Электрификация железных дорог переменным током (AC) напряжением 15 киловольт (кВ) и частотой 16,7 герц (Гц) применяется на транспортных железных дорогах Германии , Австрии , Швейцарии , Швеции , Норвегии . Высокое напряжение позволяет передавать большую мощность с более низкой частотой, снижая потери тяговых двигателей , которые были доступны в начале 20 века. В электрификации железных дорог в конце 20-го века, как правило, используются системы переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц , которые стали предпочтительным стандартом для новых электрификаций железных дорог, но расширение существующих сетей 15 кВ не является совершенно маловероятным. В частности, в Готардском базовом туннеле (открытом 1 июня 2016 года) до сих пор используется электрификация 15 кВ, 16,7 Гц.
Из-за высоких затрат на преобразование маловероятно, что существующие системы 15 кВ, 16,7 Гц будут преобразованы в 25 кВ, 50 Гц, несмотря на то, что это уменьшит вес бортовых понижающих трансформаторов на одну треть от массы бортовых понижающих трансформаторов. присутствующие устройства.
На первых электрифицированных железных дорогах использовались двигатели постоянного тока с последовательной обмоткой сначала на 600 В , а затем на 1500 В. В регионах с контактными сетями постоянного тока 3 кВ (в основном в Восточной Европе ) использовались два последовательно соединенных двигателя постоянного тока на 1500 В. Но даже при напряжении 3 кВ ток, необходимый для питания тяжелого поезда (особенно в сельской и горной местности), может быть чрезмерным. Хотя увеличение напряжения передачи уменьшает ток и связанные с ним резистивные потери для заданной мощности, ограничения по изоляции делают тяговые двигатели более высокого напряжения непрактичными. Таким образом, трансформаторы на каждом локомотиве должны понижать высокое напряжение передачи до практического рабочего напряжения двигателя. До разработки подходящих способов эффективного преобразования постоянного тока с помощью силовой электроники эффективным трансформаторам строго требовался переменный ток (AC); таким образом, на электрифицированных железных дорогах высокого напряжения наряду с системой распределения электроэнергии был принят переменный ток (см. «Война токов» ).
Сеть переменного тока частотой 50 Гц (60 Гц в Северной Америке) была создана еще в начале 20 века. Хотя двигатели с последовательной обмоткой в принципе могут работать как на переменном, так и на постоянном токе (по этой причине они также известны как универсальные двигатели ), у больших тяговых двигателей с последовательной обмоткой были проблемы с такими высокими частотами. Высокое индуктивное сопротивление обмоток двигателя вызывало проблемы с перекрытием коммутатора , а неламинированные магнитные полюсные наконечники, изначально предназначенные для постоянного тока, демонстрировали чрезмерные потери на вихревые токи . Использование более низкой частоты переменного тока облегчило обе проблемы.
В немецкоязычных странах высоковольтная электрификация началась в 16 веке.+2 ⁄ герца , ровно одна треть частоты национальной электросети 50 Гц. Это облегчило работуротационных преобразователейот сетевой частоты и позволило специальным железнодорожнымгенераторамработать с той же скоростью вала, что и стандартный генератор с частотой 50 Гц, за счет уменьшения количества пар полюсов в три раза. Например, генератор, вращающийся со1000 об/мин, будет иметь две пары полюсов, а не шесть.
Отдельные электростанции поставляют железнодорожную электроэнергию в Австрии, Швейцарии и Германии, за исключением Мекленбург-Передней Померании и Саксонии-Анхальт ; Преобразователи, работающие от сети, обеспечивают электроэнергию для железных дорог в этих двух немецких землях, а также в Швеции и Норвегии. В Норвегии также есть две гидроэлектростанции, предназначенные для обеспечения железной дороги с 16+ Выходная частота 2 ⁄ герц .
Первыми генераторами были синхронные генераторы переменного тока или синхронные трансформаторы; однако с появлением современных индукционных генераторов с двойным питанием управляющий ток индуцировал нежелательную постоянную составляющую, что приводило к проблемам с перегревом полюсов. Проблема была решена путем небольшого смещения частоты ровно на одну треть частоты сетки; Частота 16,7 Гц была выбрана произвольно, чтобы оставаться в пределах допуска существующих тяговых двигателей. Австрия, Швейцария и Южная Германия перевели свои электростанции на частоту 16,7 Гц 16 октября 1995 года в 12:00 по центральноевропейскому времени. [1] [2] Обратите внимание, что региональные электрифицированные участки, работающие от синхронных генераторов, сохраняют частоту 16+2 ⁄ Гц ,так как Швеция и Норвегия по-прежнему управляют своими железнодорожными сетями на уровне 16+2 ⁄ Гц повсюду.
