Как получает питание городской и междугородний электрический транспорт

Городской и междугородний электротранспорт стали для современного человека привычными атрибутами его повседневной жизни. Мы давно уже не задумываемся о том, как этот транспорт получает питание. Все знают, что автомобили заправляют бензином, педали велосипедов крутят ногами велосипедисты. Но как же питаются электрические виды пассажирского транспорта: трамваи, троллейбусы, монорельсовые поезда, метро, электропоезда, электровозы? Откуда и как подается к ним движущая энергия? Давайте поговорим об этом.

Трамвай

В былые времена каждое новое трамвайное хозяйство было вынуждено иметь собственную электростанцию, поскольку электрические сети общего пользования еще не были в достаточной степени развиты. В 21 веке энергия для контактной сети трамваев подается от сетей общего назначения.

Питание осуществляется постоянным током относительно невысокого напряжения (550 В), которое было бы просто не выгодно передавать на значительные расстояния. По этой причине вблизи трамвайных линий размещены тяговые подстанции, на которых переменный ток из сети высокого напряжения преобразуется в постоянный ток (с напряжением 600 В) для контактной сети трамвая. В городах, где ходят и трамваи и троллейбусы, данные виды транспорта обычно имеют общее энергохозяйство.

На территории бывшего Советского Союза представлены две схемы электроснабжения контактных сетей для трамваев и троллейбусов: централизованная и децентрализованная. Централизованная появилась первой. В ней крупные тяговые подстанции, оснащенные несколькими преобразовательными агрегатами, обслуживали все прилегающие к ним линии, или линии, находящиеся на расстоянии до 2 километров от них. Подстанции данного типа располагаются сегодня в районах высокой плотности трамвайных (троллейбусных) маршрутов.

Децентрализованная система начала формироваться после 60-х годов, когда стали появляться вылетные линии трамваев, троллейбусов, метро, как то из центра города вдоль шоссе, в отдаленный район города и т. п.

Здесь на каждые 1-2 километра линии установлены тяговые подстанции малой мощности с одним или двумя преобразовательными агрегатами, способные питать максимум два участка линии, причем каждый участок на конце может подпитываться соседней подстанцией.

Так потери энергии оказываются меньше, ибо фидерные участки выходят короче. К тому же если на одной из подстанций случится авария, участок линии все равно останется под напряжением от соседней подстанции.

Контакт трамвая с линией постоянного тока осуществляется через токоприемник на крыше его вагона. Это может быть пантограф, полупантограф, штанга или дуга. Контактный провод трамвайной линии обычно подвешен проще, чем железнодорожный. Если используется штанга, то воздушные стрелки устроены подобно троллейбусным. Отвод тока обычно осуществляется через рельсы - в землю.

Троллейбус

У троллейбуса контактная сеть разделена секционными изоляторами на изолированные друг от друга сегменты, каждый из которых присоединен к тяговой подстанции при помощи фидерных линий (воздушных или подземных). Это легко позволяет производить избирательное отключение отдельных секций для ремонта в случае их повреждения. Если неисправность случится с питающим кабелем, возможна установка перемычек на изоляторы, чтобы запитать пострадавшую секцию от соседней (но это нештатный режим, связанный с риском перегрузки фидера).

Тяговая подстанция понижает переменный ток высокого напряжения от 6 до 10 кВ и преобразует его в постоянный, с напряжением 600 вольт. Падение напряжения на любой точке сети, согласно нормативам, не должно быть более 15%.

Троллейбусная контактная сеть отличается от трамвайной. Здесь она двухпровдная, земля не используется для отвода тока, поэтому данная сеть устроена сложнее. Провода располагаются друг от друга на небольшом расстоянии, поэтому требуется особо тщательная защита от сближения и замыкания, а также изоляция на местах пересечений троллейбусных сетей между собой и с трамвайными сетями.

Поэтому на местах пересечений устанавливаются специальные средства, а также стрелки на местах ветвлений. Кроме того выдерживается определенное регулируемое натяжение, предохраняющее от захлестов проводов во время ветра. Вот почему для питания троллейбусов используются штанги — другие приспособления просто не позволят соблюсти все эти требования.

Штанги троллейбусов чувствительны к качеству контактной сети, ведь любой ее дефект может послужить причиной соскока штанги. Есть нормы, согласно которым угол излома в месте крепления штанги не должен быть более 4°, а при повороте на угол более 12° устанавливаются кривые держатели. Токосъемный башмак движется вдоль провода и не может поворачивать вместе с троллейбусом, поэтому здесь необходимы стрелки.

