Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пилон однофазной линии электропередач 110 кВ переменного тока недалеко от Варфоломе в Германии. Линии этого типа используются в Германии для питания электрических железных дорог однофазным переменным током с частотой 16,7 Гц . На подстанциях железной дороги трансформаторы используются для понижения напряжения до 15 кВ .

Системы электрификации железных дорог с использованием переменного тока (AC) в 15 киловольт (кВ) и 16.7 Гц (Hz) используются на транспортных железных дорогах в Германии , Австрии , Швейцарии , Швеции и Норвегии . Высокое напряжение обеспечивает высокую передачу мощности с более низкой частотой уменьшая потери в тяговых двигателях , которые были доступны в начале 20 - го века. Электрификация железных дорог в конце 20-го века имеет тенденцию использовать системы переменного тока 25 кВ, 50 Гц.который стал предпочтительным стандартом для электрификации новых железных дорог, но расширение существующих сетей 15 кВ не совсем маловероятно. В частности, в Готардском базовом туннеле (открытом 1 июня 2016 года) по-прежнему используется электрификация 15 кВ, 16,7 Гц.

Из-за высоких затрат на преобразование маловероятно, что существующие системы 15 кВ, 16,7 Гц будут преобразованы в системы 25 кВ, 50 Гц, несмотря на то, что это снизит вес бортовых понижающих трансформаторов на одну треть по сравнению с Настоящие устройства.

История [ править ]

На первых электрифицированных железных дорогах использовались двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой , сначала на 600 В, а затем на 1500 В. В областях с контактными линиями постоянного тока 3 кВ (в основном в Восточной Европе) использовались два последовательно включенных двигателя постоянного тока 1500 В. Но даже при 3 кВ ток, необходимый для питания тяжелого поезда (особенно в сельских и горных районах), может быть чрезмерным. Хотя увеличение напряжения передачи снижает ток и связанные с ним резистивные потери для заданной мощности, пределы изоляции делают тяговые двигатели с более высоким напряжением непрактичными. ТрансформерыТаким образом, на каждом локомотиве требуется понижать высокие передаваемые напряжения до практических рабочих напряжений двигателя. До разработки подходящих способов эффективного преобразования постоянного тока с помощью силовой электроники, для эффективных трансформаторов строго требовался переменный ток (AC); таким образом, электрифицированные железные дороги высокого напряжения приняли переменный ток вместе с системой распределения электроэнергии (см. Война токов ).

Сеть переменного тока 50 Гц (60 Гц в Северной Америке) была создана еще в начале 20 века. Хотя двигатели с последовательной обмоткой в ​​принципе могут работать как на переменном, так и на постоянном токе (по этой причине они также известны как универсальные двигатели ), у крупных тяговых двигателей с последовательной обмоткой были проблемы с такими высокими частотами. Высокое индуктивное сопротивление обмоток двигателя вызывало проблемы с перекрытием коммутатора, а неламинированные магнитные полюсные наконечники, первоначально разработанные для постоянного тока, демонстрировали чрезмерные потери на вихревые токи . Использование более низкой частоты переменного тока решило обе проблемы.

В немецкоязычных странах, электрификация высоковольтной началась в 16 23 Гц , ровно треть частоты 50 Гц национальной электросети. Это облегчило работувращающихся преобразователейчастоты сети и позволило специализированным железнодорожнымгенераторамэлектроэнергииработать с той же скоростью вала, что и стандартный генератор 50 Гц, за счет сокращения количества пар полюсов в три раза. Например, генератор, вращающийся со скоростью1000 об / мин , будет намотан с двумя парами полюсов, а не с шестью.

Отдельные заводы поставляют электроэнергию для железных дорог в Австрии, Швейцарии и Германии, за исключением Мекленбург-Передняя Померания и Саксония-Ангальт ; преобразователи, питаемые от сети, поставляют электроэнергию для железных дорог в этих двух немецких государствах, а также в Швеции и Норвегии. Норвегия также имеет два гидро-электростанции предназначенные для железнодорожной власти с 16  Выходная частота 23 Гц .

