Электрифицированные железные дороги занимают особое место среди потребителей электроэнергии. Эта специфика определяется конфигурацией электрической сети, сооружаемой для электрификации железной дороги (географически протяженный потребитель с близкими значениями нагрузок тяговых ПС, расположенных примерно на равных расстояниях одна от другой), и высокими требованиями к надежности электроснабжения.

Электрификация железных дорог проектируется, как правило, на переменном однофазном токе промышленной частоты напряжением 25 кВ в контактной сети (номинальное напряжение на шинах тяговых ПС — 27,5 кВ), а при наличии обоснований — на постоянном токе напряжением 3 кВ (номинальное напряжение на шинах тяговых ПС — 3,3 кВ).

Электрификация на постоянном токе используется, как правило, при усилении или продлении действующих электрифицированных участков, выполненных на напряжении 3,0 кВ.

При электрификации на переменном токе тяговые ПС располагаются, как правило, на расстоянии 40–50 км одна от другой, при постоянном токе — на расстоянии 20–25 км. Соответственно электрические нагрузки тяговых ПС при переменном токе существенно больше, чем при постоянном.

В последнее время внедряется также система электрификации на переменном токе 2×25 кВ, позволяющая сохранить напряжение 25 кВ в контактной сети, но большую часть энергии передавать от тяговых ПС к электровозам на напряжении 50 кВ. Для этого кроме контактного подвешивается дополнительный питающий провод, напряжение которого по отношению к земле равно 25 кВ, а к контактному проводу — 50 кВ. Питание электровозов осуществляется через линейные АТ 50/25 кВ, устанавливаемые между тяговыми ПС через 8-15 км и подключаемые крайними выводами к контактному и питающему проводам, а средним — к рельсам. На тяговых ПС устанавливаются однофазные трансформаторы с двумя вторичными обмотками 27,5 кВ каждая, соединяемыми последовательно. При одинаковом размещении тяговых ПС потери мощности в системе 2×25 кВ в 1,5–2 раза ниже, чем в системе 25 кВ. При увеличении расстояния между ПС в системе 2×25 кВ в 1,7–1,8 раза по сравнению с системой 25 кВ потери в обеих системах равны.

Тяговые ПС по надежности электроснабжения приравниваются к потребителям первой категории и должны обеспечиваться двусторонним питанием. При выборе схемы должен решаться вопрос о комплексном электроснабжении электрифицируемых железных дорог и всех других потребителей в прилегающем районе.

Питание тяговых ПС осуществляется от одноцепных или двухцепных линий электропередачи 110 кВ (при электрификации на переменном токе — также и 220 кВ), сооружаемых для этой цели, как правило, вдоль железной дороги. Присоединение этих так называемых тяговых линий электропередачи в свою очередь осуществляется к расположенным вблизи железных дорог или вновь сооружаемым ПС 500–220 кВ.

Выбор схемы электроснабжения должен производиться на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов в зависимости от следующих факторов:

расстояния между источниками питания;

нагрузки тяговых и районных потребителей и динамики их развития;

количества тяговых и районных ПС;

конкретных условий в энергосистеме (наличия тех или иных напряжений питающей сети, необходимости использования тяговых линий электропередачи в качестве сетевых связей и т. п.).

При наличии развитой распределительной сети 110–220 кВ в районе железной дороги, что имеет место на большей части обжитой территории страны, отдельные тяговые ПС могут получать питание непосредственно от районных ПС энергосистемы или присоединяться к существующей сети.

Требования к схемам присоединения к сети тяговых ПС сводятся к следующему:

по двухцепной тупиковой ВЛ рекомендуется питание одной тяговой ПС; присоединение к этой ВЛ других ПС, не питающих тягу, не допускается;

при питании двух тупиковых параллельных одноцепных ВЛ от разных секций системы сборных шин допускается присоединение к этим ВЛ в рассечку двух тяговых ПС;

при присоединении ПС к одноцепной ВЛ с двусторонним питанием (17, б) между двумя узловыми ПС допускается включение не более пяти промежуточных ПС для ВЛ 220 кВ при электрификации дороги на переменном и постоянном токе и ВЛ 110 кВ при электрификации на постоянном токе и не более трех ПС для ВЛ 110 кВ при электрификации дороги на переменном токе;

к двухцепной ВЛ с двусторонним питанием допускается присоединение одной тяговой ПС на ответвлениях к обеим цепям;

от двух одноцепных ВЛ с двусторонним питанием (17, в) между двумя узловыми ПС включается такое же количество промежуточных ПС, как и от двухцепных ВЛ;

для тяговых ПС, присоединяемых на ответвлениях или питаемых по двухцепным тупиковым ВЛ, принимается типовая схема электрических соединений 4Н (8, табл. 4.4), а для промежуточных ПС, включаемых в рассечку одноцепных и двухцепных ВЛ — типовые схемы 5Н и 5АН.

При прохождении в особо гололедных районах тяговые ВЛ и ответвления от них выполняются на одноцепных опорах независимо от схем питания тяговых ПС; на тяговых ВЛ, проходящих в районе с гололедными условиями и наблюдавшейся пляской проводов, должны предусматриваться мероприятия по плавке гололеда.

На слабозагруженных участках железных дорог (до 24 пар поездов в сутки) допускается обеспечение надежности питания тяговых ПС как потребителей II категории: одностороннее питание тяговых ПС, питание тяговых ПС от одной секционированной ВЛ при условии подключения смежных ПС к разным секциям ВЛ, подключение ПС к питающей ВЛ отпайкой с помощью одного ввода с выключателем.

Схема электроснабжения электрифицируемой железной дороги должна быть тесно увязана со схемой электроснабжения районных потребителей. От тяговых ПС осуществляется также электроснабжение районных потребителей в пределах экономически целесообразного радиуса действия сетей 35–10 кВ.

Возможные варианты электроснабжения районных потребителей от тяговых ПС приведены на 18. На тяговых ПС постоянного тока обычно устанавливаются трансформаторы напряжением 110/10 кВ. Тяговые трансформаторы в блоке с выпрямительными агрегатами подключаются к шинам 10 кВ. Питание районных потребителей может осуществляться от общих двух- или трехобмоточных трансформаторов.

Питание района от тяговых ПС переменного тока с высшим напряжением 110 кВ может осуществляться от трехобмоточных тяговых трансформаторов или от отдельных трансформаторов.

Если для электроснабжения района требуется одно питающее напряжение, наиболее целесообразна схема питания от третьей обмотки тяговых трансформаторов. При наличии существующей районной нагрузки на двух напряжениях может оказаться более экономичным вариант питания тяговых и районных потребителей от отдельных трансформаторов. Эффективность схемы раздельного питания возрастает в случаях, когда для питания тяги можно ограничиться установкой одного трансформатора, а также когда тяговая ПС сооружается вблизи действующей районной ПС. Для тяговых ПС переменного тока с высшим напряжением 220 кВ целесообразно питание районной и тяговой нагрузок от общих трехобмоточных трансформаторов или АТ 220/110/25 кВ (при наличии нагрузки на напряжении 110 кВ).

Электрификация на переменном однофазном токе обуславливает появление несимметричного напряжения в сети общего пользования, присоединенной к тяговой ПС. При превышении допустимых значений несимметрии на тяговых ПС должны устанавливаться фильтрующие устройства.