Монорельс

Во многих городах земного шара с недавних пор ходят монорельсовые поезда: в Лас-Вегасе, в Москве, в Торонто и т.д. Их можно встретить в парках развлечений, в зоопарках, монорельсы используются для обзора местных достопримечательностей, и, конечно, для городского и пригородного сообщения.

Колеса таких поездов изготовлены вовсе не из чугуна, а из литой резины. Колеса просто направляют монорельсовый поезд вдоль бетонной балки - рельсы, на которой находится колея и линии (контактный рельс) силового электропитания.

Некоторые монорельсовые поезда устроены таким образом, что как-бы насажены на колею сверху, подобно тому, как человек сидит верхом на лошади. Некоторые монорельсы подвешиваются к балке снизу, напоминая гигантский фонарь на столбе. Безусловно, монорельсовые дороги более компактны чем обычные железные дороги, но их строительство обходится дороже.

Некоторые монорельсы имеют не только колеса, но и дополнительную опору на основе магнитного поля. Московский монорельс, например, движется как раз на магнитной подушке, создаваемой электромагнитами. Электромагниты находятся в подвижном составе, а в полотне направляющей балки — стоят постоянные магниты.

В зависимости от направления тока в электромагнитах подвижной части, монорельсовый поезд движется вперед или назад по принципу отталкивания одноименных магнитных полюсов — так работает линейный электродвигатель.

Кроме резиновых колёс у монорельсового поезда есть ещё и контактный рельс, состоящий из трёх токоведущих элементов: плюс, минус и земля. Напряжение питания линейного двигателя монорельса — постоянное, равное 600 вольт.

Метро

Электропоезда метрополитена получают электричество от сети постоянного тока — как правило, от третьего (контактного) рельса, напряжение на котором составляет 750—900 Вольт. Постоянный ток получают на подстанциях из переменного тока с помощью выпрямителей.

В момент трогания состава ток может достигать 5000—7500 ампер, что обусловлено высокой мощностью, необходимой для разгона поезда. По мере набора скорости ток снижается, а при движении по инерции («на выбеге») падает до нуля.

Контакт поезда с контактным рельсом осуществляется через подвижный токосъемник. Располагается контактный рельс права от путей. Токосъемник (так называемая «токоприемная лапа» ) находится на тележке вагона, и прижимается к контактному рельсу снизу. Плюс находится на контактном рельсе, минус — на рельсах поезда.

Контактный рельс занимает меньше места по сравнению с воздушной контактной сетью, что особенно важно в условиях ограниченного пространства тоннелей метро. Система менее подвержена механическим повреждениям и обеспечивает стабильный токосъем даже при высоких нагрузках.

В ночное время, когда движение поездов прекращается, контактный рельс обесточивается для проведения технических работ. Утром напряжение снова подается для обеспечения движения.

Кроме силового тока, по путевым рельсам течет и слабый "сигнальный" ток, необходимый для работы блокировки и автоматического переключения светофоров. Также по рельсам передается информация в кабину машиниста о сигналах светофоров и разрешенной скорости движения поезда метро на данном участке.

Сигнальный ток используется в системах железнодорожной автоматики и телемеханики для контроля состояния путевых участков и обеспечения безопасности движения. Он подается через рельсовые цепи, которые разделяют пути на отдельные блок-участки. Когда поезд входит на участок, его колеса замыкают рельсовую цепь, что приводит к изменению параметров сигнального тока. Это изменение фиксируется устройствами автоматики, которые передают сигнал на светофоры и в диспетчерский центр.

Электровоз

Электровозом называют локомотив, движимый тяговым электродвигателем. Двигатель электровоза получает питание от тяговой подстанции через контактную сеть.

Электрическая часть электровоза в целом содержит не только тяговые двигатели, но и преобразователи напряжения, а также аппараты, подключающие к сети двигатели и прочее. Токоведущее оборудование электровоза находится на его крыше или капотах, и предназначено для соединения электрооборудования с контактной сетью.

Токосъем с контактной сети обеспечивают токоприемники на крыше, далее ток подается через шины и проходные изоляторы - к электрическим аппаратам. На крыше электровоза присутствуют и коммутирующие аппараты: воздушные выключатели, переключатели родов тока и разъединители для отключения от сети в случае неполадки токоприемника. Через шины ток подается на главный ввод, к преобразующим и регулирующим аппаратам, на тяговые двигатели и другие машины, далее - на колесные пары и через них - на рельсы, в землю.

