Электрификация железных дорог переменного тока 25 кВ

Системы электрификации железных дорог, используемые в Европе:

  Неэлектрифицированный

  750   В постоянного тока

  1,5   кВ постоянного тока

  3   кВ постоянного тока

  15   кВ переменного тока

  25   кВ переменного тока

Высокоскоростные линии во Франции, Испании, Италии, Нидерландах, Бельгии и Турции работают под напряжением до 25   кВ , как и линии электропередачи в бывшем Советском Союзе.

Системы электрификации железных дорог, использующие переменный ток (AC) напряжением 25 киловольт (кВ), используются во всем мире, особенно для высокоскоростных железных дорог . Обычно он подается на стандартной частоте сети (обычно 50 или 60   Гц), что упрощает работу тяговых подстанций. Развитие   электрификации переменного тока напряжением 25 кВ тесно связано с успешным использованием коммунальной частоты.

Основная линия Восточного побережья в Соединенном Королевстве электрифицирована воздушными линиями напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц.

Эта электрификация идеально подходит для железных дорог, которые преодолевают большие расстояния или осуществляют интенсивное движение. После некоторых экспериментов перед Второй мировой войной в Венгрии и в Шварцвальде в Германии , он получил широкое распространение в 1950-х годах.

Одной из причин, по которой он не был внедрен ранее, было отсутствие подходящего небольшого и легкого оборудования для управления и выпрямления до разработки твердотельных выпрямителей и связанных с ними технологий. Другая причина заключалась в увеличении зазоров, необходимых там, где он проходил под мостами и в туннелях, что потребовало бы капитального строительства , чтобы обеспечить увеличенный зазор до частей, находящихся под напряжением. Там, где ранее существовавшие шкалы погрузки были более щедрыми, это не было проблемой.

меньшей мощности, Железные дороги, использующие старые системы постоянного тока ввели или вводят напряжение 25 кВ переменного тока вместо 3 кВ постоянного тока/ 1,5 кВ постоянного тока для своих новых высокоскоростных линий.

История

Первое успешное оперативное и регулярное использование системы коммунальной частоты относится к 1931 году, испытания проводились с 1922 года. Она была разработана Кальманом Кандо в Венгрии, который использовал переменный ток 16 кВ с частотой 50 Гц , асинхронную тягу и регулируемое количество ( двигатель) полюса. Первой электрифицированной линией для испытаний была Будапешт – Дунакеси – Алаг. Первой полностью электрифицированной линией была Будапешт – Дьёр – Хегьешалом (часть линии Будапешт – Вена). Хотя решение Кандо показало путь в будущее, железнодорожные операторы за пределами Венгрии проявили отсутствие интереса к этому проекту.

Первая железная дорога, использовавшая эту систему, была построена в 1936 году компанией Deutsche Reichsbahn , которая электрифицировала часть Höllentalbahn между Фрайбургом и Нойштадтом, установив   20 кВ   , частотой 50 Гц систему переменного тока напряжением . Эта часть Германии находилась во французской зоне оккупации после 1945 года. В результате изучения немецкой системы в 1951 году SNCF электрифицировала линию между Экс-ле-Бен и Ла-Рош-сюр-Форон на юге Франции, первоначально в то же время. 20   кВ, но преобразовано в 25   кВ в 1953 году. Система 25   кВ затем была принята в качестве стандартной во Франции, но, поскольку значительные расстояния к югу от Парижа уже были 1,5   кВ электрифицированная постоянным током , SNCF также продолжила некоторые крупные новые проекты электрификации постоянного тока, пока в 1960-х годах не были разработаны локомотивы с двойным напряжением.

Основная причина, по которой электрификация с использованием коммунальной частоты раньше не получила широкого распространения, заключалась в недостаточной надежности дуговых выпрямителей Mercury , которые можно было разместить в поезде. Это, в свою очередь, связано с требованием использования двигателей постоянного тока , для которых требуется преобразование тока из переменного в постоянный, и для этого выпрямитель необходим . До начала 1950-х годов ртутные выпрямители были сложны в эксплуатации даже в идеальных условиях и поэтому были непригодны для использования в железнодорожных локомотивах.

Можно было использовать двигатели переменного тока (и некоторые железные дороги делали это с переменным успехом), но их тяговые характеристики были далеко не идеальными. Это связано с тем, что управление скоростью затруднено без изменения частоты, а зависимость от напряжения для управления скоростью дает крутящий момент на любой заданной скорости, который не является идеальным. Вот почему двигатели серии постоянного тока были наиболее распространенным выбором для тяговых целей до 1990-х годов, поскольку ими можно управлять с помощью напряжения и они имеют почти идеальную характеристику зависимости крутящего момента от скорости.

