Железнодорожная электрификация с использованием переменного тока (AC) при 15 киловольт (кВ) и 16,7 герц (Гц) используется на транспортных железных дорогах в Германии , Австрии , Швейцарии , Швеции и Норвегии . Высокое напряжение обеспечивает передачу высокой мощности с более низкой частотой, что снижает потери тяговых двигателей , которые были доступны в начале 20-го века. Железнодорожная электрификация в конце 20-го века имеет тенденцию использовать системы переменного тока 25 кВ, 50 Гц , которые стали предпочтительным стандартом для новых железнодорожных электрификаций, но расширение существующих сетей 15 кВ не является полностью маловероятным. В частности, Готардский базисный тоннель (открыт 1 июня 2016 года) по-прежнему использует электрификацию 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 позволит снизить вес бортовых понижающих трансформаторов до одной трети от веса существующих устройств.
Первые электрифицированные железные дороги использовали двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением , сначала на 600 В , а затем на 1500 В. Области с контактными сетями постоянного тока 3 кВ (в основном в Восточной Европе ) использовали два двигателя постоянного тока 1500 В последовательно. Но даже при 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 высокие напряжения передачи до практических рабочих напряжений двигателя. До разработки подходящих способов эффективного преобразования постоянного тока с помощью силовой электроники эффективные трансформаторы строго требовали переменного тока (AC); таким образом, высоковольтные электрифицированные железные дороги приняли переменный ток вместе с системой распределения электроэнергии (см. Война токов ).
Сеть переменного тока частотой 50 Гц (60 Гц в Северной Америке) была создана уже в начале 20-го века. Хотя двигатели с последовательным возбуждением в принципе могут работать как на переменном, так и на постоянном токе (поэтому их также называют универсальными двигателями ), у больших тяговых двигателей с последовательным возбуждением были проблемы с такими высокими частотами. Высокое индуктивное сопротивление обмоток двигателя вызывало проблемы с перекрытием коллектора , а неламинированные магнитные полюсные наконечники, изначально разработанные для постоянного тока, демонстрировали чрезмерные потери на вихревые токи . Использование более низкой частоты переменного тока смягчило обе проблемы.
В немецкоязычных странах высоковольтная электрификация началась в 16 веке.+2 ⁄ 3 герц , ровно треть частоты национальной электросети 50 Гц. Это облегчило работувращающихся преобразователейот частоты сети и позволило специализированным железнодорожным электрогенераторамработатьс той же скоростью вала, что и стандартный генератор 50 Гц, уменьшив количество пар полюсов в три раза. Например, генератор, вращающийся со скоростью1000 об/мин, будет иметь две пары полюсов, а не шесть.
Отдельные станции обеспечивают железнодорожную электроэнергию в Австрии, Швейцарии и Германии, за исключением Мекленбурга-Передней Померании и Саксонии-Анхальт ; преобразователи, работающие от сети, обеспечивают железнодорожную электроэнергию в этих двух немецких землях, а также в Швеции и Норвегии. В Норвегии также есть две гидроэлектростанции, предназначенные для железнодорожной электроэнергия с 16+Выходная частота 2 ⁄ 3 Гц .
Первые генераторы были синхронными генераторами переменного тока или синхронными трансформаторами; однако, с введением современных индукционных генераторов с двойным питанием , ток управления индуцировал нежелательную составляющую постоянного тока, что приводило к проблемам перегрева полюсов. Это было решено путем небольшого смещения частоты от ровно одной трети частоты сети; 16,7 Гц были произвольно выбраны, чтобы оставаться в пределах допуска существующих тяговых двигателей. Австрия, Швейцария и Южная Германия переключили свои электростанции на 16,7 Гц 16 октября 1995 года в 12:00 по центральноевропейскому времени. [1] [2] Обратите внимание, что региональные электрифицированные участки, работающие на синхронных генераторах, сохраняют свою частоту 16+2 ⁄ 3 Гц, так же как Швеция и Норвегия до сих пор используют свои железнодорожные сети на частоте 16+2 ⁄ 3 Гцна протяжении всего звучания.
Одним из недостатков локомотивов 16,7 Гц по сравнению с локомотивами 50 Гц или 60 Гц является более тяжелый трансформатор, необходимый для снижения напряжения воздушной линии до напряжения, используемого двигателями и их редуктором скорости. Трансформаторы низкой частоты должны иметь более тяжелые магнитные сердечники и более крупные обмотки для того же уровня преобразования мощности. (См. влияние частоты на конструкцию трансформаторов .) Более тяжелые трансформаторы также приводят к более высоким нагрузкам на ось, чем у трансформаторов более высокой частоты. Теоретически, в свою очередь, это приводит к повышенному износу пути и увеличивает необходимость более частого обслуживания пути, в то время как на практике электровозы не должны становиться слишком легкими, чтобы сохранить тяговое усилие на низких скоростях. Чешские железные дороги столкнулись с проблемой снижения мощности низкочастотных трансформаторов, когда они перестроили некоторые локомотивы 25 кВ переменного тока, 50 Гц (серия 340) для работы на линиях 15 кВ переменного тока, 16,7 Гц . В результате использования тех же сердечников трансформаторов (первоначально рассчитанных на 50 Гц ) на более низкой частоте номинальную мощность трансформаторов пришлось снизить до одной трети от их первоначальной допустимой мощности, тем самым уменьшив имеющееся тяговое усилие на ту же величину (примерно до 1000 кВт ).
