный ток (AC) с частотой ниже, чем в национальной энергосистеме, например, в Германии, Австрии и Швейцарии. В качестве альтернативы, трехфазный переменный ток энергосистемы может быть преобразован на тяговых подстанциях с помощью ротационных трансформаторов или статических инверторов в напряжение и тип тока, необходимые для поездов. Этот метод всегда используется для железных дорог, работающих на постоянном токе (DC), а также для железных дорог, использующих однофазный переменный ток пониженной частоты, как, например, в Мекленбурге – Западной Померании, Саксонии-Анхальт, Норвегии и Швеции. В этих регионах тяговые сети отсутствуют.

История

Отдельное питание для тяги, отличное от промышленного, имеет исторические корни. Сегодня нет оснований использовать иные частоты или типы тока, чем для передачи электроэнергии и промышленного применения. Однако преимуществом тяги постоянным током была более простая передача электроэнергии по одиночным медным проводам к питательным пунктам. Преимуществом тяги переменным током является более простая передача на большие расстояния к питательным пунктам. Помимо этих параметров и сохранения прежних инвестиций, нет никаких оснований для сохранения различных схем электроснабжения в сетях.

Приложения

Специальные тяговые линии используются, когда железные дороги питаются низкочастотным переменным током (AC). Линия подачи тягового тока подключается к подстанциям вдоль железнодорожного пути и обычно прокладывается отдельно от контактного провода, от которого питаются локомотивы. В странах, где электропоезда работают от постоянного тока или однофазного переменного тока с частотой общей энергосистемы, необходимое преобразование тока выполняется на подстанциях, поэтому тяговые линии не требуются. Тяговые линии обычно не прокладываются параллельно железнодорожному пути, чтобы сократить их длину и избежать нежелательного влияния на электрическую систему вблизи железнодорожного пути; это также применяется к электроснабжению некоторых высокоскоростных железных дорог, работающих на переменном токе в Германии. Также возможно размещение тяговой подачи на специальных поперечных балках непосредственно на опорах контактной сети над контактным проводом. Поскольку опоры контактной сети имеют меньшее поперечное сечение, чем мачты тяговой подачи, поперечные балки не могут быть слишком широкими, поэтому стандартная схема расположения четырех проводников в одном уровне не может быть использована. В этом случае применяется двухъярусная схема, или, при наличии двух электрических цепей для двухпутных линий, опоры контактной сети в обоих направлениях оснащаются поперечными балками для собственной системы тягового тока, состоящей из двух проводников каждая. В густонаселенных районах существуют опоры, несущие цепи как для тягового тока, так и для трехфазного переменного тока общего назначения. Такие линии встречаются там, где ограничено пространство для прокладки линий. В частности, распространено параллельное размещение линий 110 кВ и 220 кВ трехфазного переменного тока. Использование линий электропередач 380 кВ на одной и той же опоре требует изоляторов 220 кВ для тяговой линии, поскольку в случае отказа линии 380 кВ могут возникать скачки напряжения вдоль тяговой линии, которые не выдержат изоляторы 110 кВ. Как правило, тяговые линии используют одиночные проводники, однако для электроснабжения железных дорог с интенсивным движением и, в частности, для высокоскоростных железнодорожных линий используются два пучка проводников.

Dedicated traction current lines are used when railways are supplied with low frequency alternating current (AC). The traction current supply line is connected to substations along the line of the railway and is usually run separately from the overhead catenary wire from which the locomotives are fed. In countries in which the electric trains run with direct current or with single phase alternating current with the frequency of the general power grid, the required conversion of the current is performed in the substations, so again no traction current lines are required. Traction current supply lines are not usually laid parallel to the railway line, in order to allow a shorter line length and to avoid unnecessary influences to the electrical system near the railway line; this also is applied to the current supply of some rapid transit railways operating with alternating current in Germany. It is also possible to lay out the traction current supply on special cross beams right on the overhead wire pylons above the catenary wire. Because the overhead line pylons have a smaller cross section than traction current supply masts, the cross beams cannot be too wide, so the standard arrangement of four conductor cables in one level cannot be used. In this case, a two level arrangement is used, or with two electric circuits for double railed lines the overhead line pylons for both directions are equipped with cross beams for their own traction current system of two conductor cables each. In densely populated areas, there are pylons which carry circuits for both traction current and for three phase alternating current for general power. Such lines are found where rights of way are rare. In particular the parallel route of 110 kV and 220 kV three phase AC is common. The use of 380 kV power lines on the same pylon requires 220 kV insulators for the traction current line, because in case the 380 kV line fails, voltage spikes can occur along the traction current line, which the 110 kV insulators cannot handle. As a rule, traction current lines use single conductors, however for the supply of railways with high traffic and in particular for the supply of high speed railway lines, two bundle conductors are used.

