Электрическая тяга локомотивов

Электрическая тяга локомотивов

Реферат

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТЯГА ЛОКОМОТИВОВ

Автономные локомотивы являются «самодвижущимися» машинами - локомотивами в подлинном смысле этого термина. Однако эта «независимость» (т.е. автономность) покупается большой ценой - она делает конструкцию локомотива сложной и тяжелой, так как связана с необходимостью нести на себе собственную энергетическую установку, размеры и масса которой достаточно велики и растут с увеличением мощности. Размеры же самого локомотива ограничены: в поперечном сечении - железнодорожными габаритами, а по длине - условиями прохождения кривых участков пути, длиной имеющихся локомотивных зданий и поворотных кругов и др. Масса локомотива ограничена допускаемыми по прочности пути нагрузками от его колесных пар на рельсы.

Поэтому давно возникла идея упростить и облегчить конструкцию локомотивов, переведя их на централизованное энергообеспечение от внешнего источника, по принципу работы городского рельсового электротранспорта - трамвая.

Наиболее ясно эту идею можно проиллюстрировать на примере конкретного типа автономного локомотива - паротурбовоза, о котором написано в предыдущем параграфе. Его громоздкая паросиловая энергетическая установка включает в себя паровой котел, паровую турбину и приводимый ею электрический турбогенератор и по сути дела представляет собой передвижную электростанцию. Разместить ее вместе с достаточными запасами топлива и воды на локомотиве трудно. Выйти из положения можно, разместив всю эту энергетическую установку на земле, т.е. сделать электростанцию стационарной, а вырабатываемую ею электроэнергию передавать тяговым электродвигателям (ТЭД) дистанционно.

В таком случае электростанция не ограничена размерами и массой, ее конструкцию можно как угодно усложнять, чтобы повысить кпд. Она может снабжать энергией не один локомотив, а несколько, работающих на большом участке железной дороги, т.е. значительно увеличить ее мощность. Одна мощная электростанция эффективнее десятков локомотивных энергетических установок.

В результате создается новая система - электрифицированная железная дорога. Она объединяет локомотивы - электровозы, работающие на линии, и устройства их энергоснабжения.

Следовательно, электровоз является неавтономным локомотивом. Его функционирование возможно лишь при подводе энергии извне, оно зависит от работы электростанций и состояния остальных элементов энергетической цепи электрифицированной железной дороги (рис. 1,а).

Рис.1 Структурная схема электрифицированной ж.д. постоянного тока

- топка; 2 - паровой котел; 3 - паровая турбина; 4 - электрический генератор; 5 - тяговые электродвигатели; 6 - колесные пары

Поэтому работу и эффективность электровоза и электрифицированной железной дороги следует рассматривать и оценивать в составе всего комплекса систем и устройств, которые обеспечивают преобразование внутренней химической энергии природного топлива (в том числе и ядерного «горючего» - в случае питания от атомной электростанции) в механическую работу силы тяги, т.е. рассматривать систему электрической тяги в целом.

Становление электрической тяги. «Борьба идей». Попытки применить электрические двигатели в различных видах транспорта для создания движущей силы возникали давно. Однако они носили лишь демонстрационный и кустарный характер, так как кроме примитивных и маломощных гальванических элементов других источников электричества человечество еще не знало. Например, еще в 1834 г. русский академик Б.С. Якоби на реке Неве (в Петербурге) продемонстрировал работу лодки с электроприводом мощностью около 0,4 кВт с питанием от электрохимических батарей.

Реальные шаги по созданию колесного электрического транспорта могли быть сделаны после изобретения электрических машин. В 1866 г. немецкий электротехник Вернер Сименс разработал проект динамомашины постоянного тока, которая, как мы знаем, обратима, т.е. может работать и в качестве генератора, и в качестве двигателя. В это же время конструкции такой машины создавали и другие изобретатели. Бельгийский физик З. Грамм в 1869- 1870 гг. построил самовозбуждающийся генератор постоянного тока более совершенной конструкции.

Несколько позже, в 1878 г. великий американский изобретатель Томас Эдисон разработал свою конструкцию генератора. В 1889 г. российский электротехник М.О. Доливо-Добровольский, работавший в Германии, создал первый в мире трехфазный асинхронный двигатель.

Распространению подобных изобретений способствовало промышленное производство электрической энергии, и одним из ее потребителей стал железнодорожный транспорт.

