Con el desarrollo de la industria y la agricultura del país, la cantidad de bienes que deben transportarse de una región del país a otra está aumentando, y esto requiere transporte ferroviario para aumentar la capacidad de carga y transporte de los ferrocarriles. En nuestro país, más de la mitad de la facturación total de carga se controla mediante tracción eléctrica.
En la Rusia zarista no había ferrocarriles eléctricos. La electrificación de las vías principales se describió en los primeros años del poder soviético durante la organización de la economía planificada del país.
En el plan GOELRO desarrollado en 1920, se prestó atención al aumento de la capacidad de carga y transporte de los ferrocarriles al cambiarlos a tracción eléctrica. En 1926, la línea Baku-Surahani con una longitud de 19 km se electrificó con un voltaje en la red de contacto de 1200 V CC. En 1929, la sección suburbana Moscú-Mytishchi, de 17.7 km de largo con un voltaje en la red de contacto de 1500 V, se cambió a tracción eléctrica. En 1932, se electrificó la primera sección principal Khashuri-Zestafonn en el Paso Suramsky del Cáucaso, 63 km de largo con un voltaje de 3000 V DC. actual. Después de esto, comenzó la electrificación de algunas de las condiciones climáticas más severas, las secciones y líneas más cargadas con un perfil pesado.
Al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, se transfirieron las secciones más difíciles del Cáucaso, los Urales, Ucrania, Siberia, el Ártico y los suburbios de Moscú con una longitud total de aproximadamente 1900 km. Durante la guerra, las líneas se electrificaron en los Urales, en los suburbios de Moscú y Kuibyshev, con una longitud total de unos 500 km.
Después de la guerra, fue necesario restaurar secciones de ferrocarriles electrificados en la parte occidental del país, ubicados en el territorio ocupado temporalmente por el enemigo. Además, era necesario convertir nuevas secciones pesadas de ferrocarriles a tracción eléctrica. Las secciones suburbanas, previamente electrificadas a un voltaje de 1,500 V en el cable de contacto, se convirtieron a un voltaje de 3,000 V. A partir de 1950, desde la electrificación de secciones individuales, cambiaron a la tracción eléctrica de todas las direcciones de carga y el trabajo comenzó en las líneas Moscú-Irkutsk, Moscú -Kharkiv, etc.
Un aumento en el flujo de carga económica nacional y un aumento en el tráfico de pasajeros requieren locomotoras más potentes y un aumento en el número de trenes. A un voltaje en la red de contacto de 3000 V, las corrientes consumidas por potentes locomotoras eléctricas con un número significativo de ellas en la zona de suministro de energía de las subestaciones de tracción causaron grandes pérdidas de energía. Para reducir las pérdidas, es necesario acercar las subestaciones de tracción entre sí y aumentar la sección transversal de los cables de la red de contactos, pero esto aumenta el costo del sistema de suministro de energía. Es posible reducir las pérdidas de energía al reducir las corrientes que pasan a través de los cables de la red de contactos, y para que la energía permanezca igual, es necesario aumentar el voltaje. Este principio se utiliza en un sistema de tracción eléctrica de corriente alterna monofásica de una frecuencia industrial de 50 Hz a un voltaje en la red de contacto de 25 kV.
Las corrientes consumidas por el material rodante eléctrico (locomotoras eléctricas y trenes eléctricos) son significativamente menores que con un sistema de corriente continua, lo que permite reducir la sección transversal de los cables de la red de contactos y aumentar la distancia entre las subestaciones de tracción. Este sistema en nuestro país comenzó a investigarse incluso antes de la Segunda Guerra Mundial. Luego, durante la guerra, tuve que dejar de investigar. En los años 1955-1956. Según los resultados de los desarrollos de la posguerra, la sección experimental Ozherelye-Pavelets de la carretera de Moscú se electrificó a través de este sistema. En el futuro, este sistema comenzó a ser ampliamente introducido en los ferrocarriles de nuestro país junto con un sistema de tracción eléctrica de corriente continua. A principios de 1977, los ferrocarriles electrificados en la URSS se extendían a una distancia de aproximadamente 40 mil km, que es el 28% de la longitud de todos los ferrocarriles del país. De estos, unos 25 mil km en constante y 15 mil km en corriente alterna.
Los ferrocarriles van de Moscú a Karymskoye con una longitud de más de 6300 km, de Leningrado a Ereván - unos 3,5 mil km, Moscú-Sverdlovsk - más de 2 mil km, Moscú-Voronezh-Rostov, Moscú-Kiev-Chop, líneas que conectan el Donbass con la región del Volga y la parte occidental de Ucrania, etc. Además, el tráfico de todos los principales centros industriales y culturales se ha convertido en tracción eléctrica.
En términos de la tasa de electrificación, la longitud de las líneas, el volumen de tráfico y la rotación de carga, nuestro país ha dejado muy atrás a todos los países del mundo.
Intenso electrificación de ferrocarriles causado por sus grandes ventajas técnicas y económicas. En comparación con una locomotora de vapor o con el mismo peso y dimensiones, puede tener una potencia significativamente mayor, ya que no tiene un motor principal (máquina de vapor o motor diesel). Por lo tanto, la locomotora eléctrica proporciona trabajo con trenes a velocidades significativamente más altas y, por lo tanto, aumenta el rendimiento y la capacidad de transporte de los ferrocarriles. El uso del control de varias locomotoras eléctricas desde un puesto (un sistema de muchas unidades) permite aumentar estos indicadores en mayor medida. Las velocidades más altas proporcionan una entrega acelerada de mercancías y pasajeros a su destino y traen un efecto económico adicional para la economía nacional.
La tracción eléctrica tiene una mayor eficiencia en comparación con el diesel y especialmente la tracción de vapor. La eficiencia operativa promedio de la tracción de vapor es de 3-4%, la tracción de diesel es de aproximadamente 21% (con un uso de 30% de potencia de diesel) y la tracción eléctrica es de aproximadamente 24%.
Al alimentar una locomotora eléctrica de viejas centrales térmicas, el coeficiente de eficiencia de la tracción eléctrica es del 16-19% (con el factor de eficiencia de la locomotora eléctrica en torno al 85%). Se obtiene una eficiencia tan baja del sistema con una alta eficiencia de la locomotora eléctrica debido a las grandes pérdidas de energía en los hornos, calderas y turbinas de las centrales eléctricas, cuya eficiencia es del 25-26%.
Las centrales eléctricas modernas con unidades potentes y económicas funcionan con una eficiencia de hasta el 40% y eficiencia La tracción eléctrica al recibir energía de ellos es del 25-30%. La operación más económica de locomotoras eléctricas y trenes eléctricos cuando se alimenta la línea desde una estación hidroeléctrica. En este caso, la eficiencia de la tracción eléctrica es del 60-62%.
Cabe señalar que las locomotoras a vapor y diésel funcionan con combustible costoso y alto en calorías. Las plantas de energía térmica pueden operar con grados más bajos de combustible: lignito, turba, lutita y también usar gas natural. La eficiencia de la tracción eléctrica también aumenta con el suministro de secciones de plantas de energía nuclear.
Las locomotoras eléctricas son más confiables en operación, requieren costos más bajos para inspecciones y reparaciones de equipos y permiten aumentar la productividad laboral en un 16-17% en comparación con la tracción diesel.
Solo la tracción eléctrica tiene la capacidad de procesar la energía mecánica almacenada en el tren en energía eléctrica y proporcionarla durante el frenado regenerativo a la red de contacto para que lo utilicen otras locomotoras eléctricas o automóviles que operan durante este período en modo de tracción. En ausencia de consumidores, la energía puede transferirse al sistema de energía. Debido a la recuperación de energía, es posible obtener un gran efecto económico. Entonces, en 1976, debido a la recuperación, se devolvieron a la red alrededor de 1.700 millones de kWh de electricidad. El frenado regenerativo le permite aumentar el nivel de seguridad del tren, reducir el desgaste de las pastillas de freno y las abrazaderas de las ruedas.
Todo esto hace posible reducir el costo de transporte y hacer que el proceso de transporte de mercancías sea más eficiente.
Debido a la reconstrucción técnica de la tracción en el transporte ferroviario, se ahorraron aproximadamente 1.700 millones de toneladas de combustible, y los costos operativos disminuyeron en 28.000 millones de rublos. Si asumimos que hasta ahora las máquinas de vapor funcionarían en nuestras carreteras, entonces, por ejemplo, en 1974 sería necesario usar un tercio del carbón extraído en el país en sus hornos.
Electrificación de ferrocarriles rusos contribuye al progreso de la economía nacional de las áreas circundantes, ya que las empresas industriales, las granjas colectivas, las granjas estatales reciben energía de las subestaciones de tracción y las plantas de energía diesel locales ineficientes e ineficientes están cerradas. Anualmente, más de 17 mil millones de kWh de energía pasan por las subestaciones de tracción para abastecer a los consumidores sin tracción.