В 1990-х годах в высокоскоростных поездах начали использовать более легкие и не требующие особого обслуживания трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. В N700 Синкансэн используется трехуровневый преобразователь для преобразования 25 кВ однофазного переменного тока напряжением в переменный ток напряжением 1520 В (через трансформатор) , постоянный ток 3 кВ (через фазоуправляемый выпрямитель с тиристором) в напряжением до 2300 В трехфазный переменный ток (через переменное напряжение, преобразователь переменной частоты с использованием IGBT с широтно-импульсной модуляцией ) для запуска двигателей. Система работает в обратном порядке при рекуперативном торможении .

Выбор напряжения 25 кВ был связан с эффективностью передачи электроэнергии в зависимости от напряжения и стоимости, а не с четким соотношением питающего напряжения. Для данного уровня мощности более высокое напряжение позволяет снизить ток и, как правило, повысить эффективность при более высоких затратах на высоковольтное оборудование. Было обнаружено, что 25 кВ является оптимальной точкой, где более высокое напряжение все равно повысит эффективность, но не значительно по сравнению с более высокими затратами, связанными с необходимостью использования более крупных изоляторов и большего расстояния от конструкций.

Во избежание коротких замыканий высоковольтное оборудование должно быть защищено от влаги. Погодные явления, такие как « неправильный тип снега », в прошлом приводили к сбоям. Пример атмосферных причин произошел в декабре 2009 года, когда четыре поезда Eurostar сломались внутри туннеля под Ла-Маншем .

Распределение

Электроэнергия для электрификации переменного тока напряжением 25 кВ обычно берется непосредственно из трехфазной системы электропередачи . понижающий трансформатор На передающей подстанции к двум из трех фаз высоковольтной сети подключается , который понижает напряжение до 25 кВ . Затем он подается, иногда за несколько километров, на железнодорожную питающую станцию, расположенную рядом с путями. Распределительное устройство на фидерных станциях и в кабинах секционирования путей, расположенных на полпути между фидерными станциями, обеспечивает переключение на питание ВЛ от соседних фидерных станций в случае потери электроснабжения на одной фидерной станции.

Поскольку используются только две фазы высоковольтного источника питания, перекос фаз корректируется путем подключения каждой фидерной станции к разной комбинации фаз. Чтобы пантограф поезда не соединял вместе две фидерные станции, которые могут находиться в противофазе друг с другом, нейтральные секции на фидерных станциях и в кабинах секционирования пути предусмотрены . SVC используются для балансировки нагрузки и контроля напряжения.

В некоторых случаях к подстанциям с однофазными трансформаторами переменного тока строились выделенные однофазные линии электропередачи переменного тока. Такие линии были построены для снабжения французских TGV .

Стандартизация

Электрификация железных дорог с использованием переменного тока напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц стала международным стандартом. Существует два основных стандарта, определяющих напряжения системы:

• EN   50163:2004+A1:2007 – «Железнодорожное оборудование. Напряжения питания тяговых систем»
• МЭК   60850 – «Железнодорожное оборудование. Напряжения питания тяговых систем»

Допустимый диапазон допустимых напряжений указан в вышеуказанных стандартах и ​​учитывает количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от подстанции.

Электрификация система	Напряжение
	Мин. непостоянный	Мин. постоянный	Номинальный	Макс. постоянный	Макс. непостоянный
25 кВ 50   Гц	17,5 кВ	19 кВ	25 кВ	27,5 кВ	29 кВ

Эта система теперь является частью стандартов совместимости трансъевропейских железных дорог Европейского Союза (1996/48/EC «Взаимодействие трансъевропейской системы высокоскоростных железных дорог» и 2001/16/EC «Взаимодействие трансъевропейской системы обычных железных дорог»). ").

Вариации

Использовались системы, основанные на этом стандарте, но с некоторыми вариациями.

25 кВ переменного тока частотой 60 Гц

См. также: Список систем электрификации железных дорог: переменный ток 25 кВ, 60 Гц.

В странах, где 60 Гц является нормальной частотой сети, 25 кВ при 60 Гц для электрификации железных дорог используется напряжение .