Регулировка тягового усилия и скорости движения электровоза достигается изменением напряжения на якоре двигателя и варьированием коэффициента возбуждения на коллекторных двигателях, или подстройкой частоты и напряжения питающего тока на асинхронных двигателях.

Регулирование напряжения выполняется несколькими способами. Изначально на электровозе постоянного тока все его двигатели соединены последовательно, и напряжение на одном двигателе восьмиосного электровоза составляет 375 В, при напряжении в контактной сети 3 кВ.

Группы тяговых двигателей могут быть переключены с последовательного соединения - на последовательно-параллельное (2 группы по 4 двигателя, соединённых последовательно, тогда напряжение на каждый двигатель — 750 В), либо на параллельное (4 группы по 2 последовательно соединенных двигателя, тогда напряжение на один двигатель — 1500 В). А для получения промежуточных значений напряжений на двигателях, в цепь добавляются группы реостатов, что позволяет регулировать напряжение ступенями по 40—60 В, хотя это и приводит к потере части электроэнергии на реостатах в виде тепла.

Преобразователи электроэнергии внутри электровоза необходимы для изменения рода тока и понижения напряжения контактной сети до необходимых величин, соответствующих требованиям тяговых электродвигателей, вспомогательных машин и прочих цепей электровоза. Преобразование осуществляется прямо на борту.

На электровозах переменного тока для понижения входного высокого напряжения предусмотрен тяговый трансформатор, а также выпрямитель и сглаживающие реакторы для получения постоянного тока из переменного. Для питания вспомогательных машин могут устанавливаться статические преобразователи напряжения и тока. На электровозах с асинхронным приводом обоих родов тока применяются тяговые инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный ток регулируемого напряжения и частоты, подаваемый на тяговые двигатели.

Электропоезд

Электропоезд или электричка в классическом виде берет электричество с помощью токоприемников через контактный провод или контактный рельс. В отличие от электровоза, токоприемники электрички располагаются как на моторных вагонах, так и на прицепных.

Если ток подается на прицепные вагоны, то моторный вагон получает питание через специальные кабели. Токосъем обычно верхний, с контактного провода, осуществляется он токосъемниками в форме пантографов (похожих на трамвайные).

Обычно токосъем однофазный, но существует и трёхфазный, когда электропоезд использует токоприёмники специальной конструкции для раздельного контакта с несколькими проводами или контактными рельсами (если речь идет о метро).

Электрооборудование электрички зависит от рода тока (бывают электропоезда постоянного тока, переменного тока или двухсистемные), типа тяговых двигателей (коллекторные или асинхронные), наличия или отсутствия электрического торможения.

В основном электрическое оборудование электропоездов схоже с электрооборудованием электровозов. Однако на большинстве моделей электропоездов оно размещено под кузовом и на крышах вагонов для увеличения пассажирского пространства внутри. Принципы управления двигателями электропоездов примерно те же, что и на электровозах.

Качество токосъема зависит от типа контактной подвески, состояния поверхности трения контактного провода и износа провода. Для снижения износа на полозы токоприемников наносятся специальные смазки, а на высокоскоростных участках используются авторегулируемые токоприемники, которые минимизируют отжатие контактного провода. На участках с повышенными скоростями движения применяются компенсированные рессорные подвески с улучшенными параметрами, обеспечивающие равномерное распределение нагрузки на контактный провод.

Основные технические параметры городского и междугороднего электрического транспорта

• Номинальное напряжение — нормальное рабочее значение, на которое рассчитано оборудование. Для городского транспорта это обычно 600–750 В постоянного тока, для железнодорожного — от 3 до 25 кВ (постоянный или переменный ток).

• Тип тока — большинство систем используют постоянный ток (трамвай, троллейбус, метро), а междугородние электропоезда — переменный (25 кВ, 50 Гц) или постоянный (3 кВ).

• Безопасность включает регулярную проверку изоляции, секционирование контактных сетей, аварийные отключения, пожарную безопасность аккумуляторов, защиту персонала.

Сравнительная таблица типов электропитания транспорта

• Эффективность: Метро выделяется высокой пропускной способностью и бесперебойной подачей энергии, троллейбус и трамвай — экологичностью и возможностью рекуперации энергии, электробус и электропоезд — более гибкой схемой управления затратами энергии.

• Стоимость: капиталовложения выше у метро и электропоезда, обслуживание контактной сети и самой инфраструктуры влияют на трамвай и троллейбус, у электробусов расходы на батареи и обслуживание зарядных станций.

• Гибкость эксплуатации: максимальна у электробусов, ниже — у рельсовых систем, где маршрут нельзя быстро изменить.

