Лекция 07 · 2 ч · 6 разделов

Электроснабжение железных дорог

Комплекс устройств и схемы электроснабжения, системы тока и напряжение в контактной сети, тяговая сеть, устройство контактной подвески и опор, особенности верхнего строения пути на электрифицированных линиях

Лекция даёт представление о системе электроснабжения электрифицированной железной дороги: из каких частей она состоит, почему на отечественных дорогах применяются две системы тока — постоянного 3 кВ и однофазного переменного 25 кВ, 50 Гц, — как устроена контактная сеть и какие требования предъявляются к подвеске контактного провода. После лекции студент должен уметь объяснить назначение каждого элемента системы электроснабжения, назвать нормативные значения высоты подвески контактного провода и расстояний между тяговыми подстанциями и определить необходимое число тяговых подстанций на участке.

План

Комплекс устройств и общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги
Системы тока и величина напряжения в контактной сети
Тяговая сеть: контактная сеть, рельсовая сеть, питающие и отсасывающие линии
Устройство контактной сети: простая и цепная подвеска, компенсация натяжения, зигзаг
Параметры подвески контактного провода и материалы, опоры контактной сети
Секционирование контактной сети и электробезопасность

Термины Ключевые термины

Ниже перечислены основные понятия лекции. Полные определения доступны в разделе «Термины».

Электроснабжение железной дороги — комплекс устройств внешнего снабжения и тягового электроснабжения, обеспечивающих подачу энергии к электроподвижному составу.
Тяговая подстанция — устройство, преобразующее и распределяющее электрическую энергию для питания контактной сети и рельсовой цепи.
Тяговая сеть — контактная сеть, рельсовая сеть, питающие и отсасывающие провода.
Контактная сеть — совокупность проводов, конструкций и оборудования для передачи энергии от тяговых подстанций к токоприёмникам ЭПС.
Электротяговая сеть — часть системы электроснабжения, включающая контактную сеть, рельсовую цепь, питающие и отсасывающие линии.
Рельсовая сеть — ходовые рельсы со стыковыми электрическими соединителями; второй провод тяговой сети.
Питающая линия — линия, соединяющая распределительное устройство тяговой подстанции с контактной сетью.
Отсасывающая линия — линия, соединяющая рельсовую цепь с тяговой подстанцией и возвращающая тяговый ток.
Простая контактная подвеска — провод, свободно висящий между опорами; применяется на малодеятельных и деповских путях.
Цепная контактная подвеска — подвеска, в которой контактный провод крепится струнами к несущему тросу; применяется при высоких скоростях движения.
Анкерная опора — опора, к которой оттянуты концы контактного провода (и несущего троса); расстояние между анкерными опорами может достигать 800 м и более.
Грузовой компенсатор — устройство на анкерной опоре, поддерживающее постоянное натяжение провода при сезонных изменениях температуры.
Зигзаг контактного провода — смещение провода относительно оси пути у опор; нормальная величина ±300 мм, обеспечивает равномерный износ полозов токоприёмников.
Вынос контактного провода — смещение контактного провода относительно оси пути в пролёте между опорами.
Нейтральная вставка — участок контактной сети из нескольких последовательно включённых воздушных промежутков, разделяющий секции, которые недопустимо соединять; обязательна на переменном токе при питании смежных секций от разных фаз.
Анкерный участок — механически независимая часть контактной сети длиной до 1600 м, ограничивающая зону повреждения при обрыве проводов.
Токоприёмник — устройство электроподвижного состава, осуществляющее скользящий контакт с контактным проводом.
Блуждающие токи — токи, протекающие в земле вследствие невозможности полной изоляции рельсов от земли; вызывают электролиз и электрохимическую коррозию сооружений.
Дроссель-трансформатор — устройство, пропускающее тяговый ток в обход изолирующих стыков рельсовых цепей.
Стыковой соединитель — медный трос, привариваемый к головкам рельсов с наружной стороны колеи для уменьшения электрического сопротивления стыков.

1. Комплекс устройств и схема электроснабжения железных дорог

Электроснабжение электрифицированной железной дороги осуществляется устройствами внешнего снабжения и устройствами тягового электроснабжения. К устройствам внешнего снабжения относятся электростанции, районные подстанции, сети и линии передачи. К устройствам тягового электроснабжения — тяговые подстанции и тяговая сеть; тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактных и рельсовых проводов, питающих и отсасывающих линий.

Всю систему электроснабжения удобно делить на две части. Первичная часть включает устройства, подводящие электрическую энергию к тяговым подстанциям. Тяговая часть включает тяговые подстанции и электротяговую сеть; электротяговая сеть состоит из контактной сети, рельсовой цепи, питающих и отсасывающих линий. Система тягового электроснабжения в сочетании с парком электроподвижного состава (ЭПС) образует систему электрической тяги — постоянного или переменного тока.

Общая схема электроснабжения включает следующие элементы: тепловую электростанцию, гидроэлектростанцию и атомную электростанцию; районную трансформаторную подстанцию; районную линию высокого напряжения; тяговую подстанцию; питающую линию; контактную сеть; линию, связывающую энергосистемы; отсасывающую линию. Электроэнергия на ЭПС поступает от контактного провода, а возвращается на тяговую подстанцию по рельсовой цепи.

