Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
...Справа маячила местная достопримечательность — высоченная дымовая труба некогда мощного завода имени Петровского. Скоро Фундуклеевка. Машинист закрывается — штурвал завёрнут влево, мигает красное табло с резким зигзагом, символизирующим обмотку, ползёт вниз стрелка указателя. Вот подплыла к нулю, вместо красного табло загорелось такое же — украшенное зигзагом — зелёное, резко выстрелила защёлка реверса. Закрылись — выключили тягу, катимся на выбеге.
В машинном отделении утих звон вентиляторов, оборвалась пулемётная очередь пневмодвигателя и контакторов — лишь стоит запах сварки да озона, напоминает, что сейчас тут гремел настоящий салют сотен ампер. Правда, пассажиры этот салют не видят и даже не знают о нём.
Кто-то из них едет в поезде в первый раз, кто-то едет в последний, для большинства это рядовая привычная поездка — они и не вспомнят, что в длинной синей змее их поезда «первый вагон» был красным, и не подумают, что у него есть имя — Skoda 52E от рождения, ЧС4 после крещения. Не догадываются, что трудится старый чех уже почти полвека и добегает седьмой миллион километров.
Не думал об этом и машинист. Выключив подкачку, он проводил глазами мелькнувший в лобовых стёклах «нейтральный смайлик» — синий знак с двумя точками и чертой под ними — и краем глаза заметил падение вольтметра на ноль. Тени за окном на миг озарил мертвенный свет, хлестнул звук дуги... Нейтральная вставка — кончился контактный провод с фазой В, через двести метров пойдёт фаза А.
Вот снова полыхнуло, но куда скромней. Стрелки приборов скопом наклонились вправо, вольтметр сети показал даже больше, чем раньше — оно и ясно, недавно разминулись с парой грузовых, и сейчас они, жадно пожирая мегаватты, брали тяжёлый подъём на Райгород, заметно просаживая напряжение на пройденном участке.
А перед нами километров на тридцать никого нет, большую часть этого пути мы будем идти на подъём, но для встречных это спуск — они, если и есть, сейчас беззаботно катились вниз.
Система тягового электроснабжения играючи держала нагрузку — она была способна на куда большее.
Получив к предыдущей статье — про асинхронники — половину комментариев типа «прочитал, но ничего не понял», я решил со страшными фазными роторами повременить и вообще отвлечься от того, что движется. Недвижимая половина электропривода поезда — электростанции, подстанции, контактная сеть — не так зрелищна и не так хитро устроена, однако работает на тех же законах. После знакомства с ней по-новому смотришь и на движущуюся половину — подвижной состав.
Где движение не очень частое и содержать провода жирно будет — там никуда без локомотивов с электростанцией на борту, тепловозов:
Тепловозы трудятся на таёжных линиях, где ни электростанций, ни мощных линий электропередач. На подъездных путях, утром подавая пустые вагоны — а вечером забирая гружёные. В некоторых грузонапряжённых местах типа линий Мичуринск — Ртищево, Агрыз — Набережные Челны или Кинель — Оренбург, где ещё не успели провести электрификацию. А вот когда поездов много...
Андрей Николаевич Туполев сказал: «лучший бустер (гидроусилитель) — тот, что не стоит на самолёте» — имея в виду, что при отказе гидроусилителя машина становится неуправляемой, поэтому лучше строить управление без гидроусилителей, что и практиковали до последнего, до тяжёлых Ил-62 и Ан-22. А ещё Ил-62 — первый отечественный самолёт с мощной системой переменного тока стабильной частоты — хитрыми приводами синхронных генераторов... Об этом почитать можно в 17-й и 19-й статьях про Ту-154 (нажмите на цветное — статья откроется).
Итак, возвращаясь на землю: лучший тепловоз — тот, генератор которого стоит на электростанции, то есть электропривод не таскает электростанцию на себе, ей отведено лучшее место. У машинистов, работавших в обоих видах тяги (тепловозной и электровозной), на этот счёт точная поговорка: самый худший электровоз лучше самого лучшего тепловоза.
В самом деле, от генератора и вращающего его дизеля одни проблемы — и с надёжностью, и с эффективностью, и с небольшой в масштабах поезда, но всё-таки лишней массой, и с мощностью.