Con la tracción eléctrica, aumenta la productividad. Si con la tracción diésel, la productividad laboral aumenta en 2.5 veces en comparación con el vapor, luego con la eléctrica, en 3 veces. El costo del transporte en líneas electrificadas es 10-15% menor que con la tracción diesel.
El sistema de suministro de energía del ferrocarril electrificado consiste en la parte externa del sistema de suministro de energía, que incluye dispositivos para la generación, distribución y transmisión de energía eléctrica a subestaciones de tracción (exclusivamente);
Parte de tracción del sistema de suministro de energía, que consiste en subestaciones de tracción de dispositivos lineales y red de tracción. La red de tracción, a su vez, consiste en una red de contacto, una vía férrea, líneas de suministro y escape (alimentadores), así como otros cables y dispositivos conectados a lo largo de la línea y la suspensión de contacto directamente o mediante autotransformadores especiales.
El principal consumidor de energía eléctrica en la red de tracción es una locomotora. Debido a la disposición aleatoria de los trenes, las combinaciones accidentales de cargas son inevitables (por ejemplo, el paso de trenes con un intervalo mínimo entre trenes), lo que puede afectar significativamente los modos de funcionamiento del sistema de suministro de energía de tracción.
Junto con esto, los trenes que se alejan de la subestación de tracción reciben energía eléctrica a un voltaje más bajo, lo que afecta la velocidad del tren y, como resultado, el rendimiento de la sección.
Además de los motores de tracción que conducen el tren, las locomotoras tienen máquinas auxiliares que realizan diversas funciones. El rendimiento de estas máquinas también está relacionado con el nivel de voltaje en sus terminales. De ello se deduce que en los sistemas de suministro de energía de tracción es muy importante mantener un nivel de voltaje dado en cualquier punto de la red de tracción.
La sección electrificada del ferrocarril es alimentada por el sistema de energía de una región específica. Un diagrama esquemático de la fuente de alimentación de un ferrocarril electrificado se muestra en la Fig. 1.3.
El sistema de suministro de energía externo (I) incluye una estación eléctrica 1, subestación transformadora 2, línea de alimentación 3. El sistema de suministro de energía de tracción (II) contiene una subestación de tracción 4, alimentadores de potencia 5, alimentador de succión 6, red de contactos 7 y riel de tracción 9 (ver Fig. 1.3), así como dispositivos lineales.
El suministro de energía de los ferrocarriles se realiza a lo largo de las líneas de 35, 110, 220 kV, 50 Hz. El sistema de suministro de energía de tracción puede ser corriente directa o alterna.
Fig. 1.3. Diagrama esquemático del suministro de electricidad del ferrocarril electrificado: 1 - central eléctrica del distrito; 2 - subestación transformadora elevadora; 3 - línea de alimentación trifásica; 4 - subestación de tracción; 5 - línea de alimentación (alimentador); 6 - línea de succión (alimentador); 7 - red de contactos; 8 - locomotora eléctrica; 9 - rieles
En los ferrocarriles rusos, se utilizó ampliamente un sistema de suministro de energía de CC con un voltaje en la red de contacto de 3 kV y un sistema de suministro de energía de CA con un voltaje en la red de contacto de 25 kV y 2 × 25 kV, con una frecuencia de 50 Hz.
La longitud de los ferrocarriles electrificados de Rusia al 1 de enero de 2005 ascendía a 42,6 mil km.
Sistema de alimentación de tracción de 3 kV CC
El circuito de alimentación de la sección electrificada del ferrocarril de corriente continua se muestra en la Fig. 1.4.
El suministro de energía a la red de tracción en la mayoría de los casos se realiza desde buses de 110 (220) kV a través de un transformador reductor, que proporciona una reducción de voltaje de hasta 10 kV. Un convertidor está conectado a buses de 10 kV, que consisten en un transformador de tracción y un rectificador. Este último proporciona la conversión de corriente alterna a voltaje directo en buses de 3.3 kV. La red de contacto está conectada al bus positivo y los rieles al bus negativo.
Fig. 1.4. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación de la sección electrificada del ferrocarril de corriente continua con un voltaje en la red de contacto de 3 kV
La característica principal del sistema de suministro de energía de tracción de CC es la conexión eléctrica del motor de tracción con la red de contacto, es decir, hay un sistema de recolección de corriente de contacto. Se proporcionan motores de tracción para locomotoras eléctricas y trenes de corriente continua para un voltaje nominal de 1.5 kV. La conexión en serie por pares de dichos motores le permite tener un voltaje de 3 kV en la red de tracción.
La ventaja de un sistema de corriente continua está determinada por la calidad de un motor de CC en serie, cuya característica cumple en mayor medida los requisitos para motores de tracción.
Las desventajas del sistema de suministro de energía de tracción de corriente continua se pueden llamar de la siguiente manera:
Debido al bajo voltaje en la red de tracción con cargas de corriente y grandes pérdidas de electricidad (la eficiencia total del sistema de tracción eléctrica de corriente continua se estima en 22%);
Con cargas de corriente altas, la distancia entre las subestaciones de tracción es de 20 km o menos, lo que determina el alto costo del sistema de suministro de energía y los altos costos operativos;
Las grandes cargas de corriente determinan la necesidad de tener una suspensión de contacto de una sección transversal más grande, lo que provoca un gasto excesivo significativo de metales no ferrosos escasos, así como un aumento de las cargas mecánicas en los soportes de la red de contactos;
El sistema de tracción eléctrica de CC se caracteriza por grandes pérdidas de energía eléctrica en los reóstatos de arranque de las locomotoras eléctricas durante la aceleración (para el tráfico de cercanías, representan aproximadamente el 12% del consumo total de energía eléctrica para la tracción del tren);
Con la tracción eléctrica de corriente continua, se produce una corrosión intensa de las estructuras metálicas subterráneas, incluidos los soportes de la red de contactos;
Los rectificadores de seis pulsos utilizados hasta hace poco en las subestaciones de tracción tenían un factor de potencia bajo (0,88 ÷ 0,92) y, debido a la no sinusoidalidad de la curva de consumo de corriente, causaron un deterioro en la calidad de la energía eléctrica (especialmente en autobuses de 10 kV).
En las carreteras de DC, hay esquemas de energía centralizados y distribuidos. La principal diferencia entre estos esquemas es el número de unidades rectificadoras en las subestaciones y los métodos de respaldo de energía. Con un esquema de suministro de energía centralizado, las unidades en la subestación deben tener al menos dos. En el caso de la energía distribuida, todas las subestaciones son de una sola unidad, y la distancia entre las subestaciones de tracción se reduce.
Existe el requisito de que, en caso de falla de una unidad, se garanticen las dimensiones normales de movimiento. En el primer esquema, se utilizan unidades (de reserva) adicionales para la redundancia, y en el segundo, se utiliza una negativa consciente a reservar el equipo de la subestación en los nodos y la transición a la redundancia de toda la subestación.
La longitud de los ferrocarriles eléctricos, electrificados por un sistema de corriente continua con un voltaje en la red de tracción de 3 kV, al 1 de enero de 2005 ascendía a 18,6 mil km.
Sistema de alimentación de tracción de corriente alterna monofásica con voltaje de 25 kV, frecuencia de 50 Hz
En los ferrocarriles, electrificados con corriente alterna, el sistema de suministro de energía más utilizado con un voltaje de 25 kV, una frecuencia de 50 Hz. El diagrama del circuito de la fuente de alimentación del área electrificada se muestra en la Fig. 1.5.
Fig. 1.5. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación de la sección electrificada del ferrocarril de voltaje de corriente alterna de la red de contacto 25 kV, frecuencia 50 Hz
El suministro de energía a la red de tracción se realiza desde buses de 110 (220) kV a través de un transformador reductor (de tracción).
Tiene tres vueltas:
I - devanado de alta tensión 110 (220) kV;
II - bobinado de voltaje bajo (medio) de 27.5 kV para alimentar la red de contacto;
III - tensión media (baja) del devanado de 35, 10 kV para alimentar a los consumidores sin tracción.
Los autobuses de 27.5 kV están equipados con alimentadores de contacto. En este caso, las fases A y B alimentan los diferentes hombros de la subestación de tracción. Para separar las fases en la red de contactos, se organiza una inserción neutral. La fase C está conectada a los rieles.
La característica principal del sistema de suministro de energía de tracción de corriente alterna (el acoplamiento electromagnético del motor de tracción con la red de contacto) es proporcionada por un transformador locomotor eléctrico.
