Электрифика́ция желе́зных доро́г — комплекс мероприятий, выполняемых на участке железной дороги для возможности использовать на нём электроподвижные составы: электровозы (для тяги дальних пассажирских и грузовых поездов), электросекции или электропоезда (для тяги пригородных или скорых пассажирских поездов).
Системы электрификации Системы электрификации можно классифицировать: по виду контактной сети: с воздушной контактной подвеской (большинство железных дорог и трамвайных систем) с контактным рельсом (метрополитен) по напряжению по роду тока: постоянный ток переменный ток частота тока число фаз
Обычно используют постоянный или однофазный переменный ток. При этом в качестве одного из проводников выступает рельсовый путь.
Использование трёхфазного тока требует подвески как минимум двух контактных проводов, которые не должны соприкасаться ни при каких условиях (как у троллейбуса), воздушные стрелки и токоприёмники имеют сложное устройство. Применялась в конце XIX — начале XX века, эта система не прижилась, в первую очередь, из-за сложности токосъёма на больших скоростях. В XXI веке электрификация трёхфазным током сохранилась как технический «реликт» на некоторых зубчато-реечных железных дорогах, перевозящих туристов, например железная дорога «Юнгфрау».
При использовании постоянного тока напряжение в сети делают довольно низким (до 3 кВ), чтобы включать электродвигатели напрямую. При использовании переменного тока выбирают гораздо более высокое напряжение (от 10 до 25 кВ), поскольку на электровозе его можно легко понизить с помощью трансформатора.
Стандарты напряжения Семь наиболее часто встречающихся напряжений контактной сети: 600, 750 В, 1,5 и 3 кВ постоянного тока, 10, 15 и 25 кВ переменного тока — включены в международный (IEC 60850)IEC 60850 (2007). Railway applications — Supply voltages of traction systems. 3rd. edition. / Железнодорожный транспорт. Напряжения электропитания систем тяги. 3-е изд. и европейский (EN 50163)EN 50163 (2007). Railway applications — Supply voltages of traction systems / Транспорт железнодорожный. Напряжение питания электрической тяги стандарты.
ТокСистемы электрификацииНапряжениеМинимальное Мин. допустимое Мин. рабочее Номинальное Макс. рабочее Макс. допустимоеМаксимальноеПостоянный 600 В (Контактная сеть трамвая и троллейбуса)220 В 400 В 500 В 600 В (Контактная сеть трамвая и троллейбуса) 720 В 825 В (Контактный рельс в метро)900 В 750 В380 В 550 В (Контактная сеть трамвая) 600 В 750 В (Контактный рельс в метро и на некоторых промышленных линий) 800 В 1 кВ1,1 кВ 1,5 кВ950 В 1 кВ 1,2 кВ 1,5 кВ (На некоторых промышленных линий) 1,8 кВ 2 кВ2,4 кВ 3 кВ1 кВ 2 кВ 2,5 кВ 3 кВ 3,3 кВ (Тяговые подстанции) 3,6 кВ4 кВПеременный 10 кВ 50 Гц5 кВ6 кВ8 кВ10 кВ (На некоторых промышленных линий)12,5 кВ17,25 кВ21 кВ 15 кВ 16,7 Гц и 15 кВ 16⅔ Гц10 кВ 11 кВ 12 кВ 15 кВ 17,5 кВ 18 кВ24 кВ 25 кВ 50 Гц (EN 50163),60 Гц (IEC 60850)16 кВ 19 кВ 20 кВ 25 кВ 27,5 кВ (Тяговые подстанции, с учётом потерь) 29 кВ30 кВ
Система постоянного тока
Простота электрооборудования на локомотиве с гиперболической тяговой характеристикой, низкий удельный вес и высокий КПД обусловили широкое распространение этой системы в ранний период электрификации.