Во все технологические периоды тепловозы вдвое — втрое отставали по мощности от электровозов. После войны в Харькове выпускался 6-осный ТЭ1, фактически копия американца RSD-1, с мощностью дизеля 736 кВт (1000 лошадиных сил, но это единица внесистемная), а двигатели и вовсе выдавали около 600 кВт (остальное уходило в собственные нужды и потери).
А Новочеркасск выпускал 6-осный же ВЛ22М, выдававший в длительном режиме около 1900 кВт. И это только в длительном, кратковременно электровоз может выдать раза в полтора — два больше. Десятилетие спустя в серию пошли ТЭ3 и ВЛ8 — неполные 3 мегаватта против 4, и это при том, что «трояк» в полтора раза тяжелее.
Ещё через двадцать с лишним лет появились 6-осные секции тепловозов 2ТЭ121 мощностью по дизелю 2942 кВт (из которых до колёс доходят где-то 2500) и 6-осные же секции электровозов ВЛ85 мощностью по 4680 кВт. За рубежом примерно та же картина — развитие тепловозов остановилось на секционной мощности около 6000 л. с., серийно же выпускаются машины мощностью 3 — 3,5 МВт вроде импортного ТЭ33А, для схожего по массе и габаритам 6-осного электровоза норма — 7 МВт.
Эффективность — понятие очень сложное. Тепловоз ест дорогостоящую солярку, дизель постоянно меняет режимы, из-за чего сделать его эффективным не выходит, лишнее тепло улетает в атмосферу мегаваттами... В три метра ширины кузова, из которых больше метра занимают проходы, много не уместишь. На электростанции — совсем другое дело, ограничения по месту почти нет, давить «газ-тормоз» ежеминутно тоже не надо.
Многоступенчатый турбогенератор срабатывает в электроэнергию всё возможное тепло, а несработанное идёт на отопление. Режим работы тоже очень спокойный — колебания то включающихся, то выключающихся нагрузок для электростанции что мышиная возня, мелкие она не замечает, а под суточные и тем более сезонные подстраивается без проблем.
Осталась одна проблема — как связать электростанцию и локомотив? Из 8-й статьи ясно, что чем выше напряжение — тем эффективней передача. Однако помещающийся в тележку локомотива тяговый двигатель, скажем, на 35 киловольт выполнить даже с космическими технологиями невозможно — даже если выдержит изоляция, то на коллекторе (вспомним понятие коммутации из 6-й статьи) будет пылать адское пламя, даже разогнаться не успеем, как коллектор высыпется на шпалы.
В итоге возникают три проблемы — понизить напряжение, выпрямить (электростанции выдают 50 Гц) и отрегулировать. Асинхронные двигатели, требующие регулирования частоты, пока даже вспоминать не будем... Если понизить напряжение можно весьма надёжным трансформатором (о нём ниже), то выпрямить в конце XIX — начале XX веков, когда электротяга только зарождалась, можно было лишь машинным преобразователем.
Двигатель для раскрутки, генератор для выработки, по-другому это чудище называется «умформер». Они до сих пор используются на некоторой старой технике, правда, в обратную сторону — вырабатывают из постоянного тока переменный. Авиационный ПО-750, например.
Поставить такое чудище мощностью в мегаватты было куда проще на подстанции, а на электровоз подавать готовое, относительно низкое постоянное напряжение. Так появилась система электротяги постоянного тока, в СССР быстро эволюционировавшая до нынешнего вида — системы напряжением 3 кВ. Напряжения менее 1 кВ остались лишь на городском транспорте, а на зарубежных ЖД кое-где остались 1,5 кВ. Но методы регулирования были общие — уже известные по предыдущим статьям реостат, перегруппировка и шунты.
Техника не стояла на месте, появились дуговые ртутные выпрямители — игнитроны и тиратроны. Да, в них горела электрическая дуга и плескалась ртуть, но они были куда компактнее и «культурнее» умформеров. Естественно, в погоне за эффективностью передачи энергии на локомотив было решено — перенести понижение и выпрямление на электровоз, пустить в контактную сеть переменное напряжение 20, а позже и 25 кВ. В центре электровоза занял место трансформатор, а в кабине — противогазы: при прорыве ртутных паров из игнитронов бригада обязана была покинуть кабину через окна.