Ventajas del sistema:
Los modos de voltaje independientes se establecen en la red de contacto y en el motor de tracción mientras se mantiene el motor DC de tracción;
El voltaje en la red de contacto se incrementa a 25 kV AC. Como resultado, la corriente de carga disminuye a la misma potencia transmitida; se reducen las pérdidas de tensión y potencia;
La distancia entre las subestaciones de tracción se ha incrementado y su número se ha reducido (dos o tres veces);
Tiempo de construcción reducido y mayor ritmo de electrificación;
Consumo de metales no ferrosos reducido.
Desventajas del sistema de suministro de energía de tracción de CA:
El modo de funcionamiento asimétrico de los transformadores trifásicos (para una carga de dos brazos) y, como resultado, el deterioro de la calidad de la energía eléctrica y una disminución significativa de su potencia disponible. Tenga en cuenta que la potencia disponible de un transformador que funciona en modo asimétrico se entiende que significa la potencia correspondiente a la corriente de secuencia directa a dicha carga cuando la corriente en una de las fases del transformador toma un valor nominal;
La no sinusoidalidad del sistema de corrientes consumidas y también el deterioro de la calidad de la energía eléctrica en el sistema de suministro de energía (la curva de la corriente consumida por las locomotoras eléctricas con un rectificador de dos pulsos instalado en ellas contiene armónicos negativos superiores 3, 5, 7 con un gran valor numérico);
Bajo factor de potencia de locomotoras eléctricas de corriente alterna. La eficiencia del sistema de tracción eléctrica en su conjunto se estima en 26%;
La red de tracción de CA es una fuente de influencia electromagnética en dispositivos adyacentes, incluidas las líneas de comunicación, que determina la necesidad de medidas especiales destinadas a reducir la influencia electromagnética;
La presencia de corrientes de ecualización en un circuito de suministro de energía de dos lados de una red de CA de tracción y, en consecuencia, grandes pérdidas adicionales de energía eléctrica.
La longitud de los ferrocarriles eléctricos electrificados por un sistema de corriente alterna con un voltaje en la red de tracción de 25 kV, frecuencia de 50 Hz, al 1 de enero de 2005 ascendía a 24.0 mil km.
Esquema de alimentación externa para subestaciones de tracción para sistemas de tracción eléctrica de corriente continua y alterna.
Los esquemas de suministro de energía para los ferrocarriles electrificados del sistema de energía son muy diversos. Dependen más del sistema de tracción eléctrica utilizado, así como de la configuración del propio sistema de potencia.
Considere el circuito de suministro de energía para sistemas de tracción eléctrica de corriente continua (Fig. 1.6) y corriente alterna (Fig. 1.7).
Por lo general, una línea eléctrica de 50 Hz recibe energía del sistema eléctrico y está ubicada a lo largo del ferrocarril.
Bajo el voltaje del sistema de tracción eléctrica se entiende el voltaje nominal al que se hace el material rodante eléctrico (EPS). También es el voltaje nominal en la red de contacto, el voltaje en los neumáticos de la subestación generalmente se toma un 10% por encima de este valor.
En la fig. 1.6 y 1.7 se indican: 1 - sistema de alimentación; 2 - línea de alimentación; 3 - subestaciones de tracción (con rectificadores, subestaciones de CC y subestaciones transformadoras - alternas); 4 - red de contactos; 5 - rieles; 6 - locomotora eléctrica.
Fig. 1.6. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación del ferrocarril DC
Fig. 1.7. Diagrama esquemático de la fuente de alimentación del ferrocarril AC
Los ferrocarriles electrificados pertenecen a los consumidores de la primera categoría. Para tales consumidores, la energía se proporciona a partir de dos fuentes independientes de electricidad. Estas se consideran subestaciones de distrito individuales, diferentes secciones de autobuses de la misma subestación: distrito o tracción. Por lo tanto, el circuito de suministro de energía de las subestaciones de tracción del sistema de energía debe ser tal que la falla de una de las subestaciones regionales o de la línea de transmisión pueda causar la falla de más de una subestación de tracción. Esto se puede lograr eligiendo un esquema de suministro de energía racional para las subestaciones de tracción del sistema de energía.
Esquemas para conectar subestaciones de tracción a líneaslíneas eléctricas
El circuito de alimentación de las subestaciones de tracción de las líneas eléctricas se muestra en la Fig. 1.8.
Figura 1.8. Esquema de suministro de energía bilateral de subestaciones de tracción desde una línea eléctrica de doble circuito
En general, el esquema de suministro de energía para las subestaciones de tracción depende de la configuración de la red regional, la reserva de energía de las plantas y subestaciones de energía, la posibilidad de su expansión, etc. En todos los casos, tienden a tener un sistema de suministro de energía bidireccional para las subestaciones de tracción (véase la figura 1.8). En la fig. 1.8. marcado: 1 - subestación de tracción de referencia (al menos tres entradas de líneas de alta tensión). Está equipado con un complejo de dispositivos de conmutación de alto voltaje y dispositivos automáticos de protección contra daños; 2 - subestación de soldadura intermedia. Los interruptores de alto voltaje no están instalados, debido a que el sistema de suministro de energía es más barato; 3 - subestación de tránsito intermedio, se proporciona seccionamiento de líneas de alta tensión para reparación o apagado en caso de daños.
Se garantiza la confiabilidad del sistema de suministro de energía mediante el uso de una línea de alto voltaje de doble circuito, que proporciona energía bidireccional a cada red de línea de transmisión de energía, seccionando las líneas de transmisión de energía en las subestaciones de tránsito y la presencia de protección automática de alta velocidad en las subestaciones de referencia, tracción de tránsito y regionales.
Asegurar la eficiencia del sistema de suministro de energía se logra mediante la reducción de equipos de alto voltaje (interruptores) debido a las subestaciones intermedias que no tienen tales interruptores. En caso de daños en estas subestaciones, la protección de alta velocidad desconecta las líneas en las subestaciones de referencia, y en pausa sin corriente, en las intermedias. Las subestaciones intactas se encienden mediante un sistema de recierre automático.
Cuando se alimenta desde una línea de transmisión de un solo circuito, no se permite la conexión de subestaciones en el grifo. Todas las subestaciones están incluidas en la sección de la línea, y en cada subestación, las líneas de transmisión intermedias están seccionadas por un interruptor.
Características de la red de tracción de los circuitos de alimentación de corriente monofásicafrecuencia industrial
En carreteras de corriente alterna monofásica, la red de tracción se alimenta desde una línea de transmisión de energía eléctrica trifásica a través de transformadores, cuyos devanados están conectados a uno u otro circuito.
En los ferrocarriles domésticos, se utilizan principalmente transformadores trifásicos de tres devanados, que se encienden de acuerdo con el esquema estrella-estrella-triángulo, tipo TDTNGE (trifásico, aceite, con enfriamiento forzado - soplado, tres devanados, con regulación de voltaje bajo carga, a prueba de rayos, para tracción eléctrica) con energía 20, 31.5 y 40.5 MV? A. Tensión primaria - 110 o 220 kV, secundaria para tracción - 27.5 kV, para consumidores del distrito - 38.5 y 11 kV.
Para suministrar solo carga de tracción, los transformadores trifásicos de doble devanado del tipo TDG y TDNG se utilizan con un esquema de conexión de devanado estrella-triángulo (-11). La potencia de estos transformadores es la misma que la de los de tres devanados. La conexión del "triángulo" del devanado de tracción le permite obtener características externas más planas. Una parte superior del "triángulo" está unida a los rieles, y las otras dos a diferentes secciones de la red de contactos.
El circuito de alimentación de una red de tracción de corriente alterna monofásica de un transformador trifásico con una conexión de devanado estrella-triángulo se muestra en la Fig. 1.9.
Al suministrar la carga de tracción desde tres fases, las secciones de la red de tracción a la izquierda y a la derecha de la subestación deben alimentarse desde diferentes fases. Por lo tanto, tienen voltajes que no coinciden en fase entre sí.
Fig. 1.9. El circuito de alimentación de una red de corriente alterna monofásica de un transformador trifásico con una conexión de devanado estrella-triángulo
Las corrientes en las fases se pueden obtener directamente de las ecuaciones de Kirchhoff. Si en el momento considerado, a la izquierda de la subestación, la carga es ly a la derecha de n (ver Fig. 1.9), entonces podemos escribir:
Ac = ba + l; (1.1)
Ba = cb + n; (1.2)
Cb = ac - l - n; (1.3)
Ac + ba + cb = 0. (1.4)
De la ecuación (1.4) se sigue:
Ba = - ac - cb. (1.5)
La expresión (1.5) se sustituye en la ecuación (1.1):
Ac = - ac - cb + l. (1.6)
Sustituyendo la fórmula (1.3) en la expresión (1.6), obtenemos:
Ac = - ac - ac + l + n + l;
3 ac = 2 l + n;
Ac = l + p. (1.7)
Al sustituir la fórmula (1.7) en la expresión (1.3), obtenemos:
Cb = l + n - l - n;
Cb = - l - p. (1.8)
Sustituyendo la fórmula (1.8) en la expresión (1.2), obtenemos:
Cb = - l - n + n;
Ba = - l + p. (1.9)
La corriente en las fases del "triángulo" secundario y, en consecuencia, en las fases del devanado primario también se puede encontrar construyendo un diagrama vectorial.