Недостатком электрификации постоянного тока является сравнительно низкое напряжение в контактной сети, поэтому для передачи одинаковой мощности требуется в несколько раз больший ток по сравнению с более высоковольтными системами переменного тока.Например, два электровоза имеют равную мощность 15 000 киловатт. У электровоза постоянного тока (3 кВ) максимальный ток, проходящий через токоприёмник, составит 5000 А, у электровоза переменного тока (25 кВ) — 600 А. Большие токи ограничивают возможную максимальную мощность локомотивов постоянного тока и количество их на участке. Это вынуждает: использовать большее суммарное сечение контактных проводов и подводящих кабелей; увеличивать площадь контакта с токоприёмником электровоза за счёт увеличения числа проводов в подвеске контактной сети до двух и даже трёх (например, на подъёмах) и числа одновременно используемых токоприёмников (до трёх на электровозах ЧС200 и ВЛ15); уменьшать расстояния между тяговыми подстанциями для минимизации потерь тока в проводах, что дополнительно приводит к увеличению стоимости самой электрификации и обслуживания системы (подстанции хоть и автоматизированы, но требуют обслуживания). Расстояние между подстанциями постоянного тока на грузонапряжённых участках или линиях с высокоскоростным сообщением, особенно в сложных горных условиях, может быть всего лишь несколько километров (например, на главном ходе Октябрьской железной дороги — в пригородных зонах Москвы и Санкт-Петербурга оно составляет всего 2-3 км).
Полярность На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, а также на трамваях и в метрополитене принята положительная полярность контактной сети: «плюс» подаётся на контактный провод (контактный рельс), а «минус» на рельсы. Положительная полярность принята с целью уменьшения электрохимической коррозии находящихся рядом с железнодорожными путями трубопроводов и иных металлических конструкций.
Так как обратным проводом являются рельсы, которые практически невозможно изолировать от земли, часть тягового тока ответвляется. Эти токи называются «блуждающие токи». Направление блуждающих токов предугадать практически невозможно. Блуждающие токи протекают не только в земле, но и по встречающимся на их пути металлическим частям различных подземных сооружений.
Зоны, где блуждающие токи стекают с рельсов или с иных подземных сооружений в землю, принято называть анодными зонами, а зоны, где блуждающие токи входят из земли в рельсы или иные подземные сооружения, принято называть катодными зонами. Так как имеется разность потенциалов между металлом (рельс, трубопровод) и землёй, в этих зонах возникает электролиз и происходит электрохимическая коррозия металла.
На иллюстрации показана электрифицированная железная дорога с положительной полярностью.
Под колёсами электровоза образуется анодная зона, а на проходящем рядом трубопроводе — катодная зона (левая часть рисунка). Зоны на стыках анодной и катодной зон называются знакопеременными, потенциалы в них могут менять свою полярность. Также анодная и катодная зона образуется вблизи тяговой подстанции (правая часть рисунка). Наиболее интенсивно рельсы корродируют под колёсами электровоза, а подземные сооружения — у тяговых подстанций.
Однако, изображённые в левой части рисунка анодная и катодная зоны — «передвигающиеся», то есть фактически знакопеременные, и электролиз в этих зонах носит кратковременный характер. Изображённые в правой части рисунка анодная и катодная зоны — «непередвигающиеся», расположены возле тяговых подстанций, и там электрохимическая коррозия наблюдается в наибольшей степени. Там, соответственно и располагаются станции катодной защиты.
Если бы контактная сеть имела отрицательную полярность (то есть «минус» подавался бы на контактный провод), то трубопроводы, проходящие рядом с железной дорогой, представляли бы практически сплошную анодную зону, и защитные меры для подземных сооружений пришлось бы принимать вдоль всей железной дороги, что было бы несравненно дороже.
Применение На железных дорогах России и в странах бывшего СССР на участках, электрифицированных по системе постоянного тока, используется напряжение 3000 В. В 1930-е — 1950-е гг. в СССР некоторые пригородные участки были электрифицированы на 1500 В, затем их перевели на 3000 В. В начале 1970-х годов в СССР на Закавказской железной дороге были проведены практические исследования с возможностью электрификации на постоянном токе напряжением 6000 В, однако эту систему сочли неперспективной, в дальнейшем все новые участки электрифицировались переменным током 25 кВ.
