Стандарты электроснабжения железных дорог Центральной Европы

Введение

Стандартные параметры тока и напряжения для большей части железнодорожного транспорта Центральной Европы.

На железнодорожном транспорте в Германии, Австрии, Швейцарии, Швеции и Норвегии используется электрификация переменным током (AC) на 15 киловольт (kV) и 16,7 герц. Высокое напряжение обеспечивает передачу большой мощности, а более низкая частота снижает потери в тяговых двигателях, доступных в начале XX века. Железнодорожная электрификация в конце XX века все чаще использует системы переменного тока 25 кВ и 50 Гц, которые стали предпочтительным стандартом для новых линий, однако расширение существующих сетей 15 кВ вполне возможно. В частности, в Готтардском базовом тоннеле (открытом 1 июня 2016 года) по-прежнему используется электрификация 15 кВ, 16,7 Гц. Ввиду высоких затрат на модернизацию, существующие системы 15 кВ, 16,7 Гц вряд ли будут переведены на 25 кВ, 50 Гц, несмотря на то, что это позволило бы уменьшить вес бортовых понижающих трансформаторов в три раза.

История

Первые электрифицированные железные дороги использовали последовательно возбуждаемые двигатели постоянного тока, сначала на 600 В, а затем на 1500 В. В регионах с контактной сетью 3 кВ постоянного тока (преимущественно в Восточной Европе) использовались два последовательно возбуждаемых двигателя постоянного тока, соединенных последовательно. Но даже при 3 кВ ток, необходимый для питания тяжелого поезда (особенно в сельской и гористой местности), может быть избыточным. Хотя увеличение напряжения передачи снижает ток и связанные с ним резистивные потери при заданной мощности, ограничения по изоляции делают тяговые двигатели с более высоким напряжением непрактичными. Поэтому на каждом локомотиве требуются трансформаторы для понижения высокого напряжения передачи до рабочих напряжений двигателя. До разработки эффективных способов преобразования постоянного тока в переменный с помощью силовой электроники, эффективные трансформаторы строго требовали переменного тока (AC); таким образом, высоковольтные электрифицированные железные дороги перешли на переменный ток вместе с системой распределения электроэнергии (см. «Война токов»). Сеть переменного тока 50 Гц (60 Гц в Северной Америке) уже была создана в начале 20-го века. Хотя последовательно возбуждаемые двигатели в принципе могут работать как на переменном, так и на постоянном токе (поэтому их также называют универсальными двигателями), большие последовательно возбуждаемые тяговые двигатели испытывали проблемы с такими высокими частотами. Высокая индуктивная реактивность обмоток двигателя вызывала пробой коммутатора, а неламинированные полюсные наконечники, первоначально разработанные для постоянного тока, демонстрировали чрезмерные потери на вихревые токи. Использование более низкой частоты переменного тока облегчило обе проблемы. В странах немецкоговорящего региона электрификация высокого напряжения началась на частоте, ровно в три раза меньшей, чем частота национальной электросети 50 Гц. Это облегчило работу ротационных преобразователей от частоты сети и позволило специальным железнодорожным генераторам работать с той же частотой вращения, что и стандартный генератор 50 Гц, уменьшив количество пар полюсов в три раза. Например, генератор, вращающийся со скоростью 1000 об/мин, будет обмотан двумя парами полюсов вместо шести. Отдельные электростанции обеспечивают железнодорожную энергию в Австрии, Швейцарии и Германии, за исключением Мекленбург-Передней Померании и Саксонии-Анхальт; преобразователи, питаемые от сети, обеспечивают железнодорожную энергию в этих двух немецких землях, а также в Швеции и Норвегии. В Норвегии также есть две гидроэлектростанции, предназначенные для обеспечения железнодорожной энергией. Первые генераторы были синхронными генераторами переменного тока или синхронными трансформаторами; однако с появлением современных двойных индукционных генераторов управляющий ток вызывал нежелательный компонент постоянного тока, что приводило к перегреву полюсов. Это было решено путем незначительного смещения частоты от точно одной трети частоты сети; 16,7 Гц было произвольно выбрано, чтобы оставаться в пределах допуска существующих тяговых двигателей. Австрия, Швейцария и Южная Германия перевели свои электростанции на 16,7 Гц 16 октября 1995 года в 12:00 по