Para construir un diagrama vectorial, se supone que las corrientes de las zonas de alimentación l y n, por lo que se entiende las corrientes de alimentación totales que salen de la subestación, respectivamente, izquierda y derecha, se distribuyen entre los devanados secundarios del transformador. En otras palabras, es necesario determinar la parte de la participación del devanado secundario del transformador en la fuente de alimentación de ambas zonas de alimentación.
Al conectar los devanados del transformador de acuerdo con el esquema y la ausencia de corrientes de secuencia cero en el circuito cerrado "triangular", cada fase puede considerarse independientemente de la otra, es decir, como un transformador monofásico. En este caso, la distribución de cargas en el lado secundario entre las fases está determinada solo por la relación de los valores de resistencia de los devanados. La zona de alimentación izquierda con corriente l es alimentada por el voltaje U ac. Este voltaje se genera tanto en los devanados "ah" como en los devanados "by" y "cz". La resistencia de los devanados "ah" es la mitad de la resistencia de los otros dos devanados conectados en serie. En consecuencia, la corriente l se divide entre estos devanados de CA que generan voltaje en una relación de 2: 1. Del mismo modo dividido actual n.
Construya un diagrama vectorial para determinar las corrientes de fase de un transformador trifásico (Fig. 1.10).
Fig. 1.10. Diagrama vectorial para determinar las corrientes de fase de un transformador trifásico
Dibujemos en el diagrama los vectores de voltajes y corrientes I l, I p. La corriente en los devanados "ah", sobre la base de lo anterior, debe ser igual a la suma de l y p. Si ponemos un valor igual a su longitud en un vector I l, encontraremos ac como la suma de estas partes. La corriente en la fase A de la "estrella" del devanado primario (si tomamos la relación de transformación igual a uno, y la corriente sin carga es igual a cero) será igual a la corriente a.
Del mismo modo, la corriente en el devanado "cz" consiste en py l. Poniéndolos, obtenemos una corriente c. En consecuencia, c = C.
La carga en el devanado “por” está compuesta por la suma - l y n. Sumando los vectores, obtenemos la carga de la tercera fase menos cargada b = B. Tenga en cuenta que la fase menos cargada es la fase “triángulo”, que no está conectada directamente a los rieles.
En el diagrama de la fig. 1.10 muestra los ángulos de cambio de fase A, B, C entre la corriente I A, I B, I C y el voltaje U A, U B, U C. Observe que A\u003e L y C< П, т. е. углы сдвига А и С для двух наиболее загруженных фаз оказываются разными (даже для Л = П). У «опережающей» (по ходу вращения векторов) С угол меньше, чем у «отстающей» фазы А. Это существенно влияет на потери напряжения в трансформаторе.
Para garantizar una carga uniforme de las líneas eléctricas, se alternan cuando se conectan a subestaciones de tracción.
Esquemas de conexión de la subestación de tracción a la línea eléctrica.
Los requisitos para el esquema de conexión son los siguientes:
Asegurar la posibilidad de trabajo paralelo en la red de contacto de subestaciones de tracción adyacentes;
Creación de una carga uniforme de líneas eléctricas.
Si la línea de transmisión de energía es unilateral, el ciclo de tres subestaciones con alternancia de fase diferente asegura su carga uniforme en el área entre la fuente de energía eléctrica y la primera subestación (Fig. 1.1.11). Los generadores de la central eléctrica operarán en un modo de carga simétrica normal. Las líneas de transmisión de voltaje de pérdida de potencia se reducen debido a la reducción de la carga desigual.
Considere el diagrama de conexión de las subestaciones de tracción a las líneas eléctricas (ver. Fig. 1.11).
Número de subestación 1. En este caso, el terminal del transformador "A t" está conectado a la fase A, y los otros dos - "V t" y "C t" - a las fases B y C, respectivamente. Con esta conexión, la subestación se designa tipo I. Construya un diagrama vectorial para esta subestación (Fig. 1.12).
Fase de retraso como\u003e a. En consecuencia, la corriente I ac se desplaza por la corriente I b del brazo vecino en la dirección del retraso. El consumo de potencia reactiva aumenta (en la fase de retraso), lo que conduce a una disminución de la tensión en el mismo.
Fase de avance de CB< b . Следовательно, ток I a сдвигает вектор тока I cb в сторону опережения. Потребление реактивной мощности снижается, напряжение увеличивается.
De lo anterior se deduce que una de las tres fases está menos cargada con uno - medio - B.
Subestación número 2. La pinza del transformador "In t" no se conectará a la fase del mismo nombre, sino a la fase C, que será la fase real. Todas las zonas de alimentación recibirán energía de los puntos "a" y "b", pero ya no tenemos libertad para elegir la fase de energía después de elegir el esquema de energía de la primera subestación de tracción.
Construya un diagrama vectorial (Fig. 1.13). La segunda subestación ha cambiado la secuencia de fases. Si en la primera subestación era ABC (subestación I de tipo), en la segunda se convirtió en ACB (subestación de tipo II). Ahora la fase menos cargada será la fase C.
Subestación No. 3. La fuente de alimentación de la tercera zona desde la subestación No. 2 solo es posible desde el punto “b” (ver Fig. 1.11). Desde la subestación No. 3, la fuente de alimentación de esta zona también debe ser del punto "b". En consecuencia, todas las zonas impares recibirán energía de los puntos "b" y todas las de número par, de los puntos "a".
Construya un diagrama vectorial (Fig. 1.14). El voltaje entre los cables de contacto y los rieles será positivo en áreas pares, y en los impares, negativo, es decir, ya sea en fase coincidente con el voltaje de una de las fases de las líneas de transmisión, o en sentido contrario. Para la subestación No. 3, la fase A es la fase menos cargada. La secuencia de fases será CAB (subestación tipo III).
Fig. 1.12 Diagrama vectorial de voltajes y corrientes para la subestación número 1
Fig. 1.13. Diagrama vectorial de tensiones y corrientes para la subestación número 2
Fig. 1.14. Diagrama vectorial de voltajes y corrientes para la subestación No. 3
El orden de alternancia de las fases menos cargadas de las líneas de transmisión de energía estará determinado por el número de subestaciones en el sitio y el circuito de suministro de energía de la red de tracción.
Cuando se utilizan líneas de transmisión de energía bidireccionales, múltiplos de tres (Fig. 1.15).
Fig. 1.15. Conexión a líneas de transmisión de potencia de subestaciones de tracción de diferentes tipos con potencia bidireccional.
Desafortunadamente, la conexión de un grupo de subestaciones de tracción a una línea de alimentación mediante rotación de fase no resuelve todo el problema del desequilibrio de corriente y voltaje. Estas cuestiones se considerarán por separado.
Sistema de suministro de energía de tracción de tres cablescorriente alterna
Este sistema es un tipo de sistema de alimentación de CA de frecuencia de alimentación, ya que la locomotora en este caso sigue siendo la misma. Como ejemplo, consideramos un sistema de alimentación de CA de 2 × 25 kV con una frecuencia de 50 Hz.
El circuito de alimentación de la sección electrificada del ferrocarril según el sistema de alimentación de tracción de corriente alterna de 2 × 25 kV se muestra en la fig. 1.16.
Figura 1.16. El circuito de alimentación de la sección electrificada del ferrocarril de acuerdo con el sistema de alimentación de tracción de corriente alterna de 2 × 25 kV:
1 - transformadores reductores de las subestaciones n. ° 1 y 2 (monofásica) 220/25 kV; 2 - autotransformadores lineales 50/25 kV con una capacidad de 16 mV? A, instalados entre subestaciones en 10-20 km; 3 - conectar los rieles en el punto medio de un transformador reductor y un autotransformador lineal (LAT); 4 - flujo de potencia a U = 50 kV; 5 - a U = 25 kV; 6 - locomotora eléctrica
La distancia entre subestaciones es de 60 a 80 km.
Las ventajas del sistema incluyen lo siguiente:
Debido a la transferencia de potencia al LAT a un voltaje más alto (50 kV) en la red de tracción, se reducen las pérdidas de potencia y voltaje;
El efecto de blindaje del cable de alimentación de 50 kV reduce la influencia de la red de contacto en las líneas adyacentes.
Las ventajas mencionadas anteriormente del sistema considerado determinan su uso en ferrocarriles con alta densidad de carga y tráfico de pasajeros a alta velocidad.
