Системы электрификации железных дорог, использующие переменный ток (AC) напряжением 25 киловольт (кВ), используются во всем мире, особенно для высокоскоростных железных дорог . Обычно он подается на стандартной частоте сети (обычно 50 или 60 Гц), что упрощает работу тяговых подстанций. Развитие электрификации переменного тока напряжением 25 кВ тесно связано с успешным использованием коммунальной частоты.
Эта электрификация идеально подходит для железных дорог, которые преодолевают большие расстояния или осуществляют интенсивное движение. После некоторых экспериментов перед Второй мировой войной в Венгрии и в Шварцвальде в Германии , он получил широкое распространение в 1950-х годах.
Одной из причин, по которой он не был представлен ранее, было отсутствие подходящего небольшого и легкого оборудования для управления и выпрямления до разработки твердотельных выпрямителей и связанных с ними технологий. Другая причина заключалась в увеличении зазоров, необходимых там, где он проходил под мостами и в туннелях, что потребовало бы капитального строительства , чтобы обеспечить увеличенный зазор до частей, находящихся под напряжением.
Железные дороги, использующие старые системы постоянного тока меньшей мощности, ввели или вводят напряжение 25 кВ переменного тока вместо 3 кВ постоянного тока/ 1,5 кВ постоянного тока для своих новых высокоскоростных линий.
Первое успешное оперативное и регулярное использование системы коммунальной частоты относится к 1931 году, испытания проводились с 1922 года. Она была разработана Кальманом Кандо в Венгрии, который использовал переменный ток напряжением 16 кВ при частоте 50 Гц , асинхронную тягу и регулируемое количество ( двигатель) полюса. Первой электрифицированной линией для испытаний была Будапешт – Дунакеси – Алаг. Первой полностью электрифицированной линией была Будапешт – Дьёр – Хегьешалом (часть линии Будапешт – Вена). [1] Хотя решение Кандо показало путь в будущее, железнодорожные операторы за пределами Венгрии проявили отсутствие интереса к проекту.
Первая железная дорога, использовавшая эту систему, была построена в 1936 году компанией Deutsche Reichsbahn , которая электрифицировала часть Höllentalbahn между Фрайбургом и Нойштадтом, установив систему переменного тока напряжением 20 кВ , частотой 50 Гц . Эта часть Германии находилась во французской зоне оккупации после 1945 года. В результате изучения немецкой системы в 1951 году SNCF электрифицировала линию между Экс-ле-Бен и Ла-Рош-сюр-Форон на юге Франции, первоначально в то же время. 20 кВ, но преобразовано в 25 кВ в 1953 году. Система 25 кВ затем была принята в качестве стандарта во Франции, но, поскольку значительная часть километров к югу от Парижа уже была электрифицирована на 1,5 кВ постоянного тока , SNCF также продолжила некоторые крупные новые проекты электрификации постоянного тока, до тех пор, пока в 1960-х годах не были разработаны локомотивы с двойным напряжением. [2] [3]
Основная причина, по которой электрификация с использованием коммунальной частоты раньше не получила широкого распространения, заключалась в недостаточной надежности дуговых выпрямителей Mercury , которые можно было разместить в поезде. Это, в свою очередь, связано с требованием использования двигателей постоянного тока , для которых требуется преобразование тока из переменного в постоянный, и для этого необходим выпрямитель . До начала 1950-х годов ртутные выпрямители были сложны в эксплуатации даже в идеальных условиях и поэтому были непригодны для использования в железнодорожных локомотивах.
Можно было использовать двигатели переменного тока (и некоторые железные дороги делали это с переменным успехом), но их тяговые характеристики были далеко не идеальными. Это связано с тем, что управление скоростью затруднено без изменения частоты, а зависимость от напряжения для управления скоростью дает крутящий момент на любой заданной скорости, который не является идеальным. Вот почему двигатели серии постоянного тока были наиболее распространенным выбором для тяговых целей до 1990-х годов, поскольку ими можно управлять с помощью напряжения и они имеют почти идеальную характеристику зависимости крутящего момента от скорости.
В 1990-х годах в высокоскоростных поездах начали использовать более легкие и не требующие особого обслуживания трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. В N700 Shinkansen используется трехуровневый преобразователь для преобразования однофазного переменного тока напряжением 25 кВ в переменный ток напряжением 1520 В (через трансформатор), постоянный ток 3 кВ (через фазоуправляемый выпрямитель с тиристором) в трехфазный переменный ток напряжением до 2300 В (через переменное напряжение, преобразователь переменной частоты с использованием IGBT с широтно-импульсной модуляцией ) для запуска двигателей. Система работает в обратном порядке при рекуперативном торможении .
Выбор 25 кВ был связан с эффективностью передачи электроэнергии в зависимости от напряжения и стоимости, а не с четким и аккуратным соотношением питающего напряжения. Для данного уровня мощности более высокое напряжение позволяет снизить ток и, как правило, повысить эффективность при более высоких затратах на высоковольтное оборудование. Было обнаружено, что 25 кВ является оптимальной точкой, где более высокое напряжение все равно повысит эффективность, но не значительно по сравнению с более высокими затратами, связанными с необходимостью использования более крупных изоляторов и большего расстояния от конструкций.
Во избежание коротких замыканий высоковольтное оборудование должно быть защищено от влаги. Погодные явления, такие как « неправильный тип снега », в прошлом приводили к сбоям. Пример атмосферных причин произошел в декабре 2009 года, когда четыре поезда Eurostar сломались внутри туннеля под Ла-Маншем .