Но продолжалась эта езда на пороховой бочке недолго: появились мощные кремниевые диоды, электровозы на 20 кВ (ВЛ61) были переоборудованы в двухсистемные ВЛ61Д для проезда границы участков 3 кВ и 25 кВ без смены электровоза; электровозы на 25 кВ (ВЛ60, ВЛ80) переоборудовались на кремниевые диоды, получая букву К — ВЛ60К, ВЛ80К. Пассажирские ВЛ60П (с меньшим передаточным числом главных редукторов, для большей тяги на большой скорости) получали обозначение ВЛ60ПК.
А из братской Чехословакии начали прибывать скоростные пассажирские ЧС4 — если ВЛ60 «могли» 100 км/ч, то ЧС4 без проблем набирал 160, имея запас для вождения поездов на скоростях 120 — 140 км/ч. Переменный ток начал завоёвывать дороги, и эта схема электровоза — трансформатор, кремниевые диоды, коллекторные ТЭДы — заняла позиции, которые на просторах бывшего СССР держит до сих пор. И если с выпрямителем знакомство состоялось в 8-й статье, то что за зверь трансформатор, он же тр-р или на жаргоне «транс»?
Это родственник электромашин, эдакий генератор без движущихся частей. Что нужно генератору для появления ЭДС? E = CФn: нужны магнитное поле (Ф) и его движение (n). В трансформаторе магнитное поле создаётся первичной обмоткой, а его движение обеспечивается за счёт того, что ток переменный. Он постоянно меняет величину и направление, сами обмотки не движутся. Поэтому тр-р не работает на постоянном токе. Обмотки, как и в электродвигателе, установлены на сердечнике (магнитопроводе) — чтобы магнитный поток не рассеивался, а «ходил строем».
Переменное магнитное поле первичной обмотки наводит ток во вторичной обмотке. Если число витков (W) первичной и вторичной обмоток (W1 = W2), то напряжение, выдаваемое вторичной обмоткой, будет равно напряжению на первичной, за вычетом потерь. Если же во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной (W1 < W2), то и напряжение на выходе трансформатора будет больше входного. Такой тр-р называется повышающим, именно такие повышают 6 — 24 кВ генератора электростанции до 110 — 1150 кВ для передачи.
Первичное и вторичное напряжения связаны пропорцией:
U1 / U2 = W1 / W2.
Если W1 > W2, то транс называется понижающим. Один такой стоит на подстанции, понижает сетевые 110 кВ до тяговых 25 кВ.
Другой стоит на электровозе, понижая 25 кВ до оптимального для электровозного ТЭДа 1 кВ и дополнительно до 220 В для собственных нужд электровоза.
Третий понижает 220 вольт до 5 для зарядки телефона. Секунду, а как это на выходе одного второго транса — сразу два разных напряжения? Это можно сделать двумя методами: либо намотать несколько вторичных обмоток, каждая на своё напряжение, либо подключиться только к части витков. Промежуточный вывод называется отпайкой. Во многих трансах скомбинированы оба метода. Взгляните, например, на этого малыша ОСМ1-0,1 (однофазный сухой многоцелевой мощностью 0,1 кВА):
Или на трансформатор электровоза ВЛ40У, сделанного из ВЛ80Т — выводов столько, что глаза разбегаются:
Напряжение с токоприёмников на тр-р подаёт ГВ — главный выключатель, который живёт на крыше, фото добавлю сегодня (28 декабря) вечером.
А что же на подстанции? Для примера — мощная подстанция постоянного тока Звезда, что в степях Самарской области:
Запитана она по двухцепной (сдвоенной) линии 110 киловольт, на входе первым делом стоят разъединители:
Это аппараты, которые могут создать видимый разрыв цепи, но не могут рвать ток, то есть отключать нагрузку — они не оборудованы дугогашением (см. статью 3). Для отключения нагрузки далее стоят силовые выключатели.