Las desventajas del sistema incluyen:
Electrificación más costosa debido a la potencia instalada LAT;
La complicación del servicio de red de contacto;
La complejidad de la regulación de voltaje.
Por primera vez, se aplicó un sistema de alimentación de tracción de corriente alterna de tres hilos en Japón en 1971. En 1979, se instaló la primera sección de los Ferrocarriles Bielorrusos Vyazma-Orsha en los países de la Commonwealth.
Actualmente, más de 2 mil km de este sistema están electrificados en los ferrocarriles de Moscú, Gorki y ex Baikal-Amur.
Con más detalle, el sistema de suministro de energía proporcionado se considera en las obras.
Esquemas de energía de red de contacto
Dependiendo del número de rutas de suministro, los circuitos de suministro de energía de la red de contacto pueden ser rutas simples o múltiples. Es posible utilizar tanto el poder unilateral como el bilateral.
En las secciones de una sola pista, los esquemas de alimentación unilateral separada de consola y consola se hicieron comunes. También se usa energía bidireccional.
En las secciones de doble vía hay circuitos de alimentación separados, nodales, de contraconsola, de anillo y paralelos.
La elección de la fuente de alimentación de la red de contactos está asociada a indicadores específicos de su trabajo: fiabilidad y economía. Asegurar la confiabilidad se logra al dividir la red de contactos y automatizar el ensamblaje de circuitos, y la rentabilidad, reduciendo la pérdida de energía eléctrica y cargando uniformemente la red de contactos de secciones y caminos individuales.
Red de contactos del circuito de alimentación que se muestra en la Figura 1.17 y 1.18.
Pista única (ver fig. 1.17). La red de contacto está dividida en dos secciones (aislamiento aislante o inserción neutral), y cada sección se alimenta desde la subestación a través de su alimentador de alimentación. En caso de daño de cualquier sección, solo esta sección se desconecta (fig. 1.17, a). Con el circuito de la consola (Fig. 1.17, b), la sección se alimenta desde una subestación en un lado. En caso de daño, el poder se elimina de toda el área. Con el esquema de contra-voladizo (Fig. 1.17, c), la sección se alimenta desde una subestación en un lado. En cada sitio: su alimentador de alimentación. En el caso de un cierre de una de las subestaciones, la trama queda sin electricidad.
Fig.1.17. Circuito de fuente de alimentación red de contactos sección de vía única
Doble pista (ver fig. 1.18). Un esquema de energía separado (Fig. 1.18, a) proporciona energía para cada ruta independientemente una de la otra. A este respecto, la sección transversal total de la suspensión de contacto disminuye, lo que conduce a un aumento en la pérdida de energía eléctrica. Al mismo tiempo, la fiabilidad de este esquema de energía es mayor en comparación con otros esquemas. El esquema de potencia nodal (Fig. 1.18, b) se realiza utilizando postes de partición. En este caso, la pérdida de energía eléctrica se reduce debido al posible aumento en la sección transversal de la suspensión de contacto. Si la red de contacto está dañada, no se excluye del trabajo toda la zona de la subestación, sino solo el área dañada entre la subestación y el poste de partición.
Figura 1.18. Esquemas de energía de red de contacto de doble vía
El circuito de la consola (Fig. 1.18, c) proporciona energía a cada ruta por separado desde diferentes subestaciones. Las desventajas aquí son las mismas que en el esquema análogo de la sección de una sola pista. El esquema de la consola de consola (Fig. 1.18, d) permite dividir la zona entre estaciones en áreas que no están interconectadas eléctricamente. Cada ruta se alimenta de su propio alimentador. Cuando el alimentador está desconectado, el área no tiene voltaje. Aumento de la pérdida de energía eléctrica.
El esquema de contra-anillo (Fig. 1.18, e) permite alimentar secciones a lo largo del anillo desde dos subestaciones, lo que reduce la pérdida de energía eléctrica y aumenta la confiabilidad. El circuito paralelo (fig.1.18, e) de la potencia recibió el más extendido. En este esquema, la red de contacto está alimentada por dos subestaciones en ambos lados. Dado que la suspensión de contacto de ambos caminos está interconectada eléctricamente, su sección transversal aumenta, lo que conduce a una disminución en la pérdida de energía eléctrica. Sin embargo, el circuito de alimentación en paralelo es altamente confiable en comparación con otros circuitos.
En los ferrocarriles nacionales, el esquema de energía paralela se adopta como el principal.
En el último cuarto del siglo XIX. Se delinearon los contornos de las nuevas direcciones de construcción de locomotoras: construcción de locomotoras eléctricas y diesel.
La posibilidad de utilizar la tracción eléctrica en los ferrocarriles ya fue indicada en 1874 por el especialista ruso F. A. Pirotsky en su solicitud del privilegio. En los años 1875-1876 Realizó experimentos en el ferrocarril Sestroretsk sobre la transferencia de electricidad a través de aislamientos de los rieles del suelo. La transferencia se realizó a una distancia de aproximadamente 1 km. Se usó un segundo riel como cable de retorno. Eloktroenergiya transferido a un pequeño motor. En agosto de 1876, F. A. Pirotsky publicó un artículo en el "Engineering Journal" con los resultados de su trabajo. Estos experimentos lo llevaron a usar electricidad para carritos que se mueven a lo largo de rieles metálicos.
La implementación práctica de la idea del uso de energía eléctrica en el transporte pertenece a Werner Siemens (Alemania), quien construyó el primer ferrocarril eléctrico exhibido en la Exposición Industrial de Berlín en 1879. Representaba un pequeño ferrocarril de vía estrecha destinado a los visitantes de la exposición. Un tren corto de vagones abiertos fue conducido por una locomotora eléctrica con dos motores, que recibió una corriente constante de 150 V desde una tira de hierro colocada entre los rieles. El cable de retorno era uno de los rieles.
En 1881, V. Siemens construyó una sección de prueba de una carretera eléctrica en el suburbio berlinés de Lichterfeld, utilizando un automóvil por primera vez. Se suministró una corriente de 180 V a uno de los rieles de desplazamiento, y el otro riel sirvió como cable de retorno.
Para evitar grandes pérdidas de electricidad, que ocurrieron debido a la pobre capacidad de aislamiento de los durmientes de madera, V. Siemens decidió cambiar el circuito eléctrico del motor eléctrico. Para hacer esto, en el camino eléctrico, construido en el mismo 1881 en la Exposición Mundial de París, se utilizó cable de trabajo suspendido. Representaba un tubo de hierro suspendido sobre los rieles. La parte inferior del tubo estaba provista de una ranura longitudinal. Dentro del tubo había una lanzadera que estaba conectada a través de una ranura con un cable flexible que estaba unido al techo de la locomotora y transmitía corriente eléctrica al motor eléctrico. El mismo tubo, suspendido al lado del primero, sirvió como cable de retorno. Se aplicó un sistema similar a los construidos en 1883-1884. tranvía suburbano Mödling - Forderbrühl en Austria y Frankfurt - Offenbach en Alemania, operando a 350 V.
Aproximadamente al mismo tiempo, en Kinresch (Irlanda), se aplicó un cableado de tercera vía en la línea de tranvía, que se instaló en aisladores cerca de los rieles. Sin embargo, este sistema era completamente inaceptable en las condiciones de la ciudad, interfiriendo con el movimiento de carruajes y peatones.
Es interesante notar que F. A. Pirotsky, quien escribió en 1880 en el periódico St. Petersburg Gazette: "El ferrocarril eléctrico que he construido es el más simple y económico". No requiere el costo de una línea de ferrocarril promedio, en vano aumenta el costo de la carretera en un 5% y detiene el tráfico de carruajes en la ciudad. No requiere costos y pilares de hierro fundido, que son prohibitivamente caros ".
Pirotsky publicó esta carta en relación con los informes de prensa sobre los resultados de las pruebas del tranvía eléctrico realizadas el 3 de septiembre de 1880 en San Petersburgo. En este momento, F. A. Pirotsky estaba intensamente involucrado en la implementación de sus proyectos relacionados con la creación de transporte eléctrico urbano confiable. Entendió que el desarrollo del transporte eléctrico ferroviario principal es imposible sin resolver el problema fundamental de la ingeniería eléctrica: la implementación de la transmisión de electricidad a largas distancias. Considerando esto, F. A. Pirotsky concentró su atención en los experimentos del movimiento eléctrico de un vagón adoptado en ferrocarriles urbanos tirados por caballos. Como resultado, tuvo éxito en 1880 por primera vez para moverse a lo largo de los rieles de un verdadero automóvil de dos niveles. Los resultados de su trabajo, F. A. Pirotsky, se presentaron en 1881 en la Exposición Internacional de Electricidad en París, donde exhibió su esquema de ferrocarril eléctrico.