Первые генераторы были синхронными генераторами переменного тока или синхронными трансформаторами; однако с появлением современных индукционных генераторов с двойным питанием управляющий ток вызвал нежелательную составляющую постоянного тока, что привело к проблемам с перегревом полюсов. Это было решено путем небольшого сдвига частоты точно от частоты сетки; 16,7 Гц было выбрано произвольно, чтобы оставаться в пределах допуска существующих тяговых двигателей. Австрия, Швейцария и Южная Германия переключили свои электростанции на 16,7 Гц 16 октября 1995 года в 12:00 CET. [1] [2] Следует отметить , что региональные электрифицированные участки в ведение синхронных генераторов сохраняют свою частоту 16 2 / 3 Гцтак жекак Швеция и Норвегиясих пор управляют своими сети железных дорог в 16 2 / 3 Гцтечение.

Одним из недостатков локомотивов 16,7 Гц по сравнению с локомотивами 50 или 60 Гц является более тяжелый трансформатор, необходимый для снижения напряжения воздушной линии до того, которое используется двигателями и их механизмами регулирования скорости. Низкочастотные трансформаторы должны иметь более тяжелые магнитные сердечники и большие обмотки для того же уровня преобразования энергии. (См. Влияние частоты на конструкцию трансформаторов .) Более тяжелые трансформаторы также приводят к более высоким нагрузкам на ось, чем трансформаторы с более высокой частотой. Это, в свою очередь, приводит к повышенному износу гусениц и увеличивает потребность в более частом обслуживании гусениц. В Чешских железных дорогахстолкнулся с проблемой пониженной мощности низкочастотных трансформаторов, когда они реконструировали несколько локомотивов переменного тока 25 кВ , 50 Гц (серия 340) для работы на линиях 15 кВ переменного тока, 16,7 Гц . В результате использования одних и тех же сердечников трансформатора (изначально рассчитанных на 50 Гц ) на более низкой частоте, трансформаторы пришлось снизить до одной трети от их первоначальной допустимой мощности, тем самым уменьшив доступное тяговое усилие на ту же величину ( примерно до 1000 кВт ).

Эти недостатки, а также потребность в отдельные инфраструктуры поставок и отсутствие каких - либо технические преимуществ с современными двигателями и контроллерами ограничили использование 16 23  Гц и 16,7 Гц за пределами исходных пяти стран. Большинство других стран электрифицировали свои железные дороги с частотой 50/60 Гц. Более новая европейская электрификация - это в основном 25 кВ переменного тока при 50 Гц (в основном в Восточной Европе). Преобразование в это напряжение / частоту требует изоляторов более высокого напряжения и большего зазора между линиями, мостами и другими конструкциями. Теперь это стандарт для новых воздушных линий, а также для модернизации старых установок.

Простая европейская стандартизация с выравниванием напряжения / частоты по всей Европе не обязательно рентабельна, поскольку трансграничная тяга более ограничена различными национальными стандартами в других областях. Оборудовать электровоз трансформатором на два или более входных напряжения - это дешево по сравнению со стоимостью установки нескольких систем защиты поездов [ необходима цитата ] и их прохождения через процедуру утверждения для получения доступа к железнодорожной сети в других странах. Тем не менее, некоторые новые высокоскоростные линии в соседние страны уже планируется построить до 25 кВ (например, из Австрии в Восточную Европу). Новые локомотивы всегда строятся с асинхронным двигателем.системы управления, у которых нет проблем с диапазоном входных частот, включая постоянный ток. Однако машинист поездов Deutsche Bahn по- прежнему использует старые модели из стандартной серии электровозов, хотя некоторым из них уже исполнилось 50 лет. Как только эти устаревшие модели будут выведены из эксплуатации, их будет легче стандартизировать, но это может занять несколько десятилетий. Между тем, Deutsche Bahn имеет тенденцию заказывать составы поездов, способных работать с несколькими системами электрификации.

