Системы электрификации железных дорог, использующие переменный ток (AC) в 25 киловольт (кВ), используются во всем мире, особенно для высокоскоростных железных дорог . Обычно он поставляется на стандартной частоте сети (обычно 50 или 60 Гц), что упрощает тяговые подстанции. Развитие электрификации переменного тока 25 кВ тесно связано с успешным использованием частоты сети.
Эта электрификация идеально подходит для железных дорог, которые покрывают большие расстояния или перевозят большой объем трафика. После некоторых экспериментов перед Второй мировой войной в Венгрии и в Шварцвальде в Германии , она получила широкое распространение в 1950-х годах.
Одной из причин, по которой он не был введен раньше, было отсутствие подходящего небольшого и легкого оборудования для управления и выпрямления до разработки твердотельных выпрямителей и связанных с ними технологий. Другой причиной было увеличение расстояния зазора, требуемого там, где он проходил под мостами и в туннелях, что потребовало бы серьезного гражданского строительства , чтобы обеспечить увеличенный зазор до токоведущих частей. Там, где ранее существовавшие габариты нагрузки были более щедрыми, это было меньшей проблемой.
Железные дороги, использующие старые системы постоянного тока меньшей мощности, ввели или вводят переменный ток напряжением 25 кВ вместо постоянного тока напряжением 3 кВ / 1,5 кВ для своих новых высокоскоростных линий.
Первое успешное эксплуатационное и регулярное использование системы коммунальной частоты датируется 1931 годом, испытания проводились с 1922 года. Она была разработана Кальманом Кандо в Венгрии, который использовал 16 кВ переменного тока при 50 Гц , асинхронную тягу и регулируемое количество (двигательных) полюсов. Первой электрифицированной линией для испытаний была Будапешт–Дунакеси–Алаг. Первой полностью электрифицированной линией была Будапешт–Дьёр–Хедьешхалом (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, использующая эту систему, была построена в 1936 году компанией Deutsche Reichsbahn , которая электрифицировала часть Höllentalbahn между Фрайбургом и Нойштадтом, установив систему переменного тока 20 кВ 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-Беном и Ла-Рош-сюр-Форон на юге Франции, первоначально на том же напряжении 20 кВ, но преобразованную в 25 кВ в 1953 году. Затем система 25 кВ была принята в качестве стандарта во Франции, но поскольку значительные расстояния к югу от Парижа уже были электрифицированы на постоянном токе 1,5 кВ , SNCF также продолжила некоторые крупные новые проекты по электрификации постоянного тока, пока в 1960-х годах не были разработаны локомотивы с двойным напряжением. [2] [3]
Основной причиной, по которой электрификация с использованием частоты сети не получила широкого распространения ранее, была недостаточная надежность ртутных дуговых выпрямителей , которые могли бы поместиться в поезде. Это, в свою очередь, было связано с необходимостью использования двигателей постоянного тока , что требовало преобразования тока из переменного в постоянный, а для этого требовался выпрямитель . До начала 1950-х годов ртутные дуговые выпрямители было трудно эксплуатировать даже в идеальных условиях, и поэтому они были непригодны для использования в железнодорожных локомотивах.
Можно было использовать двигатели переменного тока (и некоторые железные дороги делали это с переменным успехом), но их характеристики для тяговых целей были далеки от идеальных. 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 постоянного тока были наиболее распространенным выбором для тяговых целей до 1990-х годов, поскольку они могут управляться напряжением и имеют почти идеальную характеристику крутящего момента по отношению к скорости.
В 1990-х годах высокоскоростные поезда начали использовать более легкие, менее затратные на техническое обслуживание трехфазные асинхронные двигатели переменного тока. N700 Shinkansen использует трехуровневый преобразователь для преобразования 25 кВ однофазного переменного тока в 1520 В переменного тока (через трансформатор) и в 3 кВ постоянного тока (через фазоуправляемый выпрямитель с тиристором) и в максимальное трехфазное напряжение 2300 В переменного тока (через инвертор переменного напряжения и частоты с использованием IGBT с широтно-импульсной модуляцией ) для работы двигателей. Система работает в обратном направлении для рекуперативного торможения .
Выбор 25 кВ был связан с эффективностью передачи электроэнергии как функцией напряжения и стоимости, а не основан на аккуратном и опрятном соотношении напряжения питания. Для заданного уровня мощности более высокое напряжение допускает меньший ток и, как правило, лучшую эффективность при большей стоимости высоковольтного оборудования. Было обнаружено, что 25 кВ является оптимальной точкой, где более высокое напряжение все еще повышает эффективность, но не на значительную величину по сравнению с более высокими затратами, вызванными необходимостью в более крупных изоляторах и большем зазоре от конструкций.
Чтобы избежать коротких замыканий , высокое напряжение должно быть защищено от влаги. Погодные явления, такие как « неправильный тип снега », вызывали сбои в прошлом. Пример атмосферных причин произошел в декабре 2009 года, когда четыре поезда Eurostar сломались внутри туннеля под Ла-Маншем .
Электроэнергия для электрификации переменного тока 25 кВ обычно берется непосредственно из трехфазной системы передачи . На подстанции передачи понижающий трансформатор подключается к двум из трех фаз высоковольтного источника питания и понижает напряжение до 25 кВ . Затем оно подается, иногда на расстоянии нескольких километров, на железнодорожную питающую станцию, расположенную рядом с путями. Распределительные устройства на питающих станциях и в кабинах секционирования путей, расположенных на полпути между питающими станциями, обеспечивают переключение для питания воздушной линии от соседних питающих станций, если одна питающая станция теряет питание сети.