En 1884 en Brighton (Inglaterra), el ferrocarril eléctrico fue construido de acuerdo con el esquema de Pirotsky y alimentado por uno de los rieles de 7 millas. La operación de un solo automóvil arrojó una ganancia neta, en comparación con los 420 francos a caballo por día.
Desde mediados de los años 80 del siglo XIX. El desarrollo de la tracción eléctrica en los ferrocarriles comienza a ser perseguido enérgicamente por los ingenieros y empresarios estadounidenses, que se dedicaron enérgicamente a mejorar los automóviles eléctricos, así como a los métodos de inyección actuales.
T. A. Edison trabajó en el problema del transporte ferroviario eléctrico en los Estados Unidos, construyendo entre 1880 y 1884 tres pequeñas líneas experimentales. En 1880 creó una locomotora eléctrica, que en su apariencia se parecía a una locomotora de vapor. La locomotora eléctrica funcionaba con corriente eléctrica de los rieles de la vía, uno de los cuales estaba conectado al polo positivo y el otro al polo negativo del generador. En 1883, T. A. Edison, junto con S. D. Field, construyó una locomotora eléctrica más avanzada ("The Judge"), que se exhibió en la exposición en Chicago y más tarde en Louisville.
Las obras del ingeniero estadounidense L. Daft, quien creó la primera locomotora eléctrica de línea principal (Atreg) para calibre estándar, destinada al ferrocarril Saratoga-MacGregor, pertenecen a 1883. En 1885, Daft construyó un modelo de locomotora mejorado para el ferrocarril de caballete de Nueva York. La locomotora, llamada "Benjamin Franklin", pesaba 10 toneladas, tenía una longitud de más de 4 metros y estaba equipada con cuatro ruedas motrices. Se suministró corriente eléctrica con un voltaje de 250 V a lo largo del tercer riel a un motor de 125 litros. c, que podría tirar de un tren de ocho vagones a una velocidad de 10 millas por hora (16 km / h).
En 1884, el ingeniero suizo R. Tori construyó un tren experimental con un engranaje, conectando el hotel en la ladera con la ciudad de Terry (cerca de Montreux en el lago de Ginebra) con su ayuda. La locomotora tenía cuatro ruedas motrices y se movía en una pendiente muy empinada (1:33). Su capacidad era pequeña y permitía transportar cuatro pasajeros simultáneamente. En el descenso durante el proceso de frenado, el motor funcionó como un generador, devolviendo energía eléctrica a la red.
Durante varios años, el pensamiento de ingeniería trabajó incansablemente para mejorar la técnica de suministro de corriente a una locomotora eléctrica.
En 1884, en Cleveland, Bentley y Knight construyeron un tranvía con un cable subterráneo. Un sistema similar se introdujo en 1889 en Budapest. Este método de suministro de energía fue incómodo en la operación, ya que el conducto se contaminó rápidamente.
A fines de 1884 en Kansas City (EE. UU.), Henry probó el sistema con cables aéreos de cobre, uno de los cuales era recto, el otro, el reverso.
En 1885, la construcción del primer tranvía con un cable de trabajo aéreo por el belga Van Depul en Toronto (Canadá) se remonta a 1885. En su circuito, los rieles en funcionamiento sirvieron como cable de retorno. Se construyeron pilares con consolas a lo largo de la línea, a los que se unieron aisladores con un cable de trabajo. El contacto con el cable de trabajo se realizó con la ayuda de un rodillo de metal montado en la barra del tranvía, que "rodó" mientras se movía.
Este sistema de suspensión resultó ser muy racional, después de que se adoptó una mejora adicional en muchos otros países y pronto se convirtió en distribución general. En 1890, unos 2.500 km de carreteras eléctricas tipo tranvía estaban en funcionamiento en los Estados Unidos, y en 1897, 25.000 km. El tranvía eléctrico comenzó a expulsar las viejas formas de transporte urbano.
En 1890, el cable aéreo apareció por primera vez en Europa en la línea de tranvía en Halle (Prusia). Desde 1893, los ferrocarriles eléctricos en Europa se han desarrollado a un ritmo acelerado, con el resultado de que en 1900 su longitud alcanzaba los 10 mil km.
En 1890, se aplicó tracción eléctrica en una carretera subterránea de Londres construida. Se suministró corriente eléctrica de 500 V al motor eléctrico por medio del tercer riel. Este sistema resultó ser muy exitoso para carreteras con lonas independientes y comenzó a extenderse rápidamente en otros países. Una de sus ventajas es la posibilidad de electrificación de carreteras con un consumo muy alto de electricidad, que incluye el metro y los ferrocarriles principales.
En 1896, la tracción eléctrica con un tercer carril conductor se introdujo por primera vez en la sección del ferrocarril Baltimore-Ojai. La electrificación tocó un tramo de carretera en la aproximación a Baltimore, de 7 km de largo. Se colocó un túnel de 2.5 kilómetros en esta sección de la ruta, lo que llevó a los constructores a electrificarlo. Las locomotoras eléctricas que trabajan en esta sección recibieron energía eléctrica del tercer riel a un voltaje de 600 V.
Los primeros ferrocarriles electrificados eran pequeños en longitud. La construcción de ferrocarriles de larga distancia encontró dificultades asociadas con grandes pérdidas de energía, que son causadas por la transmisión de corriente continua a largas distancias. Con la llegada de los transformadores de CA en la década de 1980, que permitieron transferir la corriente a largas distancias, se introdujeron en las líneas eléctricas de los ferrocarriles.
Con la introducción de transformadores en el sistema de suministro de energía, se formó el denominado "sistema de CC trifásico" o, de lo contrario, "un sistema de CC con transmisión de energía trifásica". La central eléctrica producía una corriente trifásica. Se transformó en alto voltaje (de 5 a 15 mil V, y en los años 20, hasta 120 mil V), que se alimentó a las secciones correspondientes de la línea. Cada uno de ellos tenía su propia subestación de bajada, desde la cual la corriente alterna se dirigía a un motor eléctrico de CA montado en un eje con un generador de CC. Fue alimentado con electricidad de alambre de trabajo. En 1898, se construyó en Suiza un ferrocarril de longitud significativa con un lienzo independiente y un sistema de corriente trifásico que conectaba Friburgo-Murten-Ints. Fue seguido por la electrificación de una serie de otras secciones de ferrocarriles y subterráneos.
Para 1905, la tracción eléctrica reemplazó completamente al vapor en las carreteras subterráneas.
Shukhardin S. "Técnica en su desarrollo histórico"
Se hablaron de las primeras posibilidades de equipar el ferrocarril con electricidad en 1874. El especialista ruso F.A. Durante el período de tiempo mencionado, Pirotsky realizó los primeros experimentos prácticos en las vías del ferrocarril cerca de Sestroretsk, donde fue posible transferir energía eléctrica mediante el uso de rieles aislados del suelo.
Los primeros intentos de equipar la electricidad.
El trabajo se realizó a una distancia de un kilómetro. El segundo riel sirvió como cable de retorno. La energía eléctrica resultante se suministró a un pequeño motor. Dos años después, después del comienzo del trabajo, un especialista F. Pirotsky publica un artículo sobre los resultados obtenidos en una de las revistas de ingeniería técnica. El resultado final fue que habían probado la puesta en marcha de carros en movimiento con la ayuda de la electricidad recibida a través de los ferrocarriles.
La primera aplicación práctica.
Werner Siemens, que vive en Alemania, hizo un uso práctico de la electricidad en el ferrocarril. La Exposición Industrial de Berlín de 1879 exhibió este logro en sus plazas, en forma de un ferrocarril de vía estrecha, que tuvo el honor de pasar por los invitados de la exposición. El tren consistía en varios vagones de tipo abierto arrastrados por una locomotora eléctrica. El movimiento fue proporcionado por dos motores alimentados por corriente continua, el voltaje de ciento cincuenta voltios fue dado por una tira de hierro ubicada en el espacio entre rieles. Uno de los rieles en ejecución sirvió como cable de retorno.
Trama de prueba
Dos años más tarde, en la parte suburbana de Berlín de Lichterfeld, el inventor V. Siemens completó la construcción de ferrocarriles de prueba provistos de energía eléctrica, y un vagón equipado con un motor lo llevó a través. El voltaje era de ciento ochenta voltios y se alimentaba a un riel en funcionamiento; esto era, por así decirlo, un cable de retorno.
Para excluir una posible gran pérdida de energía eléctrica debido al mal aislamiento debido al uso de durmientes de madera en esta capacidad, el ingeniero Werner Siemens tuvo que cambiar el concepto de suministro de energía para el motor eléctrico.
Primera experiencia en el sistema de electrificación en suspensión.
La Exposición Mundial de París se convirtió en la plataforma donde la gente vio el camino eléctrico utilizando un disco de trabajo. Esta fuente de alimentación tenía la forma de un tubo de hierro suspendido sobre las vías del tren. Se hizo una hendidura longitudinal en el fondo del tubo. En la parte interna de la tubería, se movía una lanzadera, que se conectaba a través de un cable flexible a través de una ranura existente y se conectaba directamente a la superficie de la locomotora del techo, transfiriendo así la corriente al motor eléctrico.