Для повышения эффективности использования электрические станции и районные трансформаторные подстанции соединяются между собой линиями электропередачи, образуя районные энергосистемы, которые объединяются в Единую энергосистему России — это обеспечивает высокую надёжность снабжения.

Железные дороги относятся к потребителям 1-й высшей категории: нарушение их электроснабжения связано с опасностью для жизни людей и со сбоями в движении поездов. Такие потребители должны получать электрическую энергию от двух независимых источников. В отдельных случаях допускается питание тяговых подстанций от одного источника по двум одноцепным линиям электропередачи или по одной двухцепной линии.

2. Системы тока и величина напряжения в контактной сети

На отечественных электрифицированных железных дорогах применяются две системы электроснабжения:

постоянного тока с номинальным напряжением 3 кВ;
однофазного переменного тока с напряжением 25 кВ стандартной частоты 50 Гц.

В мире известны и другие системы: постоянного тока напряжением 1,2; 1,5 и 3 кВ (около половины электрифицированных дорог мира) и однофазного переменного тока пониженной частоты 25 или 16,67 Гц, которая применяется в Германии, Швеции, Норвегии, США и ряде других стран. При системе постоянного тока трёхфазный переменный ток, поступивший в линию электропередачи, преобразуется в постоянный ток на тяговых подстанциях и через контактную сеть подаётся непосредственно к тяговым электродвигателям: электровозы при этом сравнительно просты по конструкции и обеспечивают хорошую тяговую характеристику. При системе переменного тока 25 кВ преобразование переменного тока в постоянный производится на самом электровозе. Система пониженной частоты требует специальных электростанций пониженной частоты или дорогостоящих преобразовательных подстанций; в России она не применяется.

Напряжение на токоприёмниках. В обычных условиях при номинальном напряжении в сети 3 кВ напряжение на токоприёмниках допускается не ниже 2,7 кВ и не более 4 кВ; при номинальном напряжении 25 кВ — не ниже 21 кВ и не более 29 кВ.

При эксплуатации всегда стремятся обеспечить необходимый уровень напряжения на токоприёмниках электроподвижного состава и возможно меньшие потери энергии в тяговой сети, так как от этого зависит скорость движения поездов. Если напряжение на токоприёмнике окажется ниже допустимого минимума, поезд потеряет скорость, а в пределе может «встать» на подъёме.

Две системы тока определили и различия в расстоянии между тяговыми подстанциями:

на дорогах постоянного тока расстояние между тяговыми подстанциями составляет в среднем 15–20 км, а в отдельных случаях — 7–10 км;
на дорогах переменного тока это расстояние увеличивается до 40–60 км, а количество подстанций соответственно сокращается.

Дело в том, что при низком напряжении 3 кВ передать ту же мощность W = U·I можно только за счёт большой силы тока I. Чтобы напряжение не оказалось меньше допускаемого минимума, подстанции приходится располагать часто — иначе растут потери энергии и падает напряжение на токоприёмниках. При системе 25 кВ передаётся та же мощность при значительно меньшей силе тока: сечение проводов контактной сети уменьшается примерно в 2 раза, а подстанции можно размещать через 40–60 км.

3. Тяговая сеть и устройство контактной сети

Тяговая сеть состоит из контактной и рельсовой сетей, питающих и отсасывающих проводов. Рельсовая сеть — это ходовые рельсы, которые имеют стыковые электрические соединения; она служит вторым проводом, замыкающим электрическую цепь локомотива с подстанцией. Контактная сеть магистральных и пригородных электрических дорог — это совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприёмникам электроподвижного состава. Питающие и отсасывающие линии соединяют распределительные устройства тягового тока подстанций соответственно с контактной сетью и рельсовой цепью.

К конструкции и содержанию устройств контактной сети предъявляются три основных требования: надёжность обеспечения ЭПС электрической энергией; обеспечение необходимого уровня напряжения на токоприёмниках и возможно меньших потерь энергии в тяговой сети; обеспечение безопасности потребления электрической энергии.

Воздушные контактные сети делятся на простые и цепные. Простая контактная подвеска представляет собой провод, свободно висящий между местами подвеса на опорах; она применяется при сравнительно небольших скоростях движения, на деповских и второстепенных станционных путях. Цепная контактная подвеска применяется при высоких скоростях движения: провод висит в пролёте между опорами на часто расположенных проводах-струнах, которые соединены с несущим тросом; контактный провод и несущий трос изолируются от опор изоляторами.

Компенсация натяжения. Для уменьшения величины стрелы провеса при сезонном изменении температуры оба конца контактного провода, а иногда и несущего троса, оттягивают к опорам, называемым анкерными, и через систему блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы. Расстояние между анкерными опорами устанавливается с учётом допустимого натяжения контактного провода и может достигать 800 м и более. В зависимости от способа регулирования натяжения проводов контактная подвеска бывает некомпенсированной (провод и трос закреплены жёстко; применяется на второстепенных путях при скорости до 50 км/ч), полукомпенсированной (устройствами регулирования натяжения снабжён только контактный провод; удовлетворительный токосъём при скорости 120–130 км/ч) и компенсированной (общие или отдельные компенсаторы для несущего троса и контактного провода; скорость 160–180 км/ч).