Эти недостатки, а также необходимость отдельной инфраструктуры электроснабжения и отсутствие каких-либо технических преимуществ современных двигателей и контроллеров ограничили использование 16+2 ⁄ 3 Гц и 16,7 Гц за пределами первоначальных пяти стран. Большинство других стран электрифицировали свои железные дороги на частоте 50/60 Гц. Дания , несмотря на то, что граничит только с территорией 15 кВ, решила электрифицировать свои основные железные дороги на 25 кВ 50 Гц по этой и другим причинам. [3] [4] Поскольку технически очень сложно и, следовательно, невыгодно обеспечивать высокоскоростные пассажирские перевозки на линиях постоянного тока 1,5 или 3 кВ, новая европейская электрификация, в основном в Восточной Европе, в основном представляет собой 25 кВ переменного тока на частоте 50 Гц . Переход на это напряжение/частоту требует более высоких изоляторов напряжения и большего зазора между линиями и мостами и другими сооружениями. Теперь это стандарт для новых воздушных линий, а также для модернизации старых установок.
Простая европейская унификация с выравниванием напряжения/частоты по всей Европе не обязательно экономически эффективна, поскольку трансграничная тяга более ограничена различными национальными стандартами в других областях. Оснащение электровоза трансформатором для двух или более входных напряжений обходится дешевле по сравнению со стоимостью установки нескольких систем защиты поездов [ требуется ссылка ] и их прохождения через процедуру утверждения для получения доступа к железнодорожной сети в других странах. Однако некоторые новые высокоскоростные линии в соседние страны уже предназначены для строительства до 25 кВ (например, из Австрии в Восточную Европу). Хотя более новые локомотивы всегда строятся с асинхронными системами управления двигателями , которые не имеют проблем с диапазоном входных частот, включая постоянный ток, требуемые дополнительные пантографы и проводка не устанавливаются повсеместно, чтобы предлагать модели с более низкой стоимостью, такие как Siemens Smartron . Аналогичным образом, более 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 модели из стандартной серии электровозов , многие небольшие частные железнодорожные компании используют их, хотя некоторым из них уже исполнилось 60 лет. Даже несмотря на то, что эти устаревшие модели выводятся из эксплуатации, унифицировать их все равно может быть нелегко. Между тем, DB Schenker стремится заказывать грузовые локомотивы, способные работать с несколькими системами электрификации, поскольку они работают по всей Европе.
В Германии (за исключением Мекленбург-Передней Померании и Саксонии-Анхальт ), Австрии и Швейцарии существует отдельная однофазная распределительная сеть для железнодорожной электроэнергии 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 простой по сравнению с системой 25 кВ 50 Гц, привязанной к трехфазной распределительной сети.
В Швеции, Норвегии, Мекленбурге-Передней Померании и Саксонии-Анхальт электроэнергия берется непосредственно из трехфазной сети ( 110 кВ при 50 Гц ), преобразуется в низкочастотную однофазную и подается в воздушную линию. Такая система называется децентрализованным (т.е. локальным) железнодорожным энергоснабжением.
Централизованная система питается от специальных электростанций , которые генерируют 110 кВ (или 132 кВ в швейцарской системе) переменного тока с частотой 16,7 Гц , и роторных преобразователей или преобразователей переменного тока в переменный ток , которые питаются от национальной электросети (например, 110 кВ , 50 Гц ), они преобразуют его в 55-0-55 кВ (или 66-0-66 кВ) переменного тока с 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 ) относительно потенциала земли. Это похоже на системы электроснабжения с расщепленной фазой и приводит к сбалансированной передаче линии. Индуктивность, через которую осуществляется заземление, предназначена для ограничения токов земли в случаях неисправностей на линии. На трансформаторных подстанциях напряжение переменного тока преобразуется из 110 кВ (или 132 кВ ) в 15 кВ переменного тока , и энергия подается в воздушную линию.
Частота 16,7 Гц определена на основе необходимости предотвращения проблем синхронизма в компонентах роторной машины. Эта машина в основном состоит из трехфазного асинхронного двигателя и однофазного синхронного генератора. Синхронизм возникает, когда частота достигает 16+2⁄3 Гц в однофазной системе, согласно техническим характеристикам. Поэтому частота централизованной системы была установлена на уровне 16,7 Гц, чтобы гарантировать, что синхронизм будет исключен, и оборудование будет работать правильно.
Электростанции, обеспечивающие напряжение 110 кВ , 16,7 Гц , либо предназначены для выработки этого конкретного однофазного переменного тока, либо имеют специальные генераторы для этой цели, например, атомная электростанция Неккарвестхайм или гидроэлектростанция Вальхензее .
Электроэнергия для децентрализованной системы берется непосредственно из национальной электросети и напрямую преобразуется в 15 кВ , 16+2 ⁄ 3 Гцсинхронно-синхронными преобразователями или статическими преобразователями. Обе системы требуют дополнительных трансформаторов. 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 областях не было централизованной системы.
Германия, Австрия и Швейцария эксплуатируют крупнейшую взаимосвязанную систему переменного тока напряжением 15 кВ с центральной генерацией и центральными и местными преобразовательными установками. Однако существуют острова с альтернативными системами электрификации. Например, железная дорога Рюбеланд является крупнейшей линией переменного тока напряжением 25 кВ в Германии.
В Норвегии все электрические железные дороги используют напряжение 15 кВ 16+2 ⁄ 3 Гц переменного тока [5] (за исключением музейной железной дороги Тамсхавнбанен , которая использует 6,6 кВ 25 Гц переменного тока). Трамваи и T-bane в Осло используют 750 В постоянного тока.
В Швеции большинство электрических железных дорог используют напряжение 15 кВ 16+2 ⁄ 3 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 на 25 кВ , датский стандарт; разделение находится на шведской стороне около моста. Только двухсистемные поезда (или дизельные поезда; редко) могут пройти эту точку.