центральноевропейскому времени. Следует отметить, что региональные электрифицированные участки, работающие на синхронных генераторах, сохраняют свою частоту, как и Швеция и Норвегия, которые по-прежнему используют свои железнодорожные сети на этой частоте. Одним из недостатков локомотивов 16,7 Гц по сравнению с локомотивами 50 Гц или 60 Гц является более тяжелый трансформатор, необходимый для снижения напряжения контактной сети до напряжения, используемого двигателями и их оборудованием для регулирования скорости. Низкочастотные трансформаторы должны иметь более тяжелые магнитные сердечники и более крупные обмотки для одного и того же уровня преобразования мощности. (См. влияние частоты на конструкцию трансформаторов.) Более тяжелые трансформаторы также приводят к более высоким осевым нагрузкам, чем для трансформаторов с более высокой частотой. Теоретически это приводит к увеличению износа пути и увеличению потребности в более частом обслуживании пути, в то время как на практике электрические локомотивы не должны быть слишком легкими, чтобы сохранить тяговое усилие на низких скоростях. Чешские железные дороги столкнулись с проблемой снижения мощности низкочастотных трансформаторов при переоборудовании некоторых локомотивов переменного тока 25 кВ, 50 Гц (серии 340) для работы на линиях переменного тока 15 кВ, 16,7 Гц. В результате использования тех же сердечников трансформаторов (первоначально разработанных для 50 Гц) на более низкой частоте трансформаторы пришлось де-номинировать до одной трети их первоначальной мощности, тем самым уменьшив доступное тяговое усилие на ту же величину (до примерно 1000 кВт). Эти недостатки, а также необходимость отдельной инфраструктуры питания и отсутствие каких-либо технических преимуществ с современными двигателями и контроллерами ограничили использование 16 2/3 Гц и 16,7 Гц за пределами первоначальных пяти стран. Большинство других стран электрифицировали свои железные дороги на частоте сети 50/60 Гц. Дания, несмотря на то, что граничит только с территорией 15 кВ, решила электрифицировать свои основные железнодорожные линии на 25 кВ, 50 Гц, и по другим причинам. Поскольку технически сложно и, следовательно, невыгодно обеспечивать высокоскоростное пассажирское сообщение на линиях постоянного тока 1,5 или 3 кВ, более новая европейская электрификация, в основном в Восточной Европе, в основном осуществляется на переменном токе 25 кВ, 50 Гц. Переход на это напряжение/частоту требует изоляторов с более высоким напряжением и большего зазора между проводами и мостами и другими сооружениями. Это теперь стандартно для новых контактных линий, а также для модернизации старых установок. Простое европейское объединение с согласованием напряжения/частоты по всей Европе не обязательно является экономически эффективным, поскольку трансграничное тяговое движение больше ограничено различными национальными стандартами в других областях. Оснащение электрического локомотива трансформатором для двух или более входных напряжений дешевле, чем стоимость установки нескольких систем защиты поездов и прохождения процедуры утверждения для получения доступа к железнодорожной сети в других странах. Однако некоторые новые высокоскоростные линии в соседние страны уже планируется строить на напряжение 25 кВ (например, в Австрии в Восточную Европу). Хотя новые локомотивы всегда оснащаются системами управления асинхронными двигателями, которые не имеют проблем с широким диапазоном входных частот, включая постоянный ток, необходимые дополнительные пантографы и проводка не всегда устанавливаются для предложения моделей с пониженной стоимостью, таких как Siemens Smartron. Аналогично, новые региональные пассажирские поезда, такие как Bombardier Talent 2, не сертифицированы для дополнительных систем электрификации. Несмотря на то, что Deutsche Bahn больше не использует старые модели из стандартной серии электрических локомотивов, многие небольшие частные железнодорожные компании все еще используют их, хотя некоторые из них уже 60 лет в эксплуатации. Даже по мере вывода из эксплуатации этих устаревших моделей объединение все равно может быть не проще. Между тем, Deutsche Bahn стремится заказывать подвижной состав, способный работать от нескольких систем электрификации, особенно грузовые локомотивы и высокоскоростные пассажирские поезда, поскольку они работают по всей Европе.