Цепные контактные подвески имеют разновидности по способу подвешивания провода к несущему тросу, по типу опорных струн и фиксаторов, по системе регулирования натяжения проводов. По взаимному расположению проводов в плане различают подвески вертикальную (провода в одной вертикальной плоскости; применяется на кривых), полукосую (отклонение контактного провода от несущего троса до 0,3 м; на прямых участках) и косую (провода отклоняются в разные стороны; на участках с сильными ветрами).

4. Параметры контактного провода, опоры и секционирование

Равномерность износа. Для обеспечения равномерного истирания контактных пластин или угольных вставок полозов токоприёмников по длине контактный провод располагают со смещением относительно оси пути. Смещение у опор называется зигзагом, а смещения в пролёте — выносами. Величина нормального зигзага составляет ±300 мм. Без зигзага полоз токоприёмника изнашивался бы в одной точке, и его пришлось бы часто заменять.

Материал контактных проводов. Контактные провода изготавливают из твёрдотянутой электролитной меди и её сплавов. Наиболее распространены медные фасонные провода МФ сечением 100 и 150 мм², применяемые на главных путях станций и перегонах; на остальных станционных путях, где нагрузка меньше, применяют провод МФ-85 сечением 85 мм². При интенсивном движении поездов могут подвешиваться рядом два контактных провода. Специальный фасонный профиль поперечного сечения позволяет крепить провод специальными зажимами. Медь выбрана потому, что она обладает малым удельным сопротивлением и высокой механической прочностью на разрыв — провод должен одновременно хорошо проводить ток и выдерживать большое натяжение.

Опоры контактной сети бывают железобетонные и металлические. Чаще применяют более дешёвые железобетонные опоры высотой до 15,6 м, хотя установка их сложнее из-за более хрупкого верхнего слоя бетона и они значительно тяжелее металлических. По назначению и характеру воспринимаемых механических нагрузок опоры делятся на промежуточные, переходные, анкерные и фиксирующие. По конструкции различают консольные опоры (на однопутных и двухпутных участках), опоры с жёсткой поперечной (ригельные) на многопутных участках и станциях и опоры с гибкой поперечной (тросовой) на станциях при большом числе путей.

Секционирование. Для надёжной работы и удобства обслуживания контактную сеть делят на отдельные участки (секции) с помощью воздушных промежутков и нейтральных вставок (изолирующих сопряжений), а также секционных и врезных изоляторов. При проходе электроподвижного состава по воздушному промежутку токоприёмник кратковременно соединяет электрически обе секции контактной сети; если по условиям питания секций это недопустимо, их разделяют нейтральной вставкой, состоящей из нескольких последовательно включённых воздушных промежутков. Применение нейтральных вставок обязательно на участках переменного тока, когда смежные секции питаются от разных фаз трёхфазного тока. Длина нейтральной вставки устанавливается с таким расчётом, чтобы при любых комбинациях поднятых токоприёмников полностью исключалось одновременное замыкание контактных проводов нейтральной вставки с проводами прилегающих секций. Кроме того, чтобы ограничить зону повреждения контактной сети при обрыве проводов или повреждении опор, её разделяют на механически независимые части — анкерные участки длиной до 1600 м.

5. Особенности верхнего строения пути и электробезопасность на электрифицированных линиях

На электрифицированных железнодорожных линиях ходовые рельсы используют для пропуска тяговых токов, поэтому верхнее строение пути имеет ряд особенностей.

К головкам рельсов с наружной стороны колеи приваривают стыковые соединители из медного троса, вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление рельсовых стыков.
Применяют щебёночный балласт, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами, а зазор между подошвой рельса и балластом делают не менее 3 см.
Железобетонные шпалы изолируют от рельсов резиновыми прокладками; деревянные шпалы пропитывают креозотом, который защищает их от гниения и одновременно является хорошим изолятором.

Линии, оборудованные автоблокировкой и электрической централизацией, имеют изолирующие стыки, с помощью которых образуются отдельные блок-участки. Чтобы пропустить тяговые токи в обход изолирующих стыков, устанавливают дроссель-трансформаторы или частотные фильтры. Питающие и отсасывающие линии выполняют воздушными или кабельными.

Электробезопасность. Безопасность обслуживающего персонала и других лиц, а также защита от токов короткого замыкания обеспечивается заземлением всех устройств, которые могут оказаться под напряжением в случае поломок, обрыва провода или нарушения изоляции. Металлические опоры и конструкции (мосты, путепроводы, светофоры и другие), расположенные на расстоянии менее 5 м от контактной сети, должны быть заземлены или оборудованы устройствами защитного отключения.

Для снабжения электроэнергией линейных железнодорожных потребителей на опорах контактной сети дорог постоянного тока подвешивают специальную трёхфазную линию электропередачи напряжением 10 кВ. Кроме того, на этих опорах размещают провода телеуправления тяговыми подстанциями и постами секционирования, низковольтных осветительных и силовых линий.

Для предохранения подземных металлических сооружений от повреждения блуждающими токами улучшают их изоляцию от земли, а также применяют специальные меры защиты — анодные заземлители, катодные станции и другие.

Вглубь Вглубь: почему на железных дорогах применяют две системы тока

На первый взгляд две системы тока — постоянного 3 кВ и переменного 25 кВ — выглядят как исторический компромисс. На самом деле выбор определяется физикой передачи мощности и экономикой.