Электроэнергия для электрификации переменного тока напряжением 25 кВ обычно берется непосредственно из трехфазной системы электропередачи . На передающей подстанции к двум из трех фаз высоковольтной сети подключается понижающий трансформатор , который понижает напряжение до 25 кВ . Затем он подается, иногда за несколько километров, на железнодорожную питающую станцию, расположенную рядом с путями. Распределительное устройство на фидерных станциях и в кабинах секционирования путей, расположенных на полпути между фидерными станциями, обеспечивает переключение на питание ВЛ от соседних фидерных станций в случае потери электроснабжения на одной фидерной станции.
Поскольку используются только две фазы высоковольтного источника питания, перекос фаз корректируется путем подключения каждой фидерной станции к разной комбинации фаз. Чтобы пантограф поезда не соединял две фидерные станции, которые могут находиться в противофазе друг с другом, на фидерных станциях и в кабинах секционирования пути предусмотрены нейтральные участки . SVC используются для балансировки нагрузки и контроля напряжения. [4]
В некоторых случаях к подстанциям с однофазными трансформаторами переменного тока строились выделенные однофазные линии электропередачи переменного тока. Такие линии были построены для снабжения французских TGV . [5]
Электрификация железных дорог с использованием переменного тока напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц стала международным стандартом. Существует два основных стандарта, определяющих напряжения системы:
Допустимый диапазон допустимых напряжений указан в вышеуказанных стандартах и учитывает количество поездов, потребляющих ток, и их расстояние от подстанции.
Эта система теперь является частью стандартов совместимости трансъевропейских железных дорог Европейского Союза (1996/48/EC «Взаимодействие трансъевропейской системы высокоскоростных железных дорог» и 2001/16/EC «Взаимодействие трансъевропейской системы обычных железных дорог»). ").
Использовались системы, основанные на этом стандарте, но с некоторыми изменениями.
В странах, где 60 Гц является нормальной частотой сети, для электрификации железных дорог используется напряжение 25 кВ при 60 Гц .
В Японии это используется на существующих железнодорожных линиях в регионах Тохоку , Хокурику , Хоккайдо и Кюсю , из которых Хокурику и Кюсю имеют частоту 60 Гц .
Некоторые линии в США были электрифицированы на 12,5 кВ, 60 Гц или переведены с 11 кВ, 25 Гц на 12,5 кВ, 60 Гц . Использование частоты 60 Гц позволяет осуществлять прямое питание от электросети с частотой 60 Гц, но при этом не требует большего зазора для проводов для 25 кВ, 60 Гц или возможности использования двойного напряжения для поездов, также работающих на линиях 11 кВ, 25 Гц . Примеры:
На ранней стадии электрификации железных дорог переменного тока частотой 50 Гц в Соединенном Королевстве планировалось использовать участки с напряжением переменного тока 6,25 кВ , где просвет под мостами и в туннелях был ограничен. Подвижной состав был двухвольтным с автоматическим переключением между 25 кВ и 6,25 кВ . Секции 6,25 кВ были преобразованы в переменный ток 25 кВ в результате исследовательской работы, которая показала, что расстояние между оборудованием под напряжением и заземлением может быть уменьшено по сравнению с тем, которое первоначально считалось необходимым.
Исследование проводилось с использованием паровой машины под мостом в Крю . Участок ВЛ- 25 кВ постепенно приближался к заземленным металлоконструкциям моста под воздействием пара из дымовой трубы локомотива. Расстояние, на котором произошло перекрытие, было измерено и использовано в качестве основы для расчета новых зазоров между подвесным оборудованием и конструкциями. [ нужна цитата ]
Иногда 25 кВ удваивают до 50 кВ, чтобы получить большую мощность и увеличить расстояние между подстанциями. Такие линии обычно изолируются от других линий, чтобы избежать осложнений из-за пересечения. Примеры:
Автотрансформаторная система 2 × 25 кВ представляет собой систему электроснабжения с расщепленной фазой , которая подает поездам мощность 25 кВ, но передает мощность 50 кВ для уменьшения потерь энергии. Не следует путать ее с системой 50 кВ. В этой системе ток в основном передается между воздушной линией и фидерной линией передачи, а не по рельсам. ВЛ (3) и фидер (5) находятся в противоположных фазах, поэтому напряжение между ними составляет 50 кВ, а напряжение между ВЛ (3) и ходовыми рельсами (4) остается на уровне 25 кВ. Периодические автотрансформаторы (9) отводят обратный ток от нейтральной шины, повышают его и направляют по фидерной линии. Первоначально эта система была развернута в 1981 году на новой тогда французской высокоскоростной железнодорожной линии Париж-Лион , [10] и в 1988 году стала использоваться Новозеландскими железными дорогами , [11] Индийскими железными дорогами , [12] Российскими железными дорогами , Итальянские высокоскоростные железные дороги, Великобритания High Speed 1 , большая часть главной линии и перекрестка Западного побережья , [13] с постепенным преобразованием некоторых частей старых линий, французские линии (линии LGV и некоторые другие линии [14] ) , большинство испанских высокоскоростных железнодорожных линий, [15] Amtrak и некоторые финские и венгерские линии.
Для мировых рекордов скорости TGV во Франции напряжение временно повышалось до 29,5 кВ [16] и 31 кВ в разное время. [17]
Поезда, которые могут работать более чем на одном напряжении, скажем, 3 кВ/25 кВ, являются устоявшимися технологиями. Некоторые локомотивы в Европе способны использовать четыре разных стандарта напряжения. [18]
Traxx MS (мультисистемный) для работы в сетях переменного (15 и 25 кВ) и постоянного тока (1,5 и 3 кВ)