Первый опыт использования электрической тяги на рельсах показал в 1879 г. Вернер Сименс (кстати, основатель современной могучей электротехнической корпорации «Сименс»). На промышленной выставке в Берлине для посетителей был сделан своеобразный аттракцион - по рельсовому пути длиной 270 м курсировал маленький локомотивчик (с мощностью мотора чуть больше 2 кВт), который вез за собой пять вагонеток с лавками для пассажиров - посетителей выставки. Спустя три года В. Сименс показал свою транспортную систему на Промышленно-художественной выставке в Москве.

Между изобретателями разных стран развернулось своего рода соревнование. В 1880 г. российский инженер Ф.А. Пироцкий оборудовал пассажирский вагон Петербургской конки тяговыми электродвигателями и провел первые опыты применения электрической тяги, для чего в Санкт-Петербурге была построена первая электрическая рельсовая дорога. В том же году Т. Эдисон построил около своей лаборатории недалеко от Нью-Йорка экспериментальную электрифицированную дорогу длиной 600 м, а в 1882 г. сделал другой опытный участок - для общего пользования.

По проекту В. Сименса в 1881 г. под Берлином был проложен пригородный участок, по которому курсировал моторный вагон. В 1890 г. электрифицирована линия метро в Лондоне длиной 5,5 км, которая до этого с 1863 г. работала на паровозной тяге.

Первой в мире в 1895 г. была электрифицирована магистральная железная дорога Балтимор - Огайо (США) протяженностью 115 км. Для нее компанией «Дженерал Электрик», которую основал Т. Эдисон, был построен первый в мире четырехосный магистральный электровоз.

Во всех этих случаях надо было решать вопрос, как передавать электрическую энергию движущемуся транспортному средству. Изобретатели приходили к разным решениям. Это позволило известным специалистам, профессорам МИИТа И.П. Исаеву и В.П. Феоктистову назвать начальный период становления электрической тяги «борьбой идей».

Ф.А. Пироцкий и Т. Эдисон использовали для создания замкнутой электрической цепи оба рельса, изолированных друг от друга, и колесную пару вагона. В. Сименс, лондонские метростроители и американские железнодорожники использовали дополнительный третий рельс, который играл роль плюсового провода, а токоприемники и рельсы - в качестве отрицательного провода. Кстати, третий (контактный) рельс как средство подвода энергии и сейчас используется на метрополитенах.

Однако наземный рельсовый транспорт (городской и магистральный) потребовал применения вместо третьего рельса специального изолированного контактного провода, подвешенного над любыми транспортными средствами (трамвай, троллейбус, электровоз) на безопасной высоте.

Венгерский инженер К. Кандо в 1901 г. разработал систему электрической тяги на трехфазном переменном токе для Симплонского тоннеля в Альпах (между Швейцарией и Италией). Для его проекта уже нужны были два изолированных контактных провода, третий - рельсовый путь.

Электрификация железных дорог в России и СССР. В начале XX в. известный русский ученый-энергетик Г.О. Графтио разработал ряд проектов электрификации железных дорог. Один из них в 1912 г. был утвержден - электрификация участка Петербург - Царское Село. Однако из-за начала первой мировой войны проекты остались не реализованными.

Практическая электрификация железных дорог в нашей стране началась с пригородных участков. В 1926 г. было открыто движение электропоездов на участке Баку - Сабунчи - Сураханы длиной 19 км, который был электрифицирован по системе постоянного тока напряжением 1,2 кВ. В 1929 г. началась электрификация Московского железнодорожного узла: первым на электротягу постоянного тока напряжением 1,5 кВ перевели участок Москва - Мытищи (17,7 км), на котором 1 октября 1929 г. открыли регулярное движение пригородных поездов. С 1947 г. все ранее электрифицированные участки стали переводить на напряжение 3 кВ в контактной сети постоянного тока, и эта система была принята за основную при дальнейшей электрификации железных дорог СССР.

(Здесь надо сделать одно пояснение. В литературе помимо значений напряжения в контактной сети постоянного тока 1,5 и 3 кВ встречаются значения 1,65 и 3,3 кВ. Но речь идет об одних и тех же системах: просто первые цифры являются расчетными значениями напряжения в контактном проводе и на токоприемниках электроподвижного состава, а вторые - это значения напряжения на шинах тяговых подстанций, которые на 10 % выше для компенсации падения напряжения в контактной сети.)