Мощность и ток. Мощность, передаваемая по контактной сети, равна произведению напряжения на силу тока: W = U·I. Мощность электровоза задана его тяговыми характеристиками и массой поезда — её нельзя уменьшить произвольно. Значит, при низком напряжении U неизбежно растёт ток I. Именно поэтому система постоянного тока 3 кВ вынуждает передавать большую мощность малым напряжением и большой силой тока.

Что происходит при большом токе. Потери энергии в проводе пропорциональны квадрату тока, а падение напряжения — первой степени тока. Чтобы удержать потери и падение напряжения в допустимых пределах, приходится: увеличивать площадь сечения контактной подвески или дополнительно подвешивать усиливающие провода; располагать тяговые подстанции часто — на постоянном токе через каждые 15–20 км, а в отдельных случаях через 7–10 км. И то и другое значительно удорожает устройства электроснабжения и увеличивает расход материалов, особенно меди. Зато электровоз постоянного тока получается простым: он получает из сети именно тот ток, который нужен тяговым двигателям, и не нуждается в преобразователях.

Что даёт повышение напряжения до 25 кВ. При переходе к однофазному переменному току напряжением 25 кВ передаётся та же мощность при значительно меньшей силе тока. Сечение проводов контактной сети уменьшается примерно в 2 раза, расстояние между тяговыми подстанциями увеличивается до 40–60 км, а их количество соответственно сокращается. Кроме того, все устройства и оборудование подстанций переменного тока (по сути, трансформаторные) размещаются на открытых площадках, что также уменьшает затраты по сравнению с подстанциями постоянного тока, где нужны мощные преобразовательные агрегаты. Именно поэтому в России переменный ток 25 кВ получил широкое распространение, а на переменном токе электрифицировано более половины электрифицированных линий.

Чем приходится платить. Выигрыш в капитальных затратах на сеть и подстанции оплачивается усложнением подвижного состава: электроподвижной состав переменного тока значительно сложнее и дороже, потому что на локомотиве приходится размещать устройства преобразования переменного тока в постоянный для питания тяговых электродвигателей. Второй существенный недостаток — электромагнитное влияние на металлические сооружения и коммуникации, расположенные вдоль путей: на них наводится опасное напряжение, а на воздушных линиях связи и автоматики возникают серьёзные помехи. Для защиты сооружений применяют усиление изоляции между рельсовой сетью и землёй, отсасывающие трансформаторы, каблирование воздушных линий, а воздушные линии заменяют на кабельные или радиорелейные. Мероприятия эти дороги: на них приходится до 25% общей суммы затрат на электрификацию линий.

Особый случай постоянного тока. У системы постоянного тока есть недостаток, которого лишён переменный ток: полярность. Рельсы практически невозможно полностью изолировать от земли, поэтому из-за разности потенциалов между рельсами и землёй, а также между металлическими элементами искусственных сооружений и землёй возникают блуждающие токи и электролиз — электрохимическая коррозия. В результате уменьшается срок службы рельсов и сооружений: арматуры железобетонных конструкций, мостов, эстакад. Чтобы избежать разрушения, приходится применять защитные меры — анодные заземлители, катодные станции и другие.

Вывод. Обе системы имеют свою область применения, и окончательный выбор определяется конкретными условиями: размерами движения, профилем линии, наличием энергосистем, стоимостью подвижного состава и мероприятий по защите сооружений. Именно поэтому единой системы тока на сети нет, а эксплуатируются обе.

Вглубь Вглубь: почему контактный провод подвешивают с зигзагом

Казалось бы, контактный провод логично расположить строго по оси пути: токоприёмник движется по оси, и провод должен быть над ним. На практике провод подвешивают с систематическим смещением — зигзагом у опор и выносами в пролёте, с нормальной величиной зигзага ±300 мм. Причина — износ.

Как работает токосъём. Токоприёмник электровоза скользит по контактному проводу специальной контактной пластиной или угольной вставкой, которая имеет определённую ширину. Если провод идёт строго по одной линии, полоз изнашивается по узкой полосе — в одной точке по всей длине. Износ концентрируется, образуется жёлоб, вставку приходится менять часто, а сам провод в месте контакта истирается неравномерно.

Что даёт зигзаг. Смещая точки подвеса в противоположные стороны у соседних опор, получают провод, идущий вдоль пути ломаной линией. При этом точка контакта полоза непрерывно перемещается по ширине полоза: за пролёт она проходит от одного края к другому. Износ распределяется по всей рабочей поверхности, ресурс пластин и вставок растёт в разы. Это простая и дешёвая мера, дающая большой эксплуатационный эффект.

Цена зигзага. Провод, идущий под углом к оси пути, отклоняется от оптимального положения токоприёмника, поэтому зигзаг нормируется: слишком большой зигзаг приведёт к тому, что при боковом качании подвижного состава полоз выйдет за пределы контактного провода. Норма ±300 мм — компромисс между равномерностью износа и надёжностью токосъёма.

Связь с видом подвески. По взаимному расположению проводов в плане различают подвески вертикальную (провода в одной вертикальной плоскости — применяется на кривых, где зигзаг не нужен или невозможен), полукосую (отклонение контактного провода от несущего троса до 0,3 м, на прямых участках) и косую (провода отклоняются в разные стороны, на участках с сильными ветрами). В косой подвеске ветровая устойчивость выше именно потому, что провода разнесены в плане.