Поскольку используются только две фазы высоковольтного питания, фазовый дисбаланс корректируется путем подключения каждой питающей станции к другой комбинации фаз. Чтобы избежать соединения пантографом поезда двух питающих станций, которые могут быть не в фазе друг с другом, на питающих станциях и в кабинах секционирования пути предусмотрены нейтральные секции . Для балансировки нагрузки и управления напряжением используются SVC . [4]
В некоторых случаях были построены выделенные однофазные линии электропередач переменного тока к подстанциям с однофазными трансформаторами переменного тока. Такие линии были построены для питания французских TGV . [5]
Электрификация железных дорог с использованием переменного тока 25 кВ , 50 Гц стала международным стандартом. Существуют два основных стандарта, которые определяют напряжение системы:
Допустимый диапазон напряжений указан в вышеуказанных стандартах и учитывает количество поездов, получающих ток, и их расстояние от подстанции.
В настоящее время эта система является частью стандартов Европейского союза по трансъевропейской железнодорожной совместимости (1996/48/EC «Интероперабельность трансъевропейской высокоскоростной железнодорожной системы» и 2001/16/EC «Интероперабельность трансъевропейской обычной железнодорожной системы»).
Использовались системы, основанные на этом стандарте, но с некоторыми изменениями.
В странах, где частота электросети составляет 60 Гц , для электрификации железных дорог используется напряжение 25 кВ при частоте 60 Гц .
В Японии этот метод используется на существующих железнодорожных линиях в регионах Тохоку , Хокурику , Хоккайдо и Кюсю , из которых Хокурику и Кюсю работают на частоте 60 Гц .
Некоторые линии в Соединенных Штатах были электрифицированы на 12,5 кВ 60 Гц или преобразованы из 11 кВ 25 Гц в 12,5 кВ 60 Гц . Использование 60 Гц позволяет осуществлять прямую подачу от коммунальной сети 60 Гц, но не требует большего зазора между проводами для 25 кВ 60 Гц или возможности двойного напряжения для поездов, также работающих на линиях 11 кВ 25 Гц . Вот примеры:
Ранняя электрификация железных дорог 50 Гц переменного тока в Соединенном Королевстве планировалась с использованием участков на 6,25 кВ переменного тока там, где был ограниченный просвет под мостами и в туннелях. Подвижной состав был двухвольтным с автоматическим переключением между 25 кВ и 6,25 кВ . Участки 6,25 кВ были преобразованы в 25 кВ переменного тока в результате исследовательской работы, которая продемонстрировала, что расстояние между токоведущим и заземленным оборудованием может быть уменьшено по сравнению с тем, которое изначально считалось необходимым.
Исследование проводилось с использованием парового двигателя под мостом в Крю . Участок воздушной линии электропередачи 25 кВ постепенно приближался к заземленной металлоконструкции моста, подвергаясь воздействию пара из трубы локомотива. Расстояние, на котором происходила вспышка, измерялось, и это использовалось в качестве основы для расчета новых зазоров между воздушным оборудованием и конструкциями. [ необходима цитата ]
Иногда 25 кВ удваивается до 50 кВ для получения большей мощности и увеличения расстояния между подстанциями. Такие линии обычно изолируются от других линий, чтобы избежать осложнений от взаимного прохождения. Примеры:
Система автотрансформаторов 2 × 25 кВ представляет собой систему электроснабжения с расщепленной фазой , которая подает мощность 25 кВ на поезда, но передает мощность на 50 кВ для снижения потерь энергии. Ее не следует путать с системой 50 кВ. В этой системе ток в основном передается между воздушной линией и фидерной линией электропередачи вместо рельса. Воздушная линия (3) и фидер (5) находятся на противоположных фазах, поэтому напряжение между ними составляет 50 кВ, в то время как напряжение между воздушной линией (3) и ходовыми рельсами (4) остается на уровне 25 кВ. Периодические автотрансформаторы (9) отводят обратный ток от нейтрального рельса, усиливают его и направляют по фидерной линии.
Первоначально эта система была развернута на новой французской высокоскоростной железнодорожной линии Париж-Лион в 1981 году [10] и затем использовалась Новозеландскими железными дорогами в 1988 году [11] , Индийскими железными дорогами [12] Российскими железными дорогами , Итальянскими высокоскоростными железными дорогами, UK High Speed 1 , большей частью West Coast Main Line и Crossrail [13] , при этом некоторые части старых линий постепенно переоборудовались, [ требуется ссылка ] Французские линии (линии LGV и некоторые другие линии [14] ), большинство испанских высокоскоростных железнодорожных линий [15] Amtrak и некоторые финские и венгерские линии.
Для установления мирового рекорда скорости TGV во Франции напряжение временно повышалось до 29,5 кВ [16] и 31 кВ в разное время [17] .
Поезда, которые могут работать на более чем одном напряжении, например, 3 кВ и 25 кВ, являются устоявшимися технологиями. Некоторые локомотивы в Европе способны использовать четыре различных стандарта напряжения. [18]
Traxx MS (мультисистемный) для работы как в сетях переменного тока (15 и 25 кВ), так и в сетях постоянного тока (1,5 и 3 кВ)