Статья обновлена — добавлена информация про подъём нескольких токоприёмников
Трамваю и троллейбусу для работы нужно напряжение около 600 вольт. Над электровозом и вовсе где потрескивают 10 киловольт (10 тысяч вольт, на промышленных дорогах), где 15 (кое-где в Европе), где 25 (на советских магистралях), где — скромные 1,5 или 3 кВ (эти стандарты встречаются и промышленности, и на наших дорогах, и на европейских). В магистральных линиях электропередач и вовсе сотни кВ, есть даже линии на 1150 тысяч вольт.
А ещё электровозы иногда поднимают на стоянке «лишний» токоприёмник. У всего этого одна природа.
Всё дело в мощности. Электрическая мощность равна напряжению, умноженному на ток (P = U × I). Ток — это, грубо говоря, количество электричества в секунду. Килограммы электронов в секунду. Или литры. Чтобы пропускать много литров — нужен толстый провод, а провод — это медь или алюминий (у них наименьшее сопротивление, дорогое серебро не в счёт), это масса и размеры. Электронам тесно в слишком тонком проводнике.
С напряжением немного проще — это вроде давления. Чтобы сдержать давление электричества, не дать ему перепрыгнуть куда не надо — достаточно воздуха. Нужно просто разнести проводники на некоторое расстояние. Если надо уместить проводники в ограниченный объём — то уже нужна изоляция покрепче, это может быть резина, полиэтилен, масло, слюда, шестифтористая сера (элегаз) под давлением...
В общем, чтобы передать много мощности далеко — выгоднее большое напряжение (изоляцию получаем буквально из воздуха), чем большой ток (провода из воздуха не получишь). Теперь пример.
Повнимательнее с буквами, они значат очень много. Маленькая м означает «милли», большая М — «мега», то есть между мВ и МВ миллиардная разница. Ток в формулах обозначается не маленькой L, а большой i (I), а напряжение — именно буквой U, но никоим образом не V.
Напряжение генератора электростанции равно где 6,3 кВ (6300 вольт), где 24 кВ, бывают и другие, но редко больше — изоляция не выдержит. Сопротивление километра алюминиевого провода сечением 35 кв. мм — чуть меньше одного ома. Чтобы передать энергию с Жигулёвской ГЭС в Сызрань, потребуется километров 200 провода (считаем для простоты пару проводов, а не три фазы, как в реальности), сопротивление которых будет 164 ома.
Чтобы передать скромные 100 киловатт при напряжении 6,3 кВ, нужен ток (P/U = I) 100 000 / 6300 = 15,9 ампера. При таком токе на проводах сопротивлением 164 ома потеряются (I × R = U, закон Ома) 15,9 × 164 = 2608 В... Чуть не половина напряжения. В виде простого тепла рассеются (IU = P) 15,9 × 2608 = 41467 Вт.
Иными словами, потери в линии составят 41,5 %. А если передавать эти 100 кВт при напряжении 500 кВ, то ток будет всего 0,2 А, падение напряжения на линии составит 32,8 В, в тепло уйдут 6,56 Вт. Это 0,0000656 % от переданной мощности. Так что для передачи мощности по большим сетям напряжение надо повышать. Для этого применяются трансформаторы:
И чем мощнее электроприёмник — тем, в общем случае, на большее напряжение он выполняется. Мощность вагона метро типа 81-717 чуть меньше 0,5 МВт — в метро принято напряжение 825 вольт. Мощность электровоза ВЛ80Т в длительном режиме — более 6 МВт, и чтобы её обеспечить — он питается напряжением аж 25000 вольт. А Жигулёвская ГЭС выдаёт почти 2500 МВт, поэтому от неё эти мегаватты разбегаются по ЛЭП 110, 220 и 500 киловольт.
А почему городской транспорт и половина железных дорог работают на постоянном токе, а другая половина ЖД — на переменном, кратко рассказано в статье ТЭД-15:
А для чего на стоянке поднимают ещё один токоприёмник? Обязательно делается это на электровозах постоянного тока, так как из-за сравнительно невысокого напряжения они потребляют большой ток. При трогании электровоз может потреблять от 100 — 150 А (ВЛ10, ЧС7) до ~1 кА (3-секционный ВЛ11, ВЛ82М).
Протекающий ток нагревает провод, и греется он больше всего в точке контакта, а так как точка контакта не перемещается — провод в этом месте быстро отжигается и может даже перегореть. Поэтому для распределения нагрузки по нескольким точкам поднимают несколько ТП:
Но не больше трёх — иначе произойдёт так называемое выдавливание провода, нарушится нормальная работа контактной сети, натяжение которой строго поддерживается — об этом кратко рассказано в статье ТЭД-12. На скорости более 10 км/ч один ТП опускают — он уже не греет длительно одну и ту же точку провода, а перемещается.
На мощных (более 4 МВт в секции) ВЛ15, ЧС6, 2ЭС10 предусмотрены два токоприёмника на секцию:
А у «переменников» благодаря большому напряжению ток настолько мал, что им хватает и одного ТП. На «тройниках» на средней секции его вообще нет — на 3ЭС5К его нет с завода, с ВЛ80С демонтируют при сборке «тройника»:
Два ТП на переменнотоковых машинах поднимают в трёх случаях — обледенение провода, питание цепей отопления поезда на стоянке и... И чтобы просто показать принимающей бригаде, что оба токоприёмника поднимаются.
На этом пока всё! Жду ещё наводящих вопросов.