Типовая ошибка. Считать зигзаг дефектом подвески, подлежащим устранению. Наоборот: отсутствие зигзага — отклонение от нормы содержания контактной сети, ведущее к ускоренному износу полозов токоприёмников. Так же ошибочно путать зигзаг (смещение у опоры) и вынос (смещение в пролёте).

Вглубь Вглубь: почему высота подвески контактного провода ограничена с двух сторон

Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса нормируется не одним значением, а двумя пределами: не ниже 5750 мм на перегонах и станциях и не ниже 6000 мм на переездах, при максимальной высоте 6800 мм. Понимание причин этого «коридора» объясняет и требования к содержанию контактной сети.

Почему есть нижний предел. Высота 5750 мм — минимально допустимое расстояние от контактного провода до верха головки рельса на перегонах и станциях. Оно определяется габаритом подвижного состава и высотой подъёма токоприёмника: провод должен быть надёжно доступен для токоприёмника даже при максимальном подъёме и при просадке пути, но при этом не задевать за элементы подвижного состава и не создавать опасности для людей, находящихся на путях. На переездах, где под контактным проводом проезжает автотранспорт с высокими грузами, предел жёстче — не ниже 6000 мм: расчёт идёт по габариту автотранспорта, проезжающего через переезд.

Почему есть верхний предел. Максимальная высота 6800 мм ограничена возможностями токоприёмника: полоз должен прижиматься к проводу с определённым усилием, а конструкция токоприёмника имеет конечный ход подъёма. Слишком высоко подвешенный провод токоприёмник либо не достанет, либо будет прижат недостаточно — начнётся отрыв полоза и электрическая дуга. Кроме того, с высотой растёт длина поддерживающих конструкций и стоимость опор и ригелей.

Как укладываются в «коридор». Провод висит между точками подвеса; при изменении температуры он удлиняется и провисает, а стрела провеса меняет его высоту. Именно поэтому применяют грузовые компенсаторы на анкерных опорах: они поддерживают натяжение провода постоянным, и стрела провеса при сезонных колебаниях температуры меняется мало. Без компенсации летом провод провисал бы ниже допустимого минимума, а зимой натягивался бы и поднимался выше допустимого максимума. Отсюда и деление подвесок на некомпенсированные, полукомпенсированные и компенсированные с соответствующими ограничениями по скорости движения.

Практический вывод. Нормативная высота подвески — величина, которую проверяют при осмотрах контактной сети и после ремонтов пути: подъёмка пути в плановом ремонте, устройство переезда или укладка новых типов балласта меняют фактическую высоту провода над головкой рельса и могут вывести её за пределы допустимого коридора.

Типовая ошибка. Называть одно число как «нормативную высоту подвески». Правильный ответ содержит три значения: не ниже 5750 мм на перегонах и станциях, не ниже 6000 мм на переездах, максимальная — 6800 мм.

Вглубь Вглубь: разбор типовых ошибок по теме электроснабжения

Ниже собраны ошибки, наиболее часто встречающиеся в ответах и тестовых заданиях по теме.

Смешение напряжения и расстояния между подстанциями. Опорная пара значений: постоянный ток — 3 кВ и подстанции через 15–20 км; переменный ток — 25 кВ, 50 Гц и подстанции через 40–60 км. Ошибка — приписать переменному току частое расположение подстанций, а постоянному — редкое.
Забытая частота. Систему переменного тока нужно называть полностью: однофазный переменный ток напряжением 25 кВ стандартной частоты 50 Гц.
Неверная высота подвески. Правильно: не ниже 5750 мм на перегонах и станциях, не ниже 6000 мм на переездах, максимум 6800 мм. Частая ошибка — назвать 6000 мм общей нормой или указать только одно значение.
Материал контактного провода. Контактный провод — медный (твёрдотянутая электролитная медь, провода марок МФ), а не стальной и не алюминиевый. Алюминий легче, но имеет меньшую механическую прочность и хуже работает на истирание.
Материал опор. Наиболее распространены железобетонные опоры (высота до 15,6 м); металлические применяются реже, например для гибких поперечин.
Роль рельсов. На электрифицированных линиях рельсы — не только направляющая для колёс, но и второй провод тяговой сети, по которому тяговый ток возвращается на подстанцию. Отсюда приварка медных стыковых соединителей, щебёночный балласт, зазор не менее 3 см, изоляция железобетонных шпал и дроссель-трансформаторы.
Путаница между простой и цепной подвеской. Простая подвеска — провод свободно висит между опорами, применяется на малодеятельных путях и деповских путях; цепная — провод подвешен на струнах к несущему тросу, применяется при высоких скоростях на магистральных линиях.
Неверная трактовка зигзага. Зигзаг ±300 мм — нормальное проектное решение для равномерного износа полозов, а не дефект.
Забытая категория потребителя. Железные дороги — потребители 1-й высшей категории, питание от двух независимых источников; утверждение «допускается питание от одного источника без ограничений» неверно.
Смешение недостатков двух систем. Электролиз и коррозия сооружений от блуждающих токов — недостаток постоянного тока; электромагнитное влияние на линии связи и автоматики — недостаток переменного тока 25 кВ.