• В Канаде на линии Де-Монтань Метрополитен транспортного агентства Монреаля .
• В Японии на линиях Токайдо, Саньо и Кюсю Синкансэн (с использованием 1435 мм или 4 фута 8 + 1 ⁄ 2 дюйма ).
• В Южной Корее в сети Korail .
• На Тайване на линии Тайваньской высокоскоростной железной дороги (с использованием 1435 мм или колея 4 фута 8 + 1 ⁄ 2 дюйма ) и на Тайваньской железнодорожной администрации электрифицированных линиях (с использованием колеи 1067 мм или 3 фута 6 дюймов ).
• В Соединенных Штатах на новых электрифицированных участках Северо-восточного коридора (т.е. сегменте Нью-Хейвен-Бостон) междугородные пассажирские линии, пригородные линии New Jersey Transit , Денвера пригородная железная дорога RTD и некоторые изолированные короткие линии. В залива Сан-Франциско районе Caltrain в настоящее время реализует проект электрификации , который должен быть завершен в сентябре 2024 года.

20 кВ переменного тока частотой 50 или 60 Гц

В Японии это используется на существующих железнодорожных линиях в регионах Тохоку , Хокурику , Хоккайдо и Кюсю , из которых Хокурику и Кюсю имеют частоту 60   Гц .

12,5 кВ переменного тока частотой 60 Гц

Некоторые линии в США были электрифицированы на 12,5 кВ, 60 Гц или переведены с 11 кВ, 25 Гц на 12,5 кВ, 60 Гц . Использование частоты 60 Гц позволяет осуществлять прямое питание от   электросети с частотой 60 Гц, но при этом не требует большего зазора для проводов для 25 кВ, 60 Гц или возможности использования двойного напряжения для поездов, также работающих на 11 кВ, 25 Гц линиях . Примеры:

• Metro-North Railroad компании Линия Нью-Хейвен от Пелхэма, штат Нью-Йорк, до Нью-Хейвена, Коннектикут (с 1985 года; ранее 11   кВ, 25   Гц).

12 кВ и 25 Гц

Основные статьи: тяговая система Amtrak с частотой 25 Гц и тяговая система SEPTA с частотой 25 Гц.

• компании New Jersey Transit Береговая линия Северного Джерси от Матавана, штат Нью-Джерси, до Лонг-Бранча, штат Нью-Джерси (1988–2002 годы; изменено на 25   кВ, 60   Гц).
• Амтрак
• СЕПТА - обе стороны бывшей железной дороги Ридинг и бывшей Пенсильванской железной дороги .

6,25 кВ переменного тока

На ранней стадии электрификации железных дорог переменного тока частотой 50   Гц в Соединенном Королевстве планировалось использовать участки с напряжением переменного тока 6,25 кВ там, где просвет под мостами и в туннелях был ограничен. Подвижной состав был двухвольтным с автоматическим переключением между 25 кВ и 6,25 кВ . Секции 6,25 кВ были преобразованы в переменный ток 25 кВ в результате исследовательской работы, которая показала, что расстояние между оборудованием под напряжением и заземлением может быть уменьшено по сравнению с тем, которое первоначально считалось необходимым.

Исследование проводилось с использованием паровой машины под мостом в Крю . Участок ВЛ -25 кВ постепенно приближался к заземленным металлоконструкциям моста под воздействием пара из дымовой трубы локомотива. Расстояние, на котором произошло перекрытие, было измерено и использовано в качестве основы для расчета новых зазоров между подвесным оборудованием и конструкциями.

50 кВ переменного тока

Иногда напряжение 25 кВ удваивается до 50 кВ , чтобы получить большую мощность и увеличить расстояние между подстанциями. Такие линии обычно изолируются от других линий, чтобы избежать осложнений из-за пересечения. Примеры:

• 50 Гц Железорудная железная дорога Сишен-Салданья ( ) .
• Энергетическая железная дорога Дезерет , которая представляла собой изолированную угольную железную дорогу ( 60 Гц ).
• Ныне закрытая железная дорога Чёрная Меза и озеро Пауэлл , которая также была изолированной угольной железной дорогой ( 60 Гц ).
• Ныне закрытое подразделение Tumbler Ridge компании BC Rail ( 60 Гц ).

Автотрансформаторная система 2×25 кВ

1. Трансформатор питания
2. Источник питания
3. Воздушная линия
4. Беговая рельса
5. Фидерная линия
6. Пантограф
7. Локомотив-трансформер.
8. Воздушная линия
9. Автотрансформатор
10. Беговая рельса