В 1956 г. был электрифицирован опытный участок Ожерелье - Павелец (137 км) на однофазном переменном токе промышленной частоты 50 Гц и напряжением в контактной сети 22 кВ. С 1959 г. напряжение в системе повысили до 25 кВ, и эта система переменного однофазного тока, при которой тяговые электродвигатели электровозов работают на выпрямленном постоянном токе, также была принята за основную при дальнейшей электрификации сети железных дорог СССР.

Первые отечественные грузовые электровозы Сс (сурамский советский) и ВЛ19 (серия названа в честь В.И. Ленина, цифра 19 указывала нагрузку от оси на рельсы) были построены в 1932 г. на Коломенским заводе совместно с Московским заводом «Динамо». Первый пассажирский электровоз серии ПБ (Политбюро) также выпущен Коломенским заводом в 1934 г.

В дальнейшем (после 1945 г.) производство новых электровозов в СССР сосредоточили на Новочеркасском и Тбилисском заводах, а моторвагонных электропоездов - на заводах в Риге.

Заметим, что электровозы и электропоезда вместе, как совокупность технических средств для движения по электрифицированным железным дорогам, имеют общее название «электроподвижной состав» (ЭПС).

В настоящее время на дорогах России применяются две системы электрической тяги: постоянного тока с номинальным напряжением в контактной сети 3 кВ и однофазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц с номинальным напряжением 25 кВ.

Работа электрифицированной железной дороги. Энергетическая цепь системы электрической тяги постоянного тока (см. рис. 9,а) состоит из следующих основных элементов: электростанции, как правило, тепловой (ТЭС), высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), тяговых подстанций (ТП), контактной сети (КС), электровозов (ЭЛ) и рельсового пути в качестве обратного провода.

Принцип работы системы электрической тяги постоянного тока рассмотрим с помощью структурной схемы энергетической цепи (см. рис. 9,б), на которой показаны этапы преобразования внутренней химической энергии топлива в механическую работу силы тяги.

Тепловая электростанция на схеме представлена в виде отдельных энергетических устройств: топка 1, паровой котел 2, паровая турбина 3, электрический генератор 4. На электровозе выделены токоприемник ТС, электрические аппараты силовой цепи ЭА, тяговые электродвигатели 5 и колесные пары 6.

Топливо (уголь, мазут, газ и др.), обладающее внутренней химической энергией (ВХЭ), подается в топку 1 котельной ТЭС (см. рис. 9,а) и там сгорает. Образуются горячие газы - продукты сгорания (носители тепловой энергии), которые нагревают воду в паровом котле 2 и, как на паровозе, при кипении вода передает свою тепловую энергию образующемуся пару.

Необходимо, однако, отметить, что процесс преобразования внутренней химической энергии топлива в тепловую энергию пара в стационарной котельной установке ТЭС по сравнению с паровозом протекает значительно экономичнее (кпд котельной установки ТЭС, работающей при значительно более высоких давлениях и температурах, чем на паровозе, достигает 80 - 90 %, а в целом кпд ТЭС - 35 - 36 %).

Сжатый пар из котла 2 попадает на лопатки паровой турбины 3, заставляя ее ротор вращаться. Вал ротора паровой турбины 3 жестко связан с ротором электрического генератора 4. В генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую. Обычно ТЭС вырабатывают трехфазный переменный ток частотой 50 Гц и номинальным напряжением 6 - 10 кВ.

Как известно, в нашей стране электроэнергия вырабатывается не только тепловыми (ТЭС) электростанциями, но и гидростанциями (ГЭС), атомными (АЭС), а также ветровыми, солнечными, геотермальными и приливными электростанциями.

Кпд ГЭС составляет 80 - 85 %, АЭС - 30 - 35 %. Однако основное значение в электроэнергетике страны имеют тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС), на которых, например, в 2004 г. было выработано 67 % всей электроэнергии (на ГЭС - 19 %, на АЭС - 14 %). Примерно такое же соотношение выработки электроэнергии на различных типах электростанций наблюдается в большинстве развитых стран (хотя в некоторых странах доля ТЭС существенно выше).

От электростанции электрическая энергия подается к потребителю - электрифицированной железной дороге. Однако железные дороги могут быть удалены от источника энергии (ТЭС) на расстояния в сотни километров. Поэтому в энергетическую цепь электрифицированных дорог включены высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), которые предназначены для передачи энергии на большие расстояния.