Универсальный приём самопроверки: для любого нормативного числа уточните, к какой системе тока и к какому месту (перегон, станция, переезд) оно относится. Большинство ошибок в этой теме — ошибки «привязки» значения, а не его величины.

Пример Пример: расчёт числа тяговых подстанций и потерь в контактной сети

Условие. Электрифицированная линия длиной L = 180 км. Требуется определить необходимое число тяговых подстанций и среднее расстояние между ними для двух вариантов системы тока — постоянного 3 кВ и переменного 25 кВ.

Вариант 1. Постоянный ток 3 кВ. Среднее расстояние между тяговыми подстанциями принимаем l₁ = 18 км (норма 15–20 км). Число перегонов между подстанциями: n₁ = L / l₁ = 180 / 18 = 10. Число тяговых подстанций на линии равно числу интервалов плюс одна: N₁ = 10 + 1 = 11 подстанций.

Вариант 2. Переменный ток 25 кВ. Среднее расстояние принимаем l₂ = 50 км (норма 40–60 км). Число интервалов: n₂ = 180 / 50 = 3,6, округляем до 4. Число тяговых подстанций: N₂ = 4 + 1 = 5 подстанций, фактическое среднее расстояние 180 / 4 = 45 км.

Сравнение. Переход с постоянного на переменный ток сокращает число тяговых подстанций с 11 до 5, то есть более чем в 2 раза. Дополнительно сечение проводов контактной подвески уменьшается примерно в 2 раза, а оборудование подстанций переменного тока размещается на открытых площадках, что удешевляет строительство.

Оценка потерь. Мощность, передаваемая по контактной сети, определяется как W = U·I. При одинаковой передаваемой мощности и напряжении 3 кВ сила тока в контактной сети оказывается примерно в 8,3 раза больше, чем при 25 кВ (25 / 3 ≈ 8,3). Поскольку потери пропорциональны квадрату тока, при прочих равных условиях они возрастают многократно — именно поэтому на постоянном токе приходится увеличивать сечение проводов, подвешивать усиливающие провода и часто располагать подстанции.

Вывод. Для линии 180 км система переменного тока 25 кВ требует 5 тяговых подстанций против 11 при постоянном токе 3 кВ. Однако окончательный выбор системы тока определяется комплексно: размерами движения, профилем пути, наличием энергосистем, стоимостью электроподвижного состава (на переменном токе он сложнее и дороже) и затратами на защиту сооружений и линий связи от электромагнитного влияния, которые достигают 25% общей суммы затрат на электрификацию.

Пример Порядок действий: проверка состояния контактной сети перед пропуском поезда повышенной скорости

Ниже приведён практический порядок проверки параметров контактной сети — он применим и при приёмке участка после ремонта, и при подготовке к пропуску поездов с повышенными скоростями.

1. Проверить высоту подвески контактного провода. Измерить высоту над уровнем верха головки рельса: на перегонах и станциях — не ниже 5750 мм, на переездах — не ниже 6000 мм, максимальная высота — 6800 мм.
2. Проверить зигзаг и выносы. Убедиться, что у опор зигзаг составляет ±300 мм и сохраняется знак зигзага относительно оси пути; проверить величину выносов в пролёте.
3. Проверить состояние компенсации натяжения. Грузовые компенсаторы на анкерных опорах должны быть в рабочем положении, натяжение контактного провода и несущего троса — соответствовать расчётному; расстояние между анкерными опорами не должно превышать допустимого.
4. Проверить состояние струн и фиксаторов. Все струны должны быть на месте и натянуты, фиксаторы — удерживать контактный провод в заданном положении в плане.
5. Проверить изоляцию и секционирование. Убедиться в исправности секционных и врезных изоляторов, воздушных промежутков и нейтральных вставок; на участках переменного тока нейтральные вставки обязательны при питании смежных секций от разных фаз.
6. Проверить заземление металлических конструкций. Все металлические опоры и конструкции, расположенные на расстоянии менее 5 м от контактной сети, должны быть заземлены или оборудованы устройствами защитного отключения.
7. Проверить состояние рельсовой сети. Стыковые медные соединители должны быть приварены к головкам рельсов с наружной стороны колеи; зазор между подошвой рельса и балластом — не менее 3 см; железобетонные шпалы изолированы от рельсов резиновыми прокладками; в местах изолирующих стыков установлены дроссель-трансформаторы или частотные фильтры.
8. Оценить влияние на устройства СЦБ и связи. Проверить работу рельсовых цепей в условиях тягового тока и отсутствие помех на линиях связи и автоматики; при необходимости убедиться в работоспособности защитных устройств.

Контрольная точка. Наиболее частая причина отклонения параметров контактной сети после путевых работ — изменение высоты головки рельса. Подъёмка пути при ремонте уменьшает фактическую высоту провода над рельсом, а срезка балласта — увеличивает; в обоих случаях требуется проверка соответствия нормативному коридору 5750–6800 мм.

Нормативы Нормативная база темы

Основные документы:

Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ), утверждённые приказом Минтранса России от 23.06.2022 № 250; Приложение № 4 «Техническая эксплуатация сооружений и устройств технологического электроснабжения железнодорожного транспорта».
Инструкция по сигнализации на железнодорожных путях Российской Федерации (ИСИ) — в части обозначения нейтральных вставок и оповестительных знаков.
Федеральный закон от 10.01.2003 № 17-ФЗ «О железнодорожном транспорте в Российской Федерации».
Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог и правила технического содержания контактной сети (нормативные документы ОАО «РЖД» по электроснабжению).