Распределительные сети [ править ]

однофазные (двухпроводные) линии, выходящие из преобразовательной установки

В Германии (за исключением земель Мекленбург-Передняя Померания и Саксония-Анхальт ), Австрии и Швейцарии существует отдельная однофазная распределительная сеть для железной дороги с частотой 16,7 Гц ; напряжение 110 кВ в Германии и Австрии и 132 кВ в Швейцарии. Эта система называется централизованным железнодорожным энергоснабжением. Отдельная однофазная распределительная сеть делает рекуперацию энергии во время торможения чрезвычайно простой по сравнению с  системой 25 кВ 50 Гц, подключенной к трехфазной распределительной сети.

В Швеции, Норвегии, Мекленбурге-Передней Померании и Саксонии-Ангальт энергия берется непосредственно из трехфазной сети ( 110 кВ при 50 Гц ), преобразуется в однофазную низкочастотную и подается в воздушную линию. Эта система называется децентрализованным (т.е. местным) железнодорожным энергоснабжением.

Генерация и преобразование [ править ]

Централизованная система питается от специальных электростанций, которые вырабатывают переменный ток 110 кВ (или 132 кВ в швейцарской системе) с частотой 16,7 Гц, а также вращающимися преобразователями или преобразователями переменного / переменного тока , которые питаются от национальной электросети (например, 110 кВ , 50 Гц. ), они преобразуют его в переменный ток 55-0-55 кВ (или 66-0-66 кВ) при 16,7 Гц . Точка 0 В соединена с землей через индуктивность, так что каждый провод однофазной линии питания переменного тока имеет напряжение 55 кВ (или 66 кВ ) по отношению к потенциалу земли. Это похоже на электроэнергию с расщепленной фазой.системы и приводит к сбалансированной линии передачи. Индуктивность, через которую выполняется заземление, предназначена для ограничения токов заземления в случае повреждения линии. На трансформаторных подстанциях напряжение преобразуется с 110 кВ (или 132 кВ ) переменного тока на 15 кВ переменного тока, и энергия подается в воздушную линию.

Асинхронные преобразователи [ править ]

Частота 16,7 Гц зависит от необходимости избежать синхронизма в частях вращающейся машины, которая состоит в основном из трехфазного асинхронного двигателя и однофазного синхронного генератора. Так как наборы синхронизма в на частоте 16 23 Гц(согласно техническим характеристикам) в однофазной системе частота централизованной системы была установлена ​​на16,7 Гц.

Электростанции, обеспечивающие напряжение 110 кВ , 16,7 Гц , либо предназначены для генерации этого конкретного однофазного переменного тока, либо имеют специальные генераторы для этой цели, такие как атомная электростанция Неккарвестхайм или гидроэлектростанция Вальхензее .

Синхронные преобразователи [ править ]

Мощности для децентрализованной системы берутся непосредственно из национальной энергосистемы и напрямую преобразованы и преобразованы в 15 кВ , 16 2 / 3 Гцсинхронными-синхронных преобразователей или статических преобразователей. Обе системы нуждаются в дополнительных трансформаторах. Преобразователи состоят из трехфазного синхронного двигателя иоднофазного синхронного генератора. Децентрализованная система на северо-востоке Германии была создана Deutsche Reichsbahn в 1980-х годах, поскольку в этих регионах не было централизованной системы.

Объекты электрификации железной дороги переменного тока 15 кВ в Германии, Австрии и Швейцарии [ править ]

Германия, Австрия и Швейцария эксплуатируют крупнейшую объединенную систему переменного тока 15 кВ с центральной генерацией, а также центральными и местными преобразовательными установками.

Германия [ править ]

Подстанции [ править ]

На этих объектах электричество понижается с 110 кВ до уровня ДП 15 кВ. Нет преобразования или выработки энергии.

Переключение станций [ править ]

Станции для подключения / разъединения частей системы.