Для чего тогда нужен разъединитель? Для создания видимого (чтобы спокойно работать) разрыва после отключения тока выключателем, а также для работы на самих выключателях или аппаратах, стоящих до них — типа трансформаторов тока:
ТТ — особый вид тр-ров, у которого первичная обмотка включена последовательно с какой-либо нагрузкой, поэтому ток на выходе ТТ пропорционален току через первичную обмотку. Подобрав соотношения витков, можно измерять огромные токи при огромных напряжениях хоть карманным тестером — не взорвётся, ведь обмотки транса электрически не связаны, напряжение первичной цепи на тестер не поступит.
Для этой же цели стоят ТНы — измерительные трансформаторы напряжения. При 110 кВ (110 000 В) на входе этот аппарат даёт 100 В на выходе, это напряжение является стандартным для всех измерительных ТНов, поэтому часто в конструкциях «из того, что было» (в гаражах, радиокружках, лабораториях) можно увидеть вольтметры на странное напряжение 150 В — они с запасом предназначены для работы с трансформаторами напряжения. А у ТТ стандартный вторичный ток — 5 А.
Далее стоят силовые выключатели, в данном случае — масляные (МВ). Каждый бак — самостоятельный аппарат, так называемый полюс выключателя. Внутри бака, под «рогами» (изоляторами) — пара неподвижных контактов, для включения к ним снизу прижимается подвижный контакт.
При отключении подвижный контакт «падает», зазоры между контактами заполняются маслом и дуга довольно быстро гаснет. Правда, по ряду причин у «маслят» весьма скромный ресурс до ремонта — несколько сотен выключений. Существуют ещё другие типы выключателей — воздушные, элегазовые, вакуумные, но пока на подстанциях на 35 — 220 кВ царят масляные. Вот «воздушники» на подстанции 500 кВ:
В них контакты разводятся и дуга гасится сжатым воздухом. Кстати, воздушные выключатели (ВВ) распространены и на электровозах и электропоездах переменного тока — если кто помнит хлопок перед опусканием токоприёмника, то это как раз срабатывание ВВ. На электропоездах ЭР9, ЭД9 он так и называется, а на электровозах он зовётся главным выключателем — ГВ. Вот ГВ, у которого при подаче воздуха на отключение изолятор лопнул по старой трещине:
Однако вернёмся на подстанцию, для разнообразия — на Печерский берег. За МВ стоит ещё один комплект ТТ — для измерения токов уже конкретно трансформаторов — и сами силовые трансы 110/10 кВ:
Почему 10, когда в контактной сети 3? Это удобное промежуточное напряжение, промышленность выпускает понижающие тр-ры с 35, 110, 220 и 330 кВ на 10 кВ — значит, можно выпустить всего один специальный транс 10/3 кВ, дополнив его стандартным «кубиком» для согласования с ЛЭП. Или вовсе запитывать подстанцию по ЛЭП 10 кВ, такое тоже бывает, хотя большой мощности так не получить.
И об этом, и вообще о том, что происходит после понижения напряжения до 10 кВ, и о том, что «специальный транс» выдаёт вовсе не 3,3 кВ, а намного меньше — в следующей статье! Здесь же напоследок вспомним об одной экзотической системе энергоснабжения – 15 кВ, 16 ⅔ Гц. Она появилась, когда уже остро понадобилось поднять напряжение в контактной сети, но ещё не было даже силовых игнитронов.
Тогда было решено разместить на электровозе тр-р без выпрямителя. Но коллекторные двигатели на переменном токе работают ужасно – из-за гистерезиса (медленного перемагничивания) полюсов падает магнитный поток и с ним мощность, а также сильно ухудшается коммутация, подробнее о коммутации написано в 6-й статье. Поэтому пришлось построить сеть электростанций на втрое меньшую частоту 16 ⅔ Гц – на таком сверхнизкочастотном переменном токе коллекторные тяговые двигатели заработали.
Система эта в некоторых странах Европы работает и сейчас, только неудобную в десятичном счёте частоту 16 ⅔ Гц подняли до 16,7 Гц, подняв обороты генераторов с 1000 до 1002 мин⁻¹. Существуют многосистемные электровозы, работающие как на постоянном токе двух напряжений – 1,5 и 3 кВ, так и на переменном двух напряжений и частот – 15 кВ, 16,7 Гц и 25 кВ, 50 Гц. Зоопарк!
На этом на сегодня всё!
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»
Другой цикл канала — «Тушкины потроха»
—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—