Ключевые нормы, приведённые в лекции:

Системы тока и напряжение в контактной сети: постоянный ток — 3 кВ; однофазный переменный ток — 25 кВ стандартной частоты 50 Гц.
Напряжение на токоприёмниках: при 3 кВ — не ниже 2,7 кВ и не более 4 кВ; при 25 кВ — не ниже 21 кВ и не более 29 кВ.
Расстояние между тяговыми подстанциями: постоянный ток — в среднем 15–20 км (в отдельных случаях 7–10 км); переменный ток — 40–60 км.
Уменьшение сечения проводов контактной сети при переходе на 25 кВ — примерно в 2 раза.
Высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса: на перегонах и станциях — не ниже 5750 мм, на переездах — не ниже 6000 мм, максимальная — 6800 мм.
Величина нормального зигзага контактного провода — ±300 мм.
Расстояние между анкерными опорами — до 800 м и более; длина анкерного участка — до 1600 м.
Материал контактных проводов — твёрдотянутая электролитная медь; распространённые сечения 85, 100 и 150 мм²; опоры — преимущественно железобетонные высотой до 15,6 м.
Зазор между подошвой рельса и балластом на электрифицированных линиях — не менее 3 см; линия 10 кВ на опорах контактной сети постоянного тока.
Категория потребителей — 1-я высшая, питание от двух независимых источников; заземление металлических конструкций, расположенных ближе 5 м от контактной сети.

Задание Домашнее задание

Вопросы для самопроверки.

Какие две системы электроснабжения применяются на отечественных электрифицированных дорогах и каково номинальное напряжение каждой из них?
В каких пределах допускается напряжение на токоприёмниках при номинальном напряжении 3 кВ и при 25 кВ?
Какова минимальная высота подвески контактного провода над уровнем верха головки рельса на перегоне, на переезде и какова максимальная высота?
Зачем контактный провод подвешивают с зигзагом ±300 мм и что произойдёт с полозом токоприёмника, если зигзаг убрать?

Задача. Электрифицированная линия имеет длину L = 240 км. Среднее расстояние между тяговыми подстанциями примем 20 км для системы постоянного тока 3 кВ и 48 км для системы однофазного переменного тока 25 кВ, 50 Гц. Определите необходимое число тяговых подстанций и фактическое среднее расстояние между ними для каждого варианта, а также оцените, во сколько раз сила тока в контактной сети и потери в ней больше на постоянном токе при равной передаваемой мощности.

Ответ: при 3 кВ — 240 / 20 = 12 интервалов, N = 13 подстанций; при 25 кВ — 240 / 48 = 5 интервалов, N = 6 подстанций (среднее 48 км); сила тока больше в 25 / 3 ≈ 8,3 раза, потери, пропорциональные квадрату тока, — примерно в 69 раз.

Письменное задание.

Составьте сравнительную характеристику двух систем тока — постоянного 3 кВ и однофазного переменного 25 кВ, 50 Гц — в виде маркированного списка по признакам: напряжение в контактной сети, сила тока при равной мощности, сечение проводов контактной подвески, расстояние между тяговыми подстанциями, оборудование подстанций, сложность электроподвижного состава, потери энергии в тяговой сети. Закончите выводом, почему выбор системы тока делается комплексно.

Литература к теме.

ПТЭ, Приложение № 4 «Техническая эксплуатация сооружений и устройств технологического электроснабжения железнодорожного транспорта».
Нормативные документы ОАО «РЖД» по техническому содержанию и ремонту контактной сети и устройств тягового электроснабжения.
Ефименко Ю.И. Железные дороги. Общий курс: учебник. — СПб., 2013. — 503 с.
Ефименко Ю.И., Уздин М.М., Ковалев В.И., Логинов С.И. Железные дороги. Общий курс. — СПб.: Выбор, 2002. — 367 с. (с. 6–12, 18–22, 25–30, 35–39)
Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, утверждённые приказом Минтранса России от 23.06.2022 № 250