The first electrified railways used series wound DC motors, first at 600 V and then 1,500 V. Areas with 3 kV DC catenaries (primarily in Eastern Europe) used two 1,500 V DC motors in series. But even at 3 kV, the current needed to power a heavy train (particularly in rural and mountainous areas) can be excessive. Although increasing the transmission voltage decreases the current and associated resistive losses for a given power, insulation limits make higher voltage traction motors impractical. Transformers on each locomotive are thus required to step high transmission voltages down to practical motor operating voltages. Before the development of suitable ways to efficiently transform DC currents through power electronics, efficient transformers strictly required alternating current (AC); thus high voltage electrified railways adopted AC along with the electric power distribution system (see War of the currents). The 50 Hz (60 Hz in North America) AC grid was already established at the beginning of the 20th century. Although series wound motors can in principle run on AC as well as DC (the reason they are also known as universal motors) large series wound traction motors had problems with such high frequencies. High inductive reactance of the motor windings caused commutator flashover problems and the non laminated magnetic pole pieces originally designed for DC exhibited excessive eddy current losses. Using a lower AC frequency alleviated both problems. In the German speaking countries, high voltage electrification began at , exactly one third of the national power grid frequency of 50 Hz. This facilitated the operation of rotary converters from the grid frequency and allowed dedicated railway power generators to operate at the same shaft speed as a standard 50 Hz generator by reducing the number of pole pairs by a factor of three. For example, a generator turning at 1,000 [[Revolutions per minute would be wound with two pole pairs rather than six. Separate plants supply railway power in Austria, Switzerland and Germany, except for Mecklenburg Western Pomerania and Saxony Anhalt; converters powered by the grid supply railway power in those two German states plus Sweden and Norway. Norway also has two hydro electric power plants dedicated for railway power with output. The first generators were synchronous AC generators or synchronous transformers; however, with the introduction of modern double fed induction generators, the control current induced an undesired DC component, leading to pole overheating problems. This was solved by shifting the frequency slightly away from exactly one third of the grid frequency; 16.7 hertz was arbitrarily chosen to remain within the tolerance of existing traction motors. Austria, Switzerland and Southern Germany switched their power plants to 16.7 Hz on 16 October 1995 at 12:00 CET. Note that regional electrified sections run by synchronous generators keep their frequency of just as Sweden and Norway still run their railway networks at throughout. One of the disadvantages of 16.7 Hz locomotives as compared to 50 Hz or 60 Hz locomotives is the heavier transformer required to reduce the overhead line voltage to that used by the motors and their speed control gear. Low frequency transformers need to have heavier magnetic cores and larger windings for the same level of power conversion. (See effect of frequency on the design of transformers.) The heavier transformers also lead to higher axle loads than for those of a higher frequency. Theoretically, in turn, this leads to increased track wear and increases the need for more frequent track maintenance while in practice elelctric locomotives must not become too lightweight in order to preserve traction effort at low speeds. The Czech Railways encountered the problem of the reduced power handling of lower frequency transformers when they rebuilt some 25 kV AC, 50 Hz locomotives (series 340) to operate on 15 kV AC, 16.7 Hz lines. As a result of using the same transformer cores (originally designed for 50 Hz) at the lower frequency, the transformers had to be de rated to one third of their original power handling capability, thereby reducing the available tractive effort by the same amount (to around 1,000 kW). These drawbacks, plus the need for a separate supply infrastructure and the lack of any technical advantages with modern motors and controllers has limited the use of 16 2/3 Hz and 16.7 Hz beyond the original five countries. Most other countries electrified their railways at the utility frequency of 50/60 Hz. Denmark, despite bordering only 15 kV territory decided to electrify their mainline railways at 25 kV 50 Hz for that and other reasons. Because it is technically very challenging and therefore not cost effective to provide high speed passenger services on 1.5 or 3 kV DC lines, newer European electrification primarily in Eastern Europe is mostly 25 kV AC at 50 Hz. Conversion to this voltage/frequency requires higher voltage insulators and greater clearance between lines and bridges and other structures. This is now standard for new overhead lines as well as for modernizing old installations. Simple European unification with an alignment of voltage/frequency across Europe is not necessarily cost effective since trans border traction is more limited by the differing national standards in other areas. To equip an electric locomotive with a transformer for two or more input voltages is cheap compared to the cost of installing multiple train protection systems and to run them through the approval procedure to get access to the railway network in other countries. However, some new high speed lines to neighbouring countries are already intended to be built to 25 kV (e. g. in Austria to Eastern Europe). Although newer locomotives are always built with asynchronous motor control systems that have no problem with a range of input frequencies including DC, the required additional pantographs and wiring are not universally installed in order to offer cost reduced models like the Siemens Smartron. Likewise, newer regional passenger trainsets such as the Bombardier Talent 2 series are not certified for additional electrification systems. Despite the Deutsche Bahn train operator does not use older models from the standard electric locomotive series anymore, many smaller private rail companies do, though some are now as much as 60 years old. Even as these obsolescent models are decommissioned, it still may not be easier to unify. Meanwhile, the Deutsche Bahn tends to order rolling stock that are capable of running multiple electrification systems, especially freight locomotives and high speed passenger trainsets as these operate across Europe.

