Электропоезда, работающие на постоянном напряжении в 3000 вольт, распространены повсеместно. Однако мало кто задумывается, почему на контактную сеть постоянного тока подаётся всего 3000 вольт? Это примерно в 8 - 9 раз ниже, чем 25 - 27 тысяч вольт в ж/д контактной сети переменного тока.
Откуда взялась такая гигантская "пропасть" между значением напряжения постоянного и переменного тока? И вообще, почему именно "плюс" подаётся на провод, а "минус" на рельсы? Почему не наоборот?
Не многовато ли вопросиков для одной статьи?..
И действительно, вопросов много, но все они очень взаимосвязаны. Невозможно ответить на один из них и при этом сделать вид, что других как бы нет.
Итак, для большей наглядности нужно обратиться к схеме питания постоянным напряжением в 3000 В участка электрифицированной железной дороги.
На ней показано, что на тяговую подстанцию поступает переменное трёхфазное напряжение 110 кВ (110 тысяч вольт) от энергосистемы страны. Затем оно подаётся на понижающий трансформатор, который понижает его до 10 кВ. После этого напряжение понижается ещё до 3,3 кВ уже на преобразовательном трансформаторе. Его иногда называют тяговым.
Его коэффициент трансформации равен 3, и поэтому на его вторичной обмотке именно 3,3 кВ. Однако потом это трёхфазное переменное напряжение идёт на выпрямитель. Там стоят выпрямительные диоды, которые делают напряжение выпрямленным. И вот как раз выпрямленное напряжение уже можно с оговорками и допущениями считать как бы постоянным током.
При выпрямлении это напряжение с 3,3 кВ просаживается до 3 кВ. Отсюда и берутся эти 3000 вольт.
Для более наглядного представления есть ещё и рисунок:
Причём так называемый "плюс" от выпрямителя подаётся на контактный провод, а не на рельсы. Соответственно рельсы тоже участвуют в электроснабжении электропоезда, и они подключены к так называемому "минусу" выпрямителя.
Такая положительная полярность контактной сети и отрицательная полярность рельсов принята с целью уменьшения электрохимической коррозии находящихся рядом с железнодорожными путями трубопроводов и иных металлических конструкций.
Комментарий специалиста:
Так как обратным проводом являются рельсы, а их практически невозможно изолировать от земли, часть тягового тока ответвляется. Эти токи называются «блуждающие токи». Направление блуждающих токов предугадать практически невозможно. Блуждающие токи протекают не только в земле, но и по встречающимся на их пути металлическим частям различных подземных сооружений.
Зоны, где блуждающие токи стекают с рельсов или с иных подземных сооружений в землю, принято называть анодными зонами, а зоны, где блуждающие токи входят из земли в рельсы или иные подземные сооружения, принято называть катодными зонами. Так как имеется разность потенциалов между металлом (рельс, трубопровод) и землёй, в этих зонах возникает электролиз и происходит электрохимическая коррозия металла.
Если мы изменим полярность подключения контактного провода и рельс, то большая часть энергии постоянного тока будет уходить на электрохимическую коррозию металлических конструкций, а самому подвижному составу мало что от этой энергии достанется.
Ну что ж, с полярностью подключения мы разобрались. Но что будет, если мы повысим это постоянное напряжение с 3 тыс. вольт до 25 тыс. вольт, как это сделано на переменном напряжении?
Здесь мнения экспертов сводятся буквально к следующему:
Из-за больших значений постоянного напряжения резко увеличатся катодные и анодные зоны, как по охватываемой площади, так и по занимаемому объёму в массах почвы. Такие большие области охватят абсолютно все прилегающие к железной дороге наземные металлические постройки, а также металлические коммуникации. Это приведёт к ускоренной коррозии
Т.е. даже сохраняя правильную полярность - "плюс" на провод, а "минус" на рельсы, мы получим увеличение скорости и объёмов коррозии металлических сооружений из-за роста самого напряжения.
Переменное же напряжение в 25 - 27 тысяч вольт промышленной частоты 50 Гц не оказывает столь явного разрушительного электрохимического воздействия, как постоянное напряжение тех же значений, именно из-за меняющейся 50 раз в секунду полярности. И поэтому повышение напряжения на контактных ж/д линиях постоянного тока с 3 тыс. до 25 тыс. вольт недопустимо.