Потери электроэнергии при ее передаче уменьшаются, если снизить силу тока I. Это обстоятельство можно объяснить на основании закона Ома, в соответствии с которым падение напряжения  в цепи электрического тока равно , где  - сопротивление цепи. Учитывая, что потери электроэнергии (мощности)  равны произведению падения напряжения  на силу тока I, т.е. , после подстановки значения  получим .

Чтобы уменьшить величину сопротивления линий электропередачи, нужно увеличивать сечение и, следовательно, массу проводов, что неэкономично. На практике применяется более простой и дешевый способ снижения величины потерь  - уменьшение силы тока за счет повышения напряжения .

Для работы электровозов к нему из контактной сети должна подводиться определенная величина электрической мощности Р, т.е. . Следовательно, для уменьшения потерь энергии достаточно повысить напряжение передаваемого тока.

По линии электропередачи электрический ток поступает к тяговым подстанциям (ТП), которые располагаются вблизи железной дороги. На ТП постоянного тока с помощью понижающего трансформатора сначала уменьшают напряжение тока до рабочего, т.е. примерно до 3,3 - 3,5 кВ, а затем в выпрямительной установке трехфазный переменный ток преобразуется в постоянный. Постоянный электрический ток напряжением 3,3 кВ поступает в контактную сеть (КС).

Все преобразования электроэнергии в энергетической цепи 5 - 9 приводят к ее потерям, величина которых может быть оценена с помощью кпд устройств электроснабжения .

Следовательно, до 20 % энергии, выработанной на электростанции, теряется при передаче ее к электрифицированным железным дорогам постоянного тока.

От контактной сети через токоприемник электрический ток напряжением 3 кВ поступает к электрическим аппаратам (ЭА) силовой цепи электровоза и распределяется ими по тяговым электродвигателям 5 постоянного тока. Механическая энергия от якоря ТЭД с помощью тягового редуктора передается на колесные пары 6 и реализуется при взаимодействии колес с рельсами в работу силы тяги  (см. рис. 9).

На электрифицированной железной дороге переменного тока на тяговой подстанции происходит лишь понижение напряжения до 27,5 кВ. Однофазный переменный ток 25 кВ от контактной сети поступает на электровоз переменного тока, тяговые электродвигатели которого являются все же машинами постоянного тока.

Поэтому на электровозы такого типа дополнительно устанавливают тяговые трансформаторы и выпрямительные установки, с помощью которых однофазный электрический ток преобразуется в постоянный, а затем электрическими аппаратами силовой цепи распределяется по ТЭД электровоза.

Кпд электровозов с учетом затрат энергии на собственные нужды составляет 80 - 85 %. Перемножив значения кпд основных элементов энергетической цепи электрифицированных железных дорог ТЭС (35 - 36 %), устройств электроснабжения (80 - 85 %), электровоза (80 - 85 %), получим, что среднее значение кпд электрической тяги при электроснабжении от ТЭС может быть равным 23 - 26 % (см. рис. 9,б).

Контактная сеть. Важное место в системах постоянного и переменного тока электрических железных дорог занимает контактная сеть, которая работает на открытом воздухе и подвержена воздействию климатических факторов (температура и другие параметры воздуха, скорость ветра, гололед и др.), механическому воздействию (силы трения скольжения) со стороны токоприемников, а также электрохимическое и тепловое действие тяговых и других токов.

Контактная сеть с контактной подвеской в общем случае может состоять из следующих основных элементов (рис. 10): контактный провод 1, несущий трос 2, опоры 3 сети, консоли 4, изоляторы И, струны 5, усиливающий провод 6 и арматура 7 контактной сети (компенсаторы, анкеры, фиксаторы и др.).

Наиболее ответственным элементом контактной сети является контактный провод 1. На отечественных дорогах применяют контактные провода специального профиля, изготавливаемые из электротехнической меди, с площадью поперечного сечения 75, 100, 120 и 150 мм2. В России контактный провод маркируют буквами и цифрами, указывающими материал, профиль и площадь сечения в мм2 (например, МФ-120 - медный, фасонный, площадь сечения 120 мм2).

В процессе эксплуатационной работы контактные провода из-за механического трения с токоприемниками ЭПС изнашиваются, наблюдаются случаи их пережога и разрыва вследствие искрения и воздействия электрических дуг, возникающих в зоне контакта токоприемников и провода.