Un tubo similar se suspendió uno al lado del otro, paralelo al primer tubo, y sirvió como accionamiento inverso. Se utilizó un sistema similar en los tranvías creados en 1884, que aparecieron en los territorios alemanes y austriacos en las ciudades de Offenbach, Frankfurt, Vorderbruhl y Mödling. Para garantizar que el voltaje del movimiento del tranvía se aplicaba a trescientos cincuenta voltios.
La ciudad irlandesa de Kinresh en los mismos años se convirtió en una especie de plataforma para los innovadores que utilizaron el tercer riel como conductor actual en las líneas de tranvía. Se instaló utilizando aisladores paralelos a los rieles. Desafortunadamente, este nuevo esquema no tuvo una larga aplicación práctica, ya que en condiciones urbanas, era un obstáculo claro para los peatones y los carruajes de caballos.
El trabajo del ingeniero ruso.
Lo más interesante es que Fedor Apollonovich Pirotsky, publicado en el periódico St. Petersburg Gazette, advirtió sobre todas estas circunstancias de fatalidad técnica para el suministro de energía para un motor eléctrico, en una de sus obras. El texto directo decía que su descendencia en forma de ferrocarril eléctrico es la construcción más simple y barata. No hay necesidad de hacer costos adicionales para tender la línea de ferrocarril central, lo que aumenta el costo del proyecto en un cinco por ciento a la vez y obstaculiza el tráfico en las calles de la ciudad. Para la implementación de su proyecto no será necesaria la compra de pilares de hierro fundido, lo que costará un dinero considerable. Posteriormente, los inventores extranjeros escucharon una advertencia tan sensata del ingeniero ruso y pusieron todo en práctica.
Inventor FA Pirotsky participó activamente en la implementación de su proyecto, dándose cuenta de que el transporte urbano y ferroviario no tiene futuro sin electricidad. De acuerdo con los resultados de su nueva investigación y prueba, será un automóvil de dos niveles que apareció en las calles de San Petersburgo, moviéndose en las vías del tren. En 1881, este automóvil fue exhibido en la exposición de París.
La ciudad inglesa de Brighton se convirtió en pionera en la implementación práctica del proyecto del ingeniero ruso en 1884. La longitud del ferrocarril eléctrico, donde solo se alimentaba un carril, era de siete verstas. Como resultado, el beneficio neto de un automóvil eléctrico en comparación con la tripulación que trabajaba en un carro tirado por caballos ascendía a cuatrocientos veinte francos durante la jornada laboral.
Desarrollos de ingenieros estadounidenses.
En el continente americano, tampoco se quedaron de brazos cruzados, sino que se dedicaron activamente a mejorar el método de conexión actual en un locomóvil eléctrico ya creado.
Investigador estadounidense TA Edison llevó a cabo trabajos de búsqueda para mejorar la locomotora ferroviaria, que consumía electricidad como combustible. Por un período de cuatro años, hasta 1884, T.A. Edison pudo crear tres caminos de corta distancia. La versión de locomotora eléctrica de la locomotora creada se parecía más a un modelo de locomotora. La energía fue generada por generadores. Uno de los rieles de la vía estaba alimentado por el negativo, el otro riel estaba conectado al polo positivo del generador. Ya en 1883, en la exposición de Chicago, una locomotora moderna para ese tiempo que consume corriente eléctrica, llamada "El juez", aparece en uno de los lugares. La creación de esta versión de locomotora eléctrica se llevó a cabo en estrecha colaboración con otro inventor, SD. Campo
Al mismo tiempo, el ingeniero estadounidense L. Duft logra construir el primer modelo de la locomotora eléctrica principal, llamada "Atreg". Lokomotiv utilizó el medidor estándar en las vías del ferrocarril desde MacGregor a Saratoga. Posteriormente, L. Daft logró mejorar las cualidades técnicas de su propia versión de locomotora, pero ahora se llama como "Benjamin Franklin", su peso es de diez toneladas, cuatro metros de largo. Había ruedas motrices en las cuatro ruedas. El suministro de corriente eléctrica, cuyo voltaje era de doscientos cincuenta voltios, se llevó a cabo mediante el tercer riel, que aseguró el funcionamiento del motor, cuya potencia alcanzó el nivel de ciento veinticinco caballos de fuerza. Fueron suficientes para que el tren tuviera ocho vagones, y los siguieron, conducidos por una locomotora eléctrica, a una velocidad de dieciséis kilómetros por hora.
Gearing Swiss Road
El ingeniero suizo Sr. R. Thorn, en el mismo 1884 construyó un ferrocarril experimental, que tiene un engranaje. Como resultado, el pueblo de Tori y el hotel de montaña recibieron una fuerte pendiente, seguida de una pequeña locomotora eléctrica con cuatro ruedas motrices. Los parámetros de capacidad fueron insignificantes y permitieron el transporte de pasajeros de solo cuatro personas. Al descender por la pendiente, se activó el modo de frenado y el motor eléctrico se convirtió en un generador, transfiriendo la energía eléctrica generada a la red.
Electrificación en Rusia
Proyecto
Los diseñadores de todos los países trabajaron para mejorar las versiones existentes de locomotoras eléctricas, así como en la técnica de suministro de electricidad a la locomotora.
Su camino fue la electrificación en el Imperio ruso. El proyecto de cómo electrificar el primer ferrocarril nacional apareció a fines del siglo XIX, en 1898. Pero no fue hasta 1913 que se inició la construcción de la línea eléctrica Oranienbaum desde San Petersburgo a Krasnye Gorki. No fue posible implementar los planes existentes en su totalidad, debido al estallido de la Primera Guerra Mundial. Como resultado, secciones limitadas de la carretera se convirtieron en una ruta de tranvía de la ciudad. En Strelna y hoy los tranvías siguen los caminos.
En el período posrevolucionario, el joven gobierno de la RSFSR inicia el desarrollo del famoso plan GOELRO y lo aprueba en 1921. La electrificación de las rutas se realizaría en diez o quince años. La longitud de las nuevas formas del proyecto fue de tres mil quinientos kilómetros, cubriendo solo una pequeña parte de las direcciones más importantes.
Empezando
Los primeros ferrocarriles eléctricos aparecieron en 1926 en la ruta, cuando siguieron: de Surakhan a Sabunchi y luego a la capital de Azerbaiyán, Bakú. Tres años después, los trenes eléctricos dominan la ruta suburbana desde Moscú-Pasajero a Mytishchi por el Ferrocarril del Norte.
Pasó un poco más de tiempo, y en 1932, la sección de paso Suramsky recibió suministro de electricidad. Ahora en este camino, el movimiento principal proporcionó locomotoras eléctricas. El sistema de tracción eléctrica utilizaba corriente continua, cuyo voltaje alcanzó un valor de tres mil voltios. En los años siguientes, fue ampliamente utilizado en los ferrocarriles de la Unión Soviética. Los primeros días de operación de la locomotora eléctrica mostraron claramente su ventaja en comparación con la locomotora de vapor. Estos indicadores fueron el rendimiento y la eficiencia energética.
Para 1941, la longitud de todos los caminos provistos de energía eléctrica era de mil ochocientos sesenta y cinco kilómetros.
Periodo de posguerra
En el primer año de posguerra, las líneas electrificadas alcanzaron una longitud total de dos mil veintinueve kilómetros. Cabe señalar que seiscientos sesenta y tres kilómetros de la carretera fueron restaurados, y de hecho, prácticamente, reconstruidos.
Hubo una restauración activa de la capacidad de producción de las fábricas destruidas durante la guerra. En la ciudad de Novocherkassk, aparece una nueva empresa que se especializa en la producción de locomotoras. Dos años después de la guerra, la planta de producción de mezclas eléctricas de Riga comenzó a funcionar.
No debemos olvidar que en ese difícil período de posguerra, la electrificación de las líneas ferroviarias requirió inyecciones significativas de asignaciones de efectivo. Por lo tanto, el volumen de crecimiento de las formas con la electricidad fue muy por detrás de los planes planificados y ascendió a solo el trece por ciento. Había muchas razones para esto, comenzando con la escasa financiación del trabajo y terminando con el alto costo de los materiales necesarios para llevar a cabo dicha construcción.
Años 50
En los años cincuenta, en el siglo XX, el nivel de volúmenes dominados en relación con las cargas planificadas era del setenta por ciento.
En el XX Congreso del Partido, Primer Secretario del Comité Central del PCUS, N.S. Jruschov, todo el liderazgo de la UIP está sujeto a duras críticas. Parte de los funcionarios fue removido de sus puestos.