Термины Термины лекции

Электроснабжение электрифицированной железной дороги: Комплекс устройств внешнего снабжения (электростанции, районные подстанции, сети и линии передачи) и тягового электроснабжения (тяговые подстанции и тяговая сеть), обеспечивающих подачу электрической энергии к электроподвижному составу.
Тяговая подстанция: Устройство, преобразующее и распределяющее электрическую энергию для питания контактной сети и рельсовой цепи; на постоянном токе включает преобразовательные агрегаты, на переменном токе выполняется трансформаторной с размещением оборудования на открытых площадках.
Тяговая сеть: Часть системы тягового электроснабжения, состоящая из контактных и рельсовых проводов, питающих и отсасывающих линий.
Контактная сеть: Совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической энергии от тяговых подстанций к токоприёмникам электроподвижного состава.
Рельсовая сеть: Ходовые рельсы, имеющие стыковые электрические соединители; служит вторым проводом, замыкающим электрическую цепь локомотива с тяговой подстанцией.
Питающая линия: Линия, соединяющая распределительное устройство тягового тока тяговой подстанции с контактной сетью; выполняется воздушной или кабельной.
Отсасывающая линия: Линия, соединяющая рельсовую цепь с тяговой подстанцией и обеспечивающая возврат тягового тока.
Система постоянного тока 3 кВ: Система электроснабжения, при которой трёхфазный переменный ток преобразуется в постоянный на тяговых подстанциях и подаётся в контактную сеть напряжением 3 кВ; расстояние между подстанциями 15–20 км.
Система однофазного переменного тока 25 кВ: Система электроснабжения с номинальным напряжением 25 кВ стандартной частоты 50 Гц, при которой преобразование тока для тяговых двигателей производится на самом электровозе; расстояние между подстанциями 40–60 км.
Простая контактная подвеска: Контактный провод, свободно висящий между местами подвеса на опорах; применяется при сравнительно небольших скоростях движения, на деповских и второстепенных станционных путях.
Цепная контактная подвеска: Подвеска, в которой контактный провод висит в пролёте на часто расположенных струнах, соединённых с несущим тросом; применяется при высоких скоростях движения на электрифицированных железных дорогах.
Анкерная опора: Опора, к которой оттянуты концы контактного провода и несущего троса и через систему блоков и изоляторов подвешены грузовые компенсаторы; расстояние между анкерными опорами может достигать 800 м и более.
Грузовой компенсатор: Устройство, поддерживающее постоянное натяжение контактного провода (и несущего троса) при сезонных изменениях температуры и тем самым уменьшающее изменение стрелы провеса.
Зигзаг контактного провода: Смещение контактного провода относительно оси пути у опор; нормальная величина ±300 мм. Обеспечивает равномерное истирание контактных пластин токоприёмников по длине провода.
Вынос контактного провода: Смещение контактного провода относительно оси пути в пролёте между опорами.
Нейтральная вставка: Участок контактной сети, состоящий из нескольких последовательно включённых воздушных промежутков и разделяющий секции, одновременное соединение которых недопустимо; обязательна на участках переменного тока при питании смежных секций от разных фаз.
Анкерный участок: Механически независимая часть контактной сети длиной до 1600 м; разделение на анкерные участки ограничивает зону повреждения контактной сети при обрыве проводов или повреждении опор.
Контактный провод МФ: Медный фасонный контактный провод из твёрдотянутой электролитной меди сечением 85, 100 или 150 мм<sup>2</sup>, применяемый на контактной сети железных дорог.
Блуждающие токи: Токи, протекающие в земле из-за невозможности полной изоляции рельсов от земли (характерны для системы постоянного тока); вызывают электролиз и электрохимическую коррозию рельсов, арматуры железобетонных сооружений, мостов и эстакад.
Дроссель-трансформатор: Устройство, устанавливаемое в местах изолирующих стыков рельсовых цепей для пропуска тягового тока в обход стыка; применяется на линиях, оборудованных автоблокировкой и электрической централизацией.

Нормативы Нормативные документы

Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации, утверждённые приказом Минтранса России от 23.06.2022 № 250
ПТЭ, Приложение № 4 «Техническая эксплуатация сооружений и устройств технологического электроснабжения железнодорожного транспорта»
ПТЭ, Приложение № 1 «Техническая эксплуатация сооружений и устройств путевого хозяйства» (в части особенностей верхнего строения пути на электрифицированных линиях)
Инструкция по сигнализации на железнодорожных путях Российской Федерации (ИСИ) — в части обозначения нейтральных вставок и оповестительных знаков
Федеральный закон от 10.01.2003 № 17-ФЗ «О железнодорожном транспорте в Российской Федерации»
Нормативные документы ОАО «РЖД» по техническому содержанию и ремонту контактной сети и устройств тягового электроснабжения

Источники лекции (9)

лекции/ОКЖД л 4 сжд ЭЛЕКТРОСНАБЖНИЕ.ppt
черновики/Лекция 06 (16.10.2020).pdf (Система электроснабжения железных дорог, проф. О.Д. Покровская)
черновики/Т.1 Л.5.pptx (Тема 5. Система электроснабжения на железнодорожном транспорте)
черновики/Т.5 Л.1.pptx (электроподвижной состав: преобразование энергии и тяговая сеть)
лекции/Вопросы к зачёту ОКЖДТ.docx (вопросы 31–33: система электроснабжения, системы тока и напряжение, устройство контактной сети)
РП ОКЖД ПТМ 25.pdf (рабочая программа, лекция «Система электроснабжения на железнодорожном транспорте», 2 часа)
Ефименко Ю.И. Железные дороги. Общий курс: учебник. — СПб., 2013. — 503 с.
Ефименко Ю.И., Уздин М.М., Ковалев В.И., Логинов С.И. Железные дороги. Общий курс. — СПб.: Выбор, 2002. — 367 с. (с. 6–12, 18–22, 25–30, 35–39)
Нормы высоты подвески контактного провода (5750 / 6000 / 6800 мм), расстояние между тяговыми подстанциями (15–20 км и 40–60 км), напряжения 3 кВ и 25 кВ, 50 Гц приведены по извлечённым текстам лекций и презентаций со ссылкой на ПТЭ. Независимая сверка с официальным текстом ПТЭ в интернете не выполнена: веб-поиск в сессии недоступен (ошибка авторизации поискового шлюза), прямой запрос к справочным правовым системам текста документа не дал.