Одним из недостатков локомотивов с частотой 16,7 Гц по сравнению с локомотивами с частотой 50 или 60 Гц является более тяжелый трансформатор, необходимый для снижения напряжения воздушной линии до уровня, используемого двигателями и их механизмами регулирования скорости. Низкочастотные трансформаторы должны иметь более тяжелые магнитные сердечники и обмотки большего размера для того же уровня преобразования мощности. (См. влияние частоты на конструкцию трансформаторов .) Более тяжелые трансформаторы также приводят к более высоким нагрузкам на ось, чем трансформаторы с более высокой частотой. Теоретически это, в свою очередь, приводит к повышенному износу пути и увеличению необходимости более частого обслуживания пути, а на практике электровозы не должны становиться слишком облегченными, чтобы сохранить тяговое усилие на малых скоростях. Чешские железные дороги столкнулись с проблемой снижения мощности низкочастотных трансформаторов, когда они переоборудовали некоторые локомотивы переменного тока 25 кВ , частотой 50 Гц (серия 340) для работы на линиях переменного тока 15 кВ , частотой 16,7 Гц . В результате использования тех же сердечников трансформатора (первоначально рассчитанных на 50 Гц ) на более низкой частоте номинальные характеристики трансформаторов пришлось снизить до одной трети от их первоначальной мощности, тем самым уменьшив доступное тяговое усилие на ту же величину ( примерно до 1000 кВт ).
Эти недостатки, а также необходимость отдельной инфраструктуры снабжения и отсутствие каких-либо технических преимуществ у современных двигателей и контроллеров ограничили использование 16+На 2 ⁄ 3 Гц и 16,7 Гц больше, чем в первоначальных пяти странах. Большинство других стран электрифицировали свои железные дороги на частоте 50/60 Гц. Дания , несмотря на то, что граничит только с территорией с напряжением 15 кВ, по этой и другим причинам решила электрифицировать свои магистральные железные дороги на напряжение 25 кВ, 50 Гц. [3] [4] Поскольку предоставлять высокоскоростные пассажирские перевозки по линиям постоянного тока 1,5 или 3 кВ технически очень сложно и, следовательно, нерентабельно, новая европейская электрификация, прежде всего в Восточной Европе, в основном осуществляется на 25 кВ переменного тока с частотой 50 Гц . Преобразование в это напряжение/частоту требует изоляторов более высокого напряжения и большего зазора между линиями, мостами и другими конструкциями. Теперь это стандартно для новых воздушных линий, а также для модернизации старых установок.
Простая европейская унификация с выравниванием напряжения/частоты по всей Европе не обязательно является экономически эффективной, поскольку трансграничная тяга в большей степени ограничена различными национальными стандартами в других регионах. Оснастить электровоз трансформатором на два и более входных напряжений дешевле по сравнению со стоимостью установки нескольких систем защиты поездов и их прохождения процедуры согласования для получения доступа к железнодорожной сети в других странах. Однако некоторые новые высокоскоростные линии в соседние страны уже планируется построить до 25 кВ (например, из Австрии в Восточную Европу). Хотя новые локомотивы всегда строятся с системами управления асинхронными двигателями , у которых нет проблем с диапазоном входных частот, включая постоянный ток, необходимые дополнительные токоприемники и проводка не устанавливаются повсеместно, чтобы предлагать более дешевые модели, такие как Siemens Smartron . Аналогично, новые региональные пассажирские поезда, такие как серия Bombardier Talent 2, не сертифицированы для дополнительных систем электрификации. Несмотря на то, что оператор поездов Deutsche Bahn больше не использует старые модели стандартной серии электровозов , многие более мелкие частные железнодорожные компании используют их, хотя некоторым из них сейчас уже более 60 лет. Даже несмотря на то, что эти устаревшие модели выведены из эксплуатации, унифицировать их все равно не так-то просто. Между тем, Deutsche Bahn, как правило, заказывает подвижной состав, способный управлять несколькими системами электрификации, особенно грузовыми локомотивами и высокоскоростными пассажирскими поездами, поскольку они курсируют по всей Европе.