электровоз железный дорога тяга

Рис. 10. Общее устройство контактной сети: 1 - контактный провод; 2 несущий трос; 3 - опора сети; 4 - консоли; 5 - струны; 6 - усиливающий провод; 7 - арматура; И - изоляторы; Н - высота подвешивания контактного провода

В результате контактные провода подвергаются ремонту или замене на новые. Зная плотность меди (= 8,96 г/см3), несложно определить массу, например, контактного провода марки МФ-150 длиной 1 км для однопутного пути - 1344 кг. Таким образом, «упрощение» конструкции неавтономных локомотивов по сравнению с автономными видами тяги неизбежно приводит к появлению на железных дорогах достаточно сложной в техническом отношении и дорогостоящей системы.

Плюсы и минусы электрической тяги. Отметим достоинства электрической тяги: этот вид тяги в 4 - 5 раз экономичнее паровой; заметно улучшены условия труда локомотивных бригад; мощность энергетической установки ЭПС ограничена лишь мощностью и габаритными размерами тяговых электродвигателей, что позволяет строить магистральные локомотивы большой секционной мощности (15 000 кВт и более).

Основные недостатки электрической тяги вытекают из ее достоинств неавтономность и большие капитальные затраты на электрификацию железных дорог.

Электрификация железных дорог в мире. В таблице приведены показатели электрификации (протяженность и доля в % электрифицированных линий от общей протяженности дорог в стране) для крупнейших железнодорожных систем мира (к крупнейшим отнесены железные дороги стран, эксплуатационная длина которых превышает 20 тыс. км).

По масштабам электрификации крупнейшие железнодорожные системы мира делятся примерно на три группы.

К первой группе относят железные дороги Японии, ЮАР, Польши, Германии и России, общая протяженность сети которых составляет порядка 190 тыс. км (15 % мировой сети), и где в каждой стране электрифицированы 50 - 60 % протяженности железных дорог. Причем Российские железные дороги, где доля электрификации 50 %, естественно, занимают первое место в мире по общей протяженности электрифицированных дорог и объемам грузовых перевозок по ним.

Показатели электрификации крупнейших железнодорожных систем мира:

Вторая группа - железные дороги Украины, Франции, КНР и Индии, где процент электрификации железных дорог лежит в пределах от 21,3 % (Индия) до 42,1 % (Украина). Общая протяженность этих систем составляет примерно 180 тыс. км (около 14 % мировой сети).

Третья группа крупнейших железнодорожных систем мира - дороги Северной и Южной Америки (Канада, Мексика, США, Аргентина, Бразилия), общей протяженностью порядка 380 тыс. км (или 30 % мировой сети), где электрифицированные железные дороги используются очень ограниченно - от 0,3 % по протяженности (Канада) до 1,1 % (США и Аргентина) или до 3,75 % (Бразилия). Общая протяженность электрифицированных дорог во всех этих странах составляет немногим более 3,2 тыс. км. Средний процент электрификации на дорогах всей Америки - 0,85 %.

Наибольший возможный процент протяженности электрифицированных железных дорог может быть оправдан и имеет место лишь в очень малых странах:

·  100 % - Грузия, где дороги были электрифицированы во времена существования СССР (протяженность дорог 1570 км, из которых сейчас примерно 200 км в Абхазии не функционируют, а вся страна в нынешнее время испытывает острый недостаток электроэнергии);

·        95 % - Швейцария (3100 км), Люксембург (270 км);

·        91 % - Армения (843 км).

Средний процент электрификации железных дорог по всем 14 крупнейшим железнодорожным системам (их протяженность 750 тыс. км, а суммарная протяженность электрифицированных - 144,8 тыс. км, см. таблицу) составляет 19,3 %.

Общая протяженность электрифицированных железных дорог в мире оценивается примерно в 160 тыс. км, что составляет 12,8 % всей сети.

Уровень электрификации железных дорог России на фоне вышеприведенных средних цифр должен считаться более, чем современным.

Литература

Вилькевич Б.И. Электрические схемы тепловозов ЗТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ10Л, ТЭП60. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 2003. 221 с

Драче в Г. Г. Аккумуляторы подвижного состава. М.: Транспорт, 2000. 160 с.

Маневровые тепловозы/Г. И. Белобаев, В. Н. Бурьяница, М. К. Гавриленко и др. Под ред. Назарова Л. С. М.: Транспорт, 2007. 408 с.

Пассажирский тепловоз ТЭП60/Г. А. Жилин, М. С. Малинов, А. М. Родов и др. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Транспорт, 2006. 376 с.

Пассажирский тепловоз ТЭП70/Ю. В. Хлебников, Г. Е. Серделевич, Б. Н. Морошкин. М.: Транспорт, 2006. 232 с.