Современные аккумуляторные технологии, суперконденсаторы и новые тенденции электропитания транспорта

В последние годы в городском транспорте наблюдается активная интеграция тяговых аккумуляторных батарей и суперконденсаторов. Это открывает возможности для реализации электробусов, автономных троллейбусов и трамваев, способных преодолевать расстояния без постоянной привязки к контактной сети.

Преимущества:

• Гибкость маршрутов: электробусы и гибридные троллейбусы могут работать на участках без контактной сети, что позволяет оптимизировать городскую инфраструктуру.

• Экологичность: отсутствует выброс вредных веществ, работа транспорта становится практически бесшумной.

• Снижение эксплуатационных затрат: простота обслуживания подвижного состава — нет постоянного износа скользящего токосъема.

• Возможность рекуперации энергии: при торможении заряды направляются обратно в батарею или суперконденсатор.

Недостатки:

• Стоимость и деградация батарей: аккумуляторы требуют регулярной замены и контроля состояния; капитальные вложения выше по сравнению с традиционными системами.

• Ограниченный пробег: зависит от ёмкости батареи, режима эксплуатации, температуры среды.

• Безопасность: необходимы системы контроля и защиты от перезаряда, перегрева, короткого замыкания.

Суперконденсаторы превосходят аккумуляторы по скорости зарядки и количеству циклов, поэтому часто используются для “буферизации” на коротких маршрутах и рекуперации.

Трендом последних лет стало также внедрение гибридных систем, при которых транспорт способен работать и от контактной сети, и от накопителей энергии. Расширяется применение динамической зарядки: электробус способен подзаряжаться “на ходу” на участках с контактной линией или в специальных узлах на маршруте.

Современные перспективы и инновации:

• Динамическая зарядка (In Motion Charging): позволяет существенно сократить массу и стоимость аккумуляторов, поддерживать высокий коэффициент готовности транспорта.

• Беспроводная зарядка (индуктивный принцип): встраивается в дорожное полотно или платформы остановок, обеспечивает заряд подвижного состава без физического контакта.

• Переход на более высокое напряжение (например, с 600 до 1500 В): снижает токи и потери, позволяет строить более протяжённые линии электроснабжения с меньшими затратами на их обслуживание.

Тенденции развития городского электротранспорта — это уход от “жёсткой” контактной сети к смешанным (гибридным) схемам на базе аккумуляторов и суперконденсаторов, внедрение динамической зарядки и переход на более эффективные энергосистемы с минимизацией эксплуатационных потерь. Всё это позволяет повысить гибкость, снизить вред для окружающей среды и снизить затраты на содержание инфраструктуры.

Вопросы и ответы

1. Почему для электротранспорта городов часто используется постоянный ток, а для железнодорожных линий — переменный?

Постоянный ток (например, 600–750 В) проще использовать в контактных сетях городского транспорта — легче реализовать рекуперацию энергии и контролировать потери на коротких маршрутах. Для междугороднего сообщения выбирается переменный ток (например, 25 кВ, 50 Гц), так как он позволяет передавать энергию на большие расстояния с меньшими потерями и требует менее массивных проводов.

2. Какие проблемы возникают при переходе на аккумуляторные технологии в транспорте?

Главная трудность — ограниченная ёмкость и срок службы аккумуляторов. Они требуют сложных систем управления для предотвращения перегрева, сбалансированной работы при частых циклах заряд-разряд и регулярного обслуживания. В условиях низких температур эффективность батарей падает, что влияет на стабильность маршрутов.

3. Как выбрать схему электропитания для нового вида транспорта?

Учитывают длину маршрута, доступность инфраструктуры (подстанции, контактные сети), требования безопасности, нормативные ограничения и экономическую целесообразность. Например, для коротких маршрутов с частыми остановками лучше подходят электробусы на суперконденсаторах, а для скоростных линий — контактная сеть высокого напряжения.

4. Какие особенности эксплуатации возникнут у гибридных систем?

Гибридные системы требуют координированного управления источниками питания (сеть, аккумулятор), постоянного контроля заряда и выбора режима движения. Внедрение динамической и беспроводной зарядки требует специальной инфраструктуры, стандартов безопасности и новых методов диагностики транспортных средств.

5. Как техническое обслуживание отличается для разных схем питания?

Традиционная контактная сеть требует постоянного мониторинга и ремонта токоприемников, изоляции, заземления. Аккумуляторные системы более сложны с точки зрения электроники и требуют продвинутых систем диагностики, а беспроводные станции — регулярной калибровки оборудования.

Андрей Повный