Австрия

Железная дорога Мариацель в Нижней Австрии работает на однофазном переменном токе с частотой 25 Гц. Эта железная дорога имеет собственные линии для подачи тягового тока с рабочим напряжением 27 кВ. Эти линии смонтированы на опорах контактной сети над токосъёмным проводом.

Германия

В Германии для тяговых линий обычно используются одиночные проводники, но для поездов ICE – два пучка проводников. Линии электроснабжения тягового тока от атомной электростанции Некарвестхайм до тяговой подстанции в Некарвестхайме и далее до центральной подстанции в Штутгарте, Зазенхаузен, выполнены в виде четырехпучковой схемы.

Скандинавия

В Швеции, Норвегии и некоторых районах бывшей Германской Демократической Республики трехфазный переменный ток преобразуется в однофазный переменный ток с частотой 16,7 циклов в секунду на тяговых подстанциях. В отличие от Западной Германии, здесь нет специализированных электростанций для питания железных дорог. Вся электроэнергия поступает от общих поставщиков электроэнергии. Хотя в этом регионе, как правило, нет необходимости в контактных линиях, в Центральной Швеции существует единая 132 кВ однофазная сеть переменного тока для электроснабжения железных дорог (см. Система электроснабжения железных дорог в Швеции). В Норвегии имеется небольшая 55 кВ однофазная сеть переменного тока для питания поездов в южной части страны, запитанная от электростанции Хакавик. Дополнительная электростанция в Кьофоссене подает однофазный переменный ток непосредственно на контактную сеть. В Дании и Финляндии частота 50 Гц используется для основных линий (при их электрификации), а электроэнергия поступает от общих поставщиков. Следовательно, для преобразования требуется значительно более простое оборудование, чем в Швеции и Норвегии.

Южная Африка

В Республике Южная Африка существуют обширные системы тяги переменного и постоянного тока, включая однофазные системы переменного тока 50 кВ и 25 кВ. Электрификация в Натале была стимулирована переходом системы Южно-Африканских железных дорог под управление Комиссии по электроснабжению (ныне Eskom), базирующейся на Коленсоской электростанции.

Великобритания

В Соединенном Королевстве система электрификации Network Rail на постоянном токе 750 В, расположенная на юго-востоке Англии, питается от разветвленной сети распределения электроэнергии 33 кВ.

Характеристики

Линии тягового тока используются для питания железнодорожных систем стран, использующих переменный ток с частотой ниже, чем в общественной электросети. Это типично для немецкоязычных стран Европы. Например, в Германии, Австрии и Швейцарии используется переменный ток частотой 16,7 Гц. Конкретным примером является узкоколейная железная дорога Mariazeller в Австрии, работающая на однофазном переменном токе с частотой 25 Гц и имеющая собственные линии тягового тока с рабочим напряжением 27 кВ. Эти линии крепятся к пилонам контактной сети над проводами. Напряжение, используемое для линий тягового тока, составляет 110 кВ в Германии и Австрии и 66 кВ или 132 кВ в Швейцарии. Линии тягового тока работают симметрично относительно земли. Например, в случае линий на 110 кВ каждый проводник имеет напряжение 55 кВ относительно земли. Заземление осуществляется на крупных подстанциях и тяговых электростанциях с использованием трансформаторов для компенсации тока утечки на землю. Как и для всех симметричных линий электропередач, на линиях тягового тока также имеются точки скрутки. Линия тягового тока для одной цепи обычно имеет два проводника. Поскольку большинство линий тягового тока имеют две электрические цепи, на пилонах обычно располагаются четыре проводника (в отличие от трехфазных линий переменного тока, количество проводников которых кратно трем).