Uno de los objetivos del Quinto Plan Quinquenal fue la construcción de nuevas instalaciones para centrales eléctricas que puedan satisfacer las necesidades de un ferrocarril electrificado.
Los planes maestros posteriores creados requeridos para electrificar cuarenta mil kilómetros de ferrocarriles en 1970.
Subir
Y nuevamente, la industrialización ayuda a lograr el desarrollo anual de la construcción de ferrocarriles, equipados con electricidad por un monto de dos mil kilómetros.
En marzo de 1962, hubo informes triunfales sobre el cumplimiento de las cargas planificadas del ciento cinco por ciento, que en términos físicos fue de ocho mil cuatrocientos setenta y tres kilómetros. Todo esto atestigua vívidamente el retraso anterior detrás del nivel de los resultados deseados.
En los años setenta, el siglo XX, comienza el reemplazo en masa de los rectificadores de semiconductores en lugar de los rectificadores de mercurio que se encuentran en las subestaciones. Cada nueva subestación construida estaba equipada solo con equipos semiconductores. Todo esto significó que las unidades inversoras más potentes y confiables aparecieron en la Unión Soviética. Permitieron el retorno del exceso de energía, que se generó utilizando material rodante durante el período de frenado eléctrico a la red externa primaria.
La desconexión segura y rápida de la corriente en la red de cables de contacto siempre ha sido difícil y dolorosa, especialmente durante un cortocircuito.
Finalmente, aparecieron poderosos disyuntores en las subestaciones ferroviarias.
Se instalaron en parejas en un esquema secuencial.
Periodo ruso
Con la llegada del siglo XXI, hay una disminución notable en la tasa de construcción de ferrocarriles electrificados en los ferrocarriles rusos, un año: cuatrocientos cincuenta kilómetros. Algunas veces este valor cayó a ciento cincuenta kilómetros, y a veces se elevó a setecientos kilómetros. Gran parte de los caminos electrificados se traducen en corriente alterna. Una modernización similar se llevó a cabo en el Cáucaso, las carreteras de octubre y en las zonas siberianas.
Sochi - 2014
En la víspera de los Juegos Olímpicos de Invierno de 2014, se construyó inmediatamente un nuevo ferrocarril electrificado en la ruta de Adler a Krasnaya Polyana. Hoy, la República de Bielorrusia continúa trabajando en la electrificación de los ferrocarriles en su territorio.
2. Sistemas de suministro de energía de ferrocarriles eléctricos, empresas de transporte ferroviario y modos de su trabajo.
2.1 Breve historia y estado actual de electrificación de ferrocarriles.
2.1.1 La historia de la tracción eléctrica.
El primer EZHD fue demostrado en 1879 por Siemens en una exposición industrial en Berlín. La locomotora eléctrica de 2.2 kW transportaba tres autos con 18 pasajeros. En San Petersburgo, en 1880, se realizaron viajes experimentados a 40 automóviles locales con un motor eléctrico de 3 kW. En 1881, la primera línea de tranvía comenzó a operar en Berlín. En Rusia, el primer tranvía se lanzó en 1892. La primera sección del ferrocarril con locomotora eléctrica se abrió en los Estados Unidos en 1895.
2.1.2 Las principales etapas de electrificación de los ferrocarriles en Rusia. Planes de electrificación.
La electrificación de los ferrocarriles de Rusia fue descrita por el Plan Estatal de Electrificación (GOELRO) en 1920. El primer ferrocarril eléctrico de corriente continua con un voltaje de 3 kV Baku-Sabunchi se puso en marcha en 1926. En 1932, las primeras locomotoras eléctricas pasaron por el Paso Suram en el Cáucaso. En 1941 fue electrificado 1865 km. Durante la Gran Guerra Patria de 1941-1945, la electrificación de los ferrocarriles continuó: las secciones Chelyabinsk - Zlatoust, Perm - Chusovskaya, etc. La sección electrificada de Murmansk - Kandalaksha trabajó constantemente en la zona de primera línea.
El plan maestro para la electrificación de los ferrocarriles de la URSS se adoptó en 1956. A partir de este año, la tasa de entrada de tracción eléctrica ha aumentado significativamente.
La tasa de electrificación en la URSS fue:
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Kilómetros |
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A principios de 1991, se electrificaron 55,2 mil km. De 147500 km de los ferrocarriles de la URSS, esto fue del 37,4%. El volumen de tráfico en los ferrocarriles eléctricos fue del 65%. Por lo tanto, 1/3 de los ferrocarriles están electrificados y 2/3 de las mercancías se transportan en ellos. Electrificado, por regla general, las direcciones más intensivas en carga. Esta proporción de electrificación ferroviaria y carga transportada indica una significativa eficiencia de electrificación ferroviaria.
La longitud de los ferrocarriles electrificados por año:
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Total, mil km |
En corriente alterna, mil km |
Longitud en% de longitud total |
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En toda Rusia | |||
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Planes de electrificación | |||
Sobre el trabajo eléctrico de tales áreas de los ferrocarriles:
Vyborg - San Petersburgo - Moscú - Rostov del Don - Tbilisi - Ereván, Bakú - 3642 km.
Moscú - Kiev - Lviv - Chop - 1765 km.
Moscú - Samara - Ufa - Tselinograd - Chu - 3855km.
Brest - Minsk –Moscú - Sverdlovsk - Omsk - Irkutsk - Chita - Jabárovsk - Vladivostok - 10,000 km. En 2002 se completó la electrificación de Transib.
Ufa - Cheliábinsk - Omsk - Irtysh - Altai - Abakán - Tayshet - Severobaykalsk - Taksimo
Hasta 1956, la electrificación de los ferrocarriles se realizaba exclusivamente con corriente continua, primero con un voltaje de 1.5 kV, luego - 3 kV. En 1956, se electrificó la primera sección de una corriente alterna con un voltaje de 25 kV (la sección Ozherel'e - Pavelets de la carretera de Moscú).
La etapa de transferir un voltaje eléctrico de CC de 3 kV a una corriente alterna de 25 kV ha comenzado.
En noviembre de 1995, por primera vez en la práctica mundial, la sección principal del ferrocarril Zima-Slyudyanka tenía 434 km de largo con una corriente continua de 3 kV y una corriente alterna de 25 kV. En este caso, se eliminaron dos estaciones de acoplamiento. Esto ha aumentado el peso de los trenes de carga. Se creó una sola carretera continua Mariinsk - Khabarovsk con una longitud de 4.812 km y 2002 a Vladivostok, electrificada utilizando un sistema de suministro de energía de CA de 25 kV. En octubre de 2000, la sección Loukhi-Murmansk con corriente alterna (490) km del ferrocarril de octubre fue transferida a corriente alterna.
Información estadística sobre la electrificación de los ferrocarriles rusos:
por longitud: tracción diésel - 53,2%, tracción eléctrica - 46,8%;
en términos de volúmenes de transporte: tracción diésel - 22,3%, tracción eléctrica 77,7%;
por tipo de corriente: corriente continua con voltaje de 3 kV - 46.7%, corriente alterna con voltaje de 25 kV - 53.35%;
Cuota de ferrocarriles electrificados de Rusia en el mundo:
la longitud de la red ferroviaria total del mundo: Rusia - 9%, otros países del mundo - 91%;
por longitud de ferrocarriles electrificados: Rusia - 16.9%, otros países del mundo - 83.1%.
El programa de electrificación de ferrocarriles y cambio de flujos de carga de diésel a tramos electrificados prevé el período 2001-2010 para electrificar 7.640 km y transferir aproximadamente 1.000 km de líneas ferroviarias de corriente continua a corriente alterna. Al mismo tiempo, el 90% de la nueva electrificación se realiza con corriente alterna y solo algunas ramas con corriente continua. Para 2010, Rusia tendrá 49.1 mil km de líneas electrificadas. Esto representará el 56.7% de la longitud total de la red ferroviaria, con el 81.2% del volumen total del tráfico. Rusia caerá en el área de uso óptimo de la tracción eléctrica.
La introducción de la tracción eléctrica tiene los siguientes pasos:
1. Electrificación de áreas suburbanas en una corriente continua de 1.5 kV;
2. Electrificación de los tramos principales del ferrocarril con una tensión de 3 kV y transferencia a la tensión de 3 kV de las zonas suburbanas.
3. Introducción de una corriente alterna con un voltaje de 25 kV junto con la expansión de un polígono de corriente continua con un voltaje de 3 kV. Se ha desarrollado un sistema confiable para unir dos tipos de corriente al seccionar la red de contactos.
4. Introducción de un sistema de alimentación de autotransformador de tres hilos de sobretensión 2х25 kV y reducción de la electrificación en una corriente continua de 3 kV.
5. Transferencia de secciones de una corriente continua a una corriente alterna.
Electrificación de ferrocarriles
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