Какое напряжение Контактной Сети на железной дороге? Различие КС постоянного и переменного тока

В настоящее время РЖД использует два вида тока на электрифицированных участках железных дорог:

• Постоянный ток (DC) напряжением 3 000 Вольт;
• Переменный ток (AC) частотой 50 Гц и напряжением 27 000 Вольт.

На железных дорогах России еще исторически, и в наследие от Советского Союза, большинство участков пути для движения поездов являются электрифицированными. Длина путей, электрифицированных уже в наше время, неуклонно увеличивается, РЖД уже обеспечила полный переход на электровозную тягу Транссибирской магистрали, и теперь движение от Владивостока до Москвы осуществляется лишь за счет электрической энергии. Однако если попытаться проехать этот маршрут посредством тяги лишь одного единственного электровоза (за исключением двухсистемных электровозов), ничего из запланированного не получится. Такой локомотив просто встанет в местах смены действующего напряжения и тока в контактной сети.

Контактная сеть постоянного тока

Исторически сложилось так, что первые электровозы, несшие службу в Сурамском перевале СССР, были предназначены для питания постоянным напряжением до полутора тысяч Вольт. Соответственно вся транспортная инфраструктура создавалась под постоянное напряжение, и дальнейшая разработка электровозов велась также под систему питания DC, а далее уже созданная инфраструктура играла ведущую роль в формировании технических требований для локомотивостроительных предприятий. Тем временем железные дороги развивались и, если пренебречь исторической точностью, так как наш материал не про историю, Московская железная дорога с некоторым количеством других железных дорог СССР, преимущественно в центральноевропейском районе, обзавелись инфраструктурой для питания электроподвижного состава DC. Только вот напряжение с 1,5 кВольт было увеличено до 3 кВольт.

Такое повышение было сделано не с проста. Все дело в объемах перевозок, точнее в их постоянном росте. Развитие отраслей народного хозяйства требовали от железных дорог постоянного увеличения пассажиро- и грузо- потоков, и электровозы должны были перевозить все больший и больший вес, а для этого нужны высокие значения силы тока (I, Ампер).

Исходя из законов электротехники мы знаем, что электрическая мощность равна произведению I и действующего напряжения, для повышения мощности электровоза нам нужно либо повысить количество Вольт, либо количество Ампер, ну или и то и другое. При действующем напряжении даже 3000 Вольт I должна постоянно расти, а это приводит к повышенному нагреву проводов, а значит контактный провод должен быть достаточного сечения. А еще DC чувствителен к длине проводящей линии: чем расстояние больше, тем заметнее сопротивление проводника съедает часть полезного напряжения. А еще исходя из высоких показателей Ампер при пробуксовке колес локомотива высок риск локального нагрева в месте контакта токоприемника с контактным проводом, что может вызвать прогорание последнего. Также есть и значительное ограничение по количеству одновременно движущихся составов на участке, обслуживаемом одной электроподстанцией, так как она должна выдавать сумму и без того высоких токов.

Минусы контактной сети постоянного тока

DC для нужд железнодорожного движения обладает сплошными недостатками, и однозначно является менее пригодным вариантом. На сегодняшний день вся электрификация железных дорог осуществляется только AC, за исключением уже исторически сложившихся инфраструктур под DC. Со временем, я думаю, все железные дороги в России перейдут на переменный ток, но пока существует огромное количество единиц подвижного состава, а это и электровозы и электропоезда, заточенных под «постоянку», что делает экономически нецелесообразным переход на «переменку» на таких дорогах.

Если обобщить уже сказанное, то электрификация постоянным током имеет следующие минусы:

• Необходимость использования высоких значений I, для получения адекватной мощности;
• Требуется размещение электропитающих подстанций на расстоянии 50 километров друг от друга, ведь на больших расстояниях сопротивление контактного провода заметно снижает действующее напряжение, что сразу сказывается на мощности;
• Заметное снижение мощности на участках движения нескольких поездов, требующих высокой мощности;
• Дороговизна инфраструктуры, необходимость использования контактного провода с большим сечением;
• Высокое влияние токов Фуко на элементы инфраструктуры.

Из плюсов можно отметить лишь простоту устройства электроподвижного состава, простоту регулирования работы тяговых двигателей.

Контактная сеть переменного тока (AC)

Большинство железных дорог СССР, электрифицированных впервые после 1960-х годов, ну и современной России, работают на AC напряжением 27 кВольт промышленной частоты. Это очень удобное решение, когда электрическая энергия, получаемая на электростанциях в форме трехфазного переменного тока, пройдя простую трансформацию попадает непосредственно в контактную сеть. Таким образом из-за высокого напряжения итоговая мощность достигается меньшими значениями I, а также AC легко передавать на большие расстояния опять же из-за повышенного напряжения, а еще такой ток легко трансформировать. Однако устройство электроподвижного состава несомненно усложняется, по сравнению с составом DC. Теперь на электровозах должны устанавливаться трансформаторы и аппараты для преобразования действующего напряжения в пульсирующее или постоянное, для дальнейшего питания коллекторных тяговых электродвигателей, оборотами которых легко управлять.

В чем сложность работы от переменного тока

Тяговые электродвигатели — главная движущая сила на электроподвижном составе. Частотой вращения их валов можно довольно просто управлять меняя напряжение, но только если электромоторы являются коллекторными и предполагают работу от постоянного тока. Таким образом мы получаем тот самый минус в работе с контактной сетью AC: необходимость трансформации переменного тока в пульсирующий или постоянный, для управления тяговыми электродвигателями.

Существуют и более простые AC двигатели — асинхронные, которые применяются на вспомогательных машинах электровозов и электропоездов (мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы). Обороты этих двигателей зависят от частоты переменного тока, напомним в промышленной сети она равна 50-и Герцам. Существуют конечно электровозы, использующие подобные электродвигатели в качестве тяговых, однако изменение частоты процесс очень сложный, соответственно усложняющий конструкцию тяговых агрегатов и снижающий общую надежность.

Перспективы развития электроподвижного состава

На сегодняшний день из-за дороговизны текущей инфраструктуры и наличия огромного парка подвижного состава, переоборудовать дороги с постоянного на переменный экономически нецелесообразно, но вместо переоборудования контактной сети инженеры пошли другим путем.

Можно изменить подвижной состав — второй путь это создание электровозов двойного питания, способных работать и на постоянном и на переменном токе, причем переключение режимов работы на них максимально автоматизировано. На сегодняшний день такие машины не просто существуют на бумаге или в качестве опытных образцов, такие локомотивы успешно работают на благо РЖД — Электровозы двойного питания.

При подготовке материала использовалось: Марквардт К. Г. Контактная сеть. 4-е изд. перераб. и доп. Учеб. для ж.д. вузов.