Маршрутизация тяговых линий

Линии тягового тока обычно не прокладываются параллельно железнодорожному пути, чтобы минимизировать длину линии и избежать нежелательного влияния электрической системы вблизи железнодорожного пути. Однако существуют случаи, когда эта практика не соблюдается (например, электроснабжение некоторых линий скоростного транспорта, работающих на переменном токе в Германии). В таких случаях линии тягового тока прокладываются на специальные поперечные балки опор воздушных линий электропередачи над контактной сетью. Поскольку опоры воздушных линий имеют меньшее поперечное сечение, чем мачты тягового тока, эти поперечные балки должны быть достаточно узкими, поэтому стандартная для линий тягового тока схема расположения четырех проводников в один уровень невозможна. Если требуется четыре проводника, применяется двухъярусная схема расположения проводников. В качестве альтернативы, на двухпутных железнодорожных линиях опоры воздушных линий для обоих направлений движения оснащаются поперечными балками для системы тягового тока (два проводника). В густонаселенных районах, где ограничено пространство для размещения линий, часто встречаются опоры, несущие электрические цепи как для тягового тока, так и для трехфазного переменного тока. Последние могут быть 110 кВ, 220 кВ или, в некоторых случаях, 380 кВ. В таких случаях на линиях тягового тока должны использоваться изоляторы, способные выдерживать максимальное действующее напряжение между линиями. Линии тягового тока, как правило, выполняются в виде одиночных проводников. Для электроснабжения железных дорог с интенсивным движением и, в частности, для питания высокоскоростных линий, таких как немецкие поезда ICE (Inter City Express), используются проводники из двух пучков. Линии тягового тока от атомной электростанции в Некарвестхайме до тяговой подстанции в Некарвестхайме и от тяговой подстанции в Некарвестхайме до центральной подстанции в Штутгарте-Зазенхаузене выполнены в виде четырехпучковых проводников. Линии тягового тока всегда оснащаются заземляющим проводником. В некоторых случаях используются два заземляющих проводника: например, в Германии, когда линии тягового тока прокладываются на опорах совместно с трехфазным переменным током, как на линии к атомной электростанции в Некарвестхайме. Аналогично, в Австрии имеются линии тягового тока, оборудованные двумя заземляющими тросами.

Traction current lines are not usually laid parallel to the railway line, so as to minimise the line length and to avoid unnecessary influences of electrical system near the railway line. However, there are cases where this practice is not followed (for example, the current supply of some rapid transit railways operating with alternating current in Germany). In this case, the traction current line is laid on special cross beams of the overhead wire pylons above the overhead line. Because overhead line pylons possess a smaller cross section than traction current masts, these cross beams have to be quite narrow, so the arrangement of four conductor cables in one level, which is standard at traction current lines, cannot be used. Where four conductors are needed, one approach is to employ a two level arrangement of conductor cables. Alternatively, in cases of double tracked railway lines, the overhead line pylons for both driving directions are equipped with cross beams for the traction current system (two conductor cables). In densely populated areas, where rights of way are rare, it is common to find pylons which carry electric circuits for traction current as well as those for three phase alternating current. The latter can be 110 kV, 220 kV, or, in some cases, 380 kV three phase AC lines. In such cases, the traction current lines must use insulators which can cope with the maximum peak to peak voltage which can occur between the lines. Traction current lines are implemented as a rule as single leaders. For the supply of railways with much rail traffic and in particular for the power supply of high speed railway lines such as the German ICE (Inter City Express) trains, conductors of two bundles are used. The traction current lines from the nuclear power station at Neckarwestheim to the traction current switching station at Neckarwestheim, and from the traction current switching station at Neckarwestheim to the central substation in Stuttgart Zazenhausen are implemented as four bundle conductors. Traction current lines are always equipped with an earth conductor. In some cases, two earth conductors are used: for example in, Germany, in cases where the traction current line is carried on pylons together with three phase AC, like the line to the nuclear power station at Neckarwestheim. Similarly, in Austria there are some traction current lines equipped with two earth ropes.

Альтернативы тяговым линиям

В Швеции, Норвегии и некоторых районах бывшей ГДР трехфазный переменный ток из общей электросети преобразуется в однофазный переменный ток с частотой 16,7 Гц на подстанциях вблизи железнодорожных путей. В этих регионах отсутствуют тяговые линии. Также в странах, где электрические поезда работают на постоянном токе или на однофазном переменном токе с частотой общей энергосистемы, необходимое преобразование тока осуществляется на подстанциях, что позволяет обходиться без тяговых линий.