Трамваи и троллейбусы в СНГ работают на постоянном токе напряжением 550/600 В, метрополитен в СНГ — на постоянном токе напряжением 825/750 В.
Промышленные электровозы постоянного тока работают на меньшем, чем 3 кВ, электрическом напряжении, например электровоз ЕЛ21 — 1,5 кВ, а электровоз II-КП4 выпускался в различном исполнении — 220, 550 или 600 В.
Системы локомотивов
Реостатно-контакторная система управления
В данной системе тяговые электродвигатели постоянного тока питаются напрямую от контактной сети. Пуск и регулирование осуществляется подключением реостатов, перегруппировкой двигателей (последовательное, последовательно-параллельное и параллельное включение) и ослаблением возбуждения.
На всех советских электровозах и электропоездах тяговые электродвигатели рассчитаны на напряжение 1500 В, поэтому они всегда соединены попарно последовательно (напряжение в контактной сети при этом 3000 В). Дело в том, что, если попытаться сделать электродвигатель на 3000 В с мощностью, равной электродвигателю на 1500 В, то масса и габариты высоковольтного двигателя окажутся больше, чем у низковольтного.
Вспомогательные электродвигатели (привод компрессора, вентиляторов и др.) обычно также питаются напрямую от контактной сети, поэтому они получаются очень большими и тяжёлыми. В некоторых случаях для их питания используют вращающиеся или статические преобразователи (например, на электропоездах ЭР2Т, ЭД4М, ЭТ2М используется мотор-генератор, преобразующий постоянный ток 3000 В в трёхфазный 220 В 50 Гц).
Импульсное регулирование В последние десятилетия стало распространяться импульсное регулирование, позволяющее избежать потерь энергии в реостатах.
Схема с инвертором В 2010 году в России начато производство грузовых электровозов постоянного тока 2ЭС10 — 3ЭС10 «Гранит». Асинхронные тяговые двигатели питаются трёхфазным переменным током от инверторов.
Система переменного тока пониженной частоты
В ряде европейских стран (Германия, Швейцария и др.) используется система однофазного переменного тока 15 кВ 16⅔ Гц, а в США на старых линиях 11 кВ 25 Гц. Пониженная частота позволяет использовать коллекторные двигатели переменного тока. Двигатели питаются от вторичной обмотки трансформатора напрямую, без каких-либо преобразователей. Вспомогательные электродвигатели (для компрессора, вентиляторов и др.) также обычно коллекторные, питаются от отдельной обмотки трансформатора. Коллекторные двигатели, питаемые переменным током пониженной частоты, имеют лучшую коммутацию в сравнении с питанием током промышленной частоты.
Преимуществом системы является полная развязка контактной сети от питающей, так как для преобразования частоты применяются умформеры. Отсюда же проистекает второе преимущество — нет опасности перекоса фаз (мотор умформера питается трёхфазным током, а генератор выдаёт однофазный ток). Третье преимущество — заметно меньшие индуктивные потери.
Недостатком системы является необходимость преобразования частоты тока на подстанциях или строительство отдельных электростанций для железных дорог.
Данная система появилась в 1910-е годы вынужденно, так как на постоянном токе потери были велики, а реализовать систему переменного тока промышленной частоты не позволил технический уровень того времени.
В Европе частота 16⅔ Гц была выбрана, так как она составляет 1/3 от 50 Гц, что позволяет применять в генераторах умформеров обычные трёхфазные машины на 50 Гц с изменённым подключением обмоток.
В США частота 25 Гц является техническим реликтом: такой была частота переменного тока до перехода сетей на 60 Гц в начале XX века.
Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что на электровозах переменного тока пониженной частоты стали применяться коллекторные двигатели постоянного (пульсирующего) тока, питаемые от полупроводникового выпрямителя, а с конца XX века применяются тяговые асинхронные двигатели, например, электровозы IORE. Таким образом, современные электровозы переменного тока пониженной частоты не имеют принципиальных отличий от электровозов переменного тока промышленной частоты.
Система переменного тока промышленной частоты