Лекция 1 Введение

Электрическая энергия является наиболее удобным и универсальным видом энергии. Она легко преобразуется в механическую, тепловую и световую энергию и потому стала основой развития промышленности и транспорта.

Железнодорожный транспорт является одним из основных потребителей электроэнергии, главным образом – электрифицированные дороги.

Электроснабжение железных дорог осуществляется с помощью высоковольтных сетей трехфазного переменного тока от электриче­ских систем, объединяющих мощные электростанции и обеспечи­вающих электрической энергией практически всех потребителей народного хозяйства.

На электровозах в качестве тяговых применяют электродвига­тели постоянного тока, так как они имеют благоприятные электро­механические характеристики и частота их вращения легко регу­лируется в широком диапазоне. Именно поэтому получаемая от энергосистем электроэнергия преобразуется с напряжения пере­менного на напряжение постоянного тока. В некоторых случаях такое преобразование выполняется на подстанциях, осуществляю­щих питание тяговых сетей на постоянном токе напряжением 3 кВ (дороги постоянного тока). С 1956 г. получила распространение система электрификации железных дорог на переменном токе на­пряжением 25 кВ, при этом преобразование переменного тока в постоянный выполняется на электровозах.

Электроэнергетические системы и электрические сети

Производство электрической энергии в основном сосредоточено на тепловых и гидравлических, а также на атомных электростан­циях (АЭС). Крупные конденсационные электрические станции (КЭС) и гидростанции (ГЭС) располагают возле мест добычи топ­лива или в удобных створах рек, как правило, удаленных от цент­ров потребления энергии. Передача больших мощностей от таких электростанций в районы потребления осуществляется по линиям передачи трехфазного тока высокого напряжения: 110—1150 кВ.

Значительно меньше электрической энергии вырабатывается на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), размещаемых на территории про­мышленных предприятий или в районах городских жилищных 2и2с­сивов, которые являются крупными потребителями тепла. Доля электроэнергии, вырабатываемой мелкими электрическими стан­циями с локомобилями, дизелями или паровыми турбинами малой мощности, в общем количестве энергии, производимой в стране. Очень мала ввиду их крайней неэкономичности. Применяя выраже­ние «производство» или «выработка энергии» для электростанций. Следует иметь в виду, что на электростанциях осуществляется лишь .процесс преобразования энергии сжигаемого топлива или падаю­щей воды в электрическую энергию.

Большинство районных тепловых станций и гидростанций, как и теплоэлектроцентралей, связывают линиями передачи, преду­сматривая повышающие и понижающие подстанции для совмест­ной (параллельной) работы их на общую нагрузку. Совокупность нескольких электрических станций, объединенных под единым хо­зяйственным и техническим руководством с целью совместного непрерывного производства и распределения между потребителями электрической и тепловой энергии, составляет энергетическую си­стему (энергосистему).

Электрическую часть энергосистемы, состоящую из генераторов распределительных устройств электростанций, повышающих и понижающих подстанций, воздушных и кабельных линий передачи различных напряжений и электроприемников разных типов, называют электрической системой.

Устройства для передачи и распределения электрической энер­гии состоят из подстанций и линий передачи и называются электрических сетями. Отсюда видно, что в состав последних входят не только линии различных конструкций и напряжений, но и все электрическое оборудование подстанций — силовые трансформато­ры, выключатели, разъединители, устройства защиты и автомати­3и, контрольно-измерительные приборы и т. п. Совокупность повышающей подстанции, линии передачи и по­нижающей подстанции называют электропередачей. В современ­ных условиях такие отдельные электропередачи, не связанные с другими частями электрической системы, практически не встреча­ются.

Электрическая энергия подводится к потребителям с помощью питающих и распределительных сетей различных напряжений. В СССР построены и успешно функционируют мощные электропе­редачи трехфазного тока напряжением до 1150 кВ включительно Намечено сооружение линии постоянного тока 1500 кВ.

Пример схемы электрической системы представлен на рис. 1.1.

Мощная гидроэлектрическая станция 1 расположена далеко от центров потребления энергии. Поэтому энергия вырабатываемая генераторами при напряжении 20 кВ, трансформируется на напря­жение 500 кВ и при этом напряжении передается на подстанцию 2. На подстанции с помощью понижающих автотрансформаторов она преобразуется на напряжение 220 кВ. Одна из линий передачи напряжением 220 кВ передает энергию на мощную районную под­станцию 8, где с помощью автотрансформаторов (или трансформа­торов) напряжение снижается до 110 кВ и подается в замкнутую кольцевую сеть. В эту же сеть энергия поступает еще от районной конденсационной электростанции 6 и теплоэлектроцентрали 5. По питаемой с двух сторон линии передачи 110 кВ энергия подводится к трем тяговым подстанциям 4.

Тяговые подстанции оборудованы трехобмоточными трансфор­маторами 115/38,5/27,5 кВ или 115/27,5/11 кВ. Обмотка 27,5 кВ предназначена для питания тяговых сетей переменного тока 25 кВ, а вторичная обмотка на 38,5 или 11 кВ — для электроснабжения нагрузок, расположенных невдалеке от железной дороги, промыш­ленных предприятий, ремонтных заводов, железнодорожных узлов, предприятий местной промышленности и сельскохозяйственных по­требителей — так называемых нетяговых потребителей. Мелкие железнодорожные линейные потребители, не относящиеся к элек­трической тяге (приборы освещения путевых будок, платформ, разъездов, жилых и культурно-бытовых зданий), обычно получают энергию от специальных линий продольного электроснабжения, прокладываемых на опорах контактной сети. К кольцевой линии 110 кВ присоединены также понижающие трансформаторные под­станции 7, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий и городов, расположенных в районе действия рас­сматриваемой части электрической системы.

Итак, в современной системе прежде, чем электрическая энер­гия достигнет потребителя, осуществляется три, четыре и даже пять ее трансформаций. Часть электроприемников может получать питание непосредственно от шин генераторного напряжения станции.

Электроснабжение электрифицированных железных дорог осу­ществляется от электроэнергетических систем через тяговые под­станции, причем, кроме устройств электрической тяги, от тяговых подстанций получают питание еще и нетяговые железнодорожные потребители: ремонтные заводы и депо, мастерские, подъемно-транспортные механизмы, устройства водоснабжения железнодо­рожных станций, дорожно-путевой инструмент, внутреннее и на­ружное освещение станционных путей, пассажирских зданий и жилищно-бытовых помещений железнодорожных поселков. От тех же источников зачастую электрическая энергия подается на мелкие и средние предприятия местной промышленности, к сельскохозяйст­венным потребителям, в небольшие поселки.

При электрификации железных дорог отпадает необходимость в работе тепловых электростанций малой мощности, имеющих низ­кий к. п. Д., ранее применявшихся для питания электрических на­грузок железнодорожных станций и других нетяговых потребите­лей электрической энергии. Одновременно в связи с прекращением выброса продуктов сгораний топлива улучшаются экологические условия в окружающем районе.