система 2 × 25   кВ Автотрансформаторная представляет собой систему электроснабжения с расщепленной фазой 25   , которая подает поездам мощность   кВ, но передает мощность 50 кВ для уменьшения потерь энергии. Не следует путать ее с   системой 50 кВ. В этой системе ток в основном передается между воздушной линией и фидерной линией электропередачи, а не по рельсам. ВЛ (3) и фидер (5) находятся на противоположных фазах, поэтому напряжение между ними составляет 50   кВ, а напряжение между ВЛ (3) и ходовыми рельсами (4) остается на уровне 25   кВ. Периодические автотрансформаторы (9) отводят обратный ток от нейтральной шины, повышают его и направляют по фидерной линии. Первоначально эта система была развернута в 1981 году на новой тогда французской высокоскоростной железнодорожной линии Париж-Лион . и в 1988 году стал использоваться Новозеландскими железными дорогами . Индийские железные дороги , Российские железные дороги , Итальянские высокоскоростные железные дороги, Британская высокоскоростная линия 1 , большая часть главной линии Западного побережья и перекрестка , при этом некоторые части старых линий постепенно преобразуются, Французские линии (линии LGV и некоторые другие линии ), большинство испанских высокоскоростных железнодорожных линий, Amtrak и некоторые финские и венгерские линии.

Повышенное напряжение

Для мировых рекордов скорости TGV во Франции напряжение было временно повышено до 29,5   кВ. и 31   кВ в разное время.

25 кВ на линиях широкой колеи

• В Аргентине на линии Рока (колея 1676 мм или 5 футов 6 дюймов ).
• В Австралии :
  • Аделаида : часть пригородной сети ( 50 Гц ).
• Содружество Независимых Государств : части сети ( 50 Гц ).
• В Финляндии : см. железнодорожный транспорт в Финляндии ( 50 Гц ).
• В Индии : см. железнодорожный транспорт в Индии и Центральную организацию электрификации железных дорог ( 50 Гц ).
• В Испании : Атлантическая ось и HSL Мадрид-Галисия между Оренсе и Сантьяго ( 50 Гц ).
• В Португалии : см. список железнодорожных линий Португалии ( 50 Гц ).

25 кВ на узкоколейных линиях

• В Австралии :
  • Перт : вся пригородная сеть, см. железные дороги в Перте ( 50 Гц ).
  • Квинсленд : см. электрификацию железных дорог в Квинсленде ( 50 Гц ).
• В Малайзии : см. железнодорожный транспорт в Малайзии ( 50 Гц ).
• В Новой Зеландии : см. Главную магистраль Северного острова и электрификацию железной дороги Окленда ( 50 Гц ).
• В Южной Африке : см. железнодорожный транспорт в Южной Африке (25 и 50 кВ, 50 Гц ).
• На Тайване : см. железнодорожный транспорт на Тайване ( 60 Гц ).
• В Таиланде : см. Темно-красную линию SRT и Светло-красную линию SRT ( 50 Гц ).
• В Тунисе : см. железнодорожный транспорт в Тунисе ( 50 Гц ).

Другие напряжения при электрификации 50 Гц

• Во Франции , трамвай Монблан и Шмен-де-фер-дю-Монтенверс : 11 кВ.
• В Германии , Хамбахбан и железная дорога Север-Юг : 6,6 кВ.

Мультисистемные локомотивы и поезда

Основная статья: Мультисистема (железнодорожная)

Поезда, которые могут работать более чем на одном напряжении, скажем, 3   кВ/25   кВ, являются устоявшимися технологиями. Некоторые локомотивы в Европе способны использовать четыре разных стандарта напряжения.

См. также

• Электрификация железных дорог переменного тока 15 кВ
• Список систем электрификации железных дорог
• Роторный фазовый преобразователь

Дальнейшее чтение

• Кинор, Гарри. Электрификация воздушных линий железных дорог.
• Букок, Колин (1991). Электрификация восточного побережья . Ян Аллан. ISBN  0-7110-1979-7 .
• Гиллхэм, Джей Си (1988). Эпоха электропоездов – электропоезда в Великобритании с 1883 года . Ян Аллан. ISBN  0-7110-1392-6 .
• Гловер, Джон (2003). Восточный Электрик . Ян Аллан. ISBN  0-7110-2934-2 .
• Машефер-Тассен, Ив; Нувион, Фернан; Войман, Жан (1980). История электрической тяги, т.1 . Железнодорожная жизнь. ISBN  2-902808-05-4 .
• Нок, ОС (1965). Новая железная дорога Великобритании: электрификация главных линий Лондон-Мидленд от Юстона до Бирмингема, Сток-он-Трент, Крю, Ливерпуля и Манчестера . Лондон: Ян Аллан. OCLC   59003738 .
• Нок, ОС (1974). Электрик Юстон в Глазго . Ян Аллан. ISBN  0-7110-0530-3 .
• Материалы конференции по электрификации Британских железных дорог, Лондон, 1960 г. - Электрификация железных дорог на промышленной частоте . Лондон: Совет Британских железных дорог. 1960.
• Семменс, Питер (1991). Электрификация маршрута Восточного побережья . Патрика Стивенса Лтд. ISBN  0-85059-929-6 .