Центральные преобразовательные заводы [ править ]

На этих объектах переменный ток из общей сети преобразуется и преобразуется в однофазный переменный ток и подается в распределительную сеть железнодорожного тока. На некоторых объектах питание также подается на ВЛ. Преобразование выполняется роторными преобразователями или электронными преобразователями.

Местные конвертерные заводы [ править ]

На этих объектах переменный ток из общественной сети преобразуется в однофазный переменный ток и подается на воздушную линию. Преобразование выполняется роторными преобразователями или электронными преобразователями.

Электростанции [ править ]

Точки пересечения двух линий электропередачи тягового тока без взаимного соединения [ править ]

Линии электропередач через границу [ править ]

Германия - Австрия [ править ]

Бывшая граница между Западной и Восточной Германией [ править ]

Швейцария [ править ]

Подстанции [ править ]

На этих объектах электроэнергия понижается со 132 кВ или 66 кВ до 15 кВ. Нет преобразования или выработки энергии.

Центральные преобразовательные заводы [ править ]

На этих объектах переменный ток из общей сети преобразуется и преобразуется в однофазный переменный ток и подается в распределительную сеть железнодорожного тока. На некоторых объектах питание также подается на ВЛ. Преобразование выполняется роторными преобразователями или электронными преобразователями.

Переключение станций [ править ]

Станции для подключения / разъединения частей системы.

Электростанции [ править ]

Точки пересечения двух линий электропередач тягового тока без взаимного соединения [ править ]

Линии электропередач через границу [ править ]

Германия – Швейцария [ править ]

Австрия [ править ]

Подстанции [ править ]

Электроэнергия на этих объектах понижена с 110 кВ до 15 кВ. Никакого преобразования или выработки энергии не происходит.

Центральные преобразовательные заводы [ править ]

На этих объектах переменный ток из общей сети преобразуется и преобразуется в однофазный переменный ток и подается в распределительную сеть железнодорожного тока. На некоторых объектах питание также подается на ВЛ. Преобразование выполняется роторными преобразователями или электронными преобразователями.

Электростанции [ править ]

Точки пересечения двух линий электропередач тягового тока без взаимного соединения [ править ]

Норвегия [ править ]

В Норвегии все электрические железные дороги используют 16 кВ 16 2 / 3 Гц переменного тока [3] ( за исключением Thamshavnbanen музея железной дороги , которая использует 6,6 кВ переменного тока 25 Гц). Осло Т-бич и использовать трамваи В постоянном токе 750.

Швеция [ править ]

В Швеции большинство электрических железных дорог используют 15 кВ 16 2 / 3 Гц переменного тока. Исключения включают: Saltsjöbanan и Roslagsbanan (1,5 кВ постоянного тока), Стокгольмское метро (650 В и 750 В постоянного тока) и трамваи (750 В постоянного тока). Мост Эресунн, соединяющий Швецию и Данию, электрифицирован на 25 кВ по датскому стандарту; Раскол находится на шведской стороне возле моста. Точку могут пройти только двухсистемные поезда (или дизельные поезда; редко).

См. Также [ править ]

  • Перечень систем электрификации железных дорог
  • Категория: Электровозы переменного тока 15 кВ
  • Система передачи энергии 25 Гц
  • Электрификация железных дорог переменного тока 25 кВ
  • Поворотный фазовый преобразователь
  • Электрификация железной дороги Зеебах-Веттинген
  • Тяговая электросеть

Ссылки [ править ]

  1. ^ Bahnstromsystem (немецкий) системы электрификации железных дорог
  2. Перейти ↑ C. Linder (2002). "Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2⁄3 Гц на 16,70 Гц" [Переключение частоты в сети электропитания поезда с 16 2/3 Гц на 16,70 Гц]. Elektrische Bahnen (на немецком языке). 12 . ISSN 0013-5437 . 
  3. ^ "Bane Energi" . jernbaneverket . Архивировано из оригинала 5 октября 2015 года . Проверено 29 июля 2015 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • DB Energie soll Durchleitung von Bahnstrom ermöglichen (на немецком языке)