В Германии (кроме Мекленбург-Передней Померании и Саксонии-Анхальт ), Австрии и Швейцарии существует отдельная однофазная распределительная сеть для железнодорожных сетей с частотой 16,7 Гц ; напряжение составляет 110 кВ в Германии и Австрии и 132 кВ в Швейцарии. Эта система называется централизованным железнодорожным энергоснабжением. Отдельная однофазная распределительная сеть делает рекуперацию энергии во время торможения чрезвычайно легкой по сравнению с системой 25 кВ 50 Гц, подключенной к трехфазной распределительной сети.
В Швеции, Норвегии, Мекленбург-Передней Померании и Саксонии-Анхальт электроэнергия берется непосредственно из трехфазной сети ( 110 кВ при 50 Гц ), преобразуется в однофазную низкочастотную и подается в воздушную линию. Эта система называется децентрализованным (т.е. местным) железнодорожным энергоснабжением.
Централизованная система питается от специальных электростанций , которые генерируют переменный ток напряжением 110 кВ (или 132 кВ в швейцарской системе) с частотой 16,7 Гц , а также от вращающихся преобразователей или преобразователей переменного/переменного тока , которые питаются от национальной электросети (например, 110 кВ , 50 Гц). ), они преобразуют его в переменный ток напряжением 55-0-55 кВ (или 66-0-66 кВ) частотой 16,7 Гц . Точка 0 В соединена с землей через индуктивность, так что каждый проводник однофазной линии электропередачи переменного тока имеет напряжение 55 кВ (или 66 кВ ) по отношению к потенциалу земли. Это похоже на системы электроснабжения с расщепленной фазой и приводит к сбалансированной передаче по линии. Индуктивность, посредством которой осуществляется заземление, предназначена для ограничения токов земли в случае замыканий на линии. На трансформаторных подстанциях напряжение преобразуется из переменного тока 110 кВ (или 132 кВ ) в переменное напряжение 15 кВ и подается в воздушную линию.
Частота 16,7 Гц зависит от необходимости избежать синхронизма в частях вращающейся машины, которая состоит в основном из трехфазного асинхронного двигателя и однофазного синхронного генератора. Поскольку синхронизм наступает на частоте 16+2 ⁄ Гц (по техническим данным) в однофазной системе, частота централизованной системы установлена на уровне16,7Гц.
Электростанции, обеспечивающие напряжение 110 кВ , 16,7 Гц , либо предназначены для выработки этого конкретного однофазного переменного тока, либо имеют для этой цели специальные генераторы, такие как атомная электростанция Неккарвестхайм или гидроэлектростанция Вальхензее .
Электроэнергия для децентрализованной системы берется непосредственно из национальной энергосистемы и напрямую преобразуется в напряжение 15 кВ .+2 ⁄ 3 Гцс помощью синхронно-синхронных преобразователей или статических преобразователей. Обе системы нуждаются в дополнительных трансформаторах. Преобразователи состоят из трехфазного синхронного двигателя иоднофазного синхронного генератора. Децентрализованная система на северо-востоке Германии была создана Deutsche Reichsbahn в 1980-х годах, поскольку в этих регионах не было централизованной системы.
Германия, Австрия и Швейцария эксплуатируют крупнейшую взаимосвязанную систему переменного тока напряжением 15 кВ с центральной генерацией, а также центральными и местными преобразовательными станциями.
В Норвегии все электрические железные дороги используют напряжение 15 кВ 16.+2 ⁄ 3 Гц переменного тока [5] (кроме железной дороги-музея Тамсхавнбанен, которая использует переменный ток напряжением 6,6 кВ, частотой 25 Гц). На Т-бане и трамваях Осло используется напряжение 750 В постоянного тока.
В Швеции большинство электрических железных дорог используют напряжение 15 кВ 16.+2 ⁄ Гц переменного тока. Исключения включают: Saltsjöbanan и Roslagsbanan (1,5 кВ постоянного тока), стокгольмское метро (650 В и 750 В постоянного тока) и трамваи (750 В постоянного тока). Эресуннский мост , соединяющий Швецию и Данию, электрифицирован напряжением 25 кВ по датскому стандарту; раскол расположен на шведской стороне возле моста. Через этот пункт могут пройти только двухсистемные поезда (или дизель-поезда; редко).