Распределительные сети

В Германии (за исключением Мекленбургской Западной Померании и Саксонии-Анхальт), Австрии и Швейцарии существует отдельная однофазная сеть распределения электроэнергии для питания железных дорог на частоте 16,7 Гц; напряжение составляет 110 кВ в Германии и Австрии и 132 кВ в Швейцарии. Эта система называется централизованным железнодорожным энергоснабжением. Отдельная однофазная распределительная сеть значительно упрощает рекуперацию энергии при торможении по сравнению с системой 25 кВ 50 Гц, подключенной к трехфазной распределительной сети. В Швеции, Норвегии, Мекленбурге – Западной Померании и Саксонии-Анхальт электроэнергия берется непосредственно из трехфазной сети (110 кВ при 50 Гц), преобразуется в однофазную низкочастотную и подается в контактную сеть. Эта система называется децентрализованным (то есть локальным) железнодорожным энергоснабжением.

Производство и конверсия

Централизованная система питается специальными электростанциями, которые генерируют переменный ток 110 кВ (или 132 кВ в швейцарской системе) с частотой 16,7 Гц, а также ротационными или преобразователями переменного тока в переменный ток, которые получают питание из национальной энергосети (например, 110 кВ, 50 Гц) и преобразуют его в переменный ток 55 ± 55 кВ (или 66 ± 66 кВ) с частотой 16,7 Гц. Нейтральная точка соединена с землей через индуктивность, благодаря чему каждый проводник однофазной линии переменного тока имеет напряжение 55 кВ (или 66 кВ) относительно потенциала земли. Это аналогично системам электроснабжения с разделенными фазами и обеспечивает сбалансированную передачу по линии. Индуктивность, используемая для заземления, предназначена для ограничения токов замыкания на землю при возникновении неисправностей на линии. На трансформаторных подстанциях напряжение понижается с 110 кВ (или 132 кВ) переменного тока до 15 кВ переменного тока, после чего энергия подается в воздушную линию.

Асинхронные преобразователи

Частота 16,7 Гц обусловлена необходимостью избегать синхронизма в элементах вращающейся машины, которая в основном состоит из трехфазного асинхронного двигателя и однофазного синхронного генератора. Поскольку синхронизм возникает при частоте (в соответствии с техническими характеристиками) в однофазной системе, частота централизованной системы была выбрана равной 16,7 Гц. Электростанции, обеспечивающие напряжение 110 кВ с частотой 16,7 Гц, либо предназначены для выработки именно этого однофазного переменного тока, либо оснащены специальными генераторами для этой цели, как, например, атомная электростанция Некарвестхайм или гидроэлектростанция Вальхензее.

Синхронные преобразователи

Энергия для децентрализованной системы поступает непосредственно из национальной энергосети и преобразуется в 15 кВ посредством синхронных или статических преобразователей. Обе системы требуют дополнительных трансформаторов. Преобразователи состоят из трехфазного синхронного двигателя и однофазного синхронного генератора. Децентрализованная система на северо-востоке Германии была создана Deutsche Reichsbahn в 1980-х годах, поскольку в этих районах не было доступной централизованной системы.

Объекты для электрификации железных дорог 15 кВ переменного тока в Германии, Австрии и Швейцарии

Германия, Австрия и Швейцария эксплуатируют крупнейшую взаимосвязанную систему переменного тока 15 кВ с централизованной генерацией, а также центральными и местными преобразовательными подстанциями. Однако существуют изолированные участки с альтернативными системами электрификации. Например, железная дорога Рюбеланд является крупнейшей линией переменного тока 25 кВ в Германии.

Норвегия

В Норвегии все электрифицированные железные дороги используют переменный ток 15 кВ с частотой 16 2/3 Гц (за исключением музейной железной дороги Тамшхавнбанен, использующей переменный ток 6,6 кВ с частотой 25 Гц). В Осло метро и трамваи используют постоянный ток 750 В.

Швеция

В Швеции большинство электрифицированных железных дорог используют переменный ток 15 кВ с частотой 16 2/3 Гц. Исключения составляют: Saltsjöbanan и Roslagsbanan (1,5 кВ постоянного тока), Стокгольмский метрополитен (650 В и 750 В постоянного тока) и трамвайные линии (750 В постоянного тока). Мост Эресунн, соединяющий Швецию и Данию, электрифицирован по датскому стандарту на 25 кВ; разделительный пункт находится на шведской стороне рядом с мостом. Через этот пункт могут проходить только два поезда с системой смены напряжения (или дизельные поезда, что бывает редко).