Tài liệu Mạng cao áp và mạng điện kéo docx

MCA&TðK
•
7


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ
CUNG CẤP ðIỆN CHO GIAO THÔNG ðIỆN
1.1. SƠ LƯỢC VỀ GIAO THÔNG ðIỆN
Các lĩnh vực sử dụng giao thông ñiện bao gồm: giao thông ñường sắt có ñầu máy
ñiện kéo các toa xe chở hàng hoặc chở khách, ñoàn tàu gồm các toa xe gắn môtơ ñiện
thường dùng chở khách trên các ñường ngoại ô ở các thành phố lớn; giao thông thành
phố có tàu ñiện bánh sắt, xe ñiện bánh hơi, tàu ñiện ngầm; giao thông công nghiệp có
ñầu máy ñiện kéo các xe goòng chở than trong các hầm lò, ñầu máy ñiện kéo các toa xe
chở nguyên vật liệu và công nhân trong các xí nghiệp.
Tất cả các loại giao thông ñiện sử dụng trong các lĩnh vực nêu trên có chung một
cơ sở nguyên lý làm việc và có thể biểu thị khái quát quá trình làm việc bằng sơ ñồ khối
sau ñây:

Hình 1.1









Trên sơ ñồ: Hình 1.1.

1. Nhà máy ñiện.
2. Trạm biến áp.
3. ðường dây cao áp 3 pha.
4. Trạm ñiện kéo.
5. Dây cung cấp (phía mạng tiếp xúc).
6. Dây về (nối ñất, nối ray).
7. Hệ thống dây tiếp xúc.
8. ðầu máy ñiện.
9. Cần tiếp ñiện.
2
1
4
3
5
6
7
8
9
ðC
10
10. ðường ray.
Tất cả các loại giao thông ñiện (trên ñường ray) sử dụng trong các lĩnh vực nêu
trên ñều dùng ñộng cơ ñiện kéo. Việc truyền tải năng lượng ñiện từ nhà máy ñiện tới
các ñộng cơ ñiện kéo ñặt trên các ñầu máy hoặc các toa xe ñược thực hiện nhờ các trạm
biến áp, các ñường dây cao áp với các cấp ñiện áp khác nhau và các trạm ñiện kéo.
Trong các trạm ñiện kéo ñiện năng ñược biến ñổi theo từng loại dòng ñiện và ñiện áp
phù hợp với loại ñộng cơ ñiện kéo trên ñầu máy, sau ñó theo hệ thống dây tiếp xúc ñiện
ñược cung cấp ñến các ñộng cơ ñiện kéo. ðộng cơ ñiện kéo làm việc và theo hệ truyền
ñộng làm chuyển ñộng các bánh xe của ñầu máy (mạch vòng của dòng ñiện là ñi theo
ñường ray trở về trạm).

Tầu ñiện bánh sắt ở Hà Nội ñược sử dụng từ những năm 1920, ñồng thời cũng
trong khoảng thời gian ñó ñầu máy ñiện ñược áp dụng ñể chở than từ các hầm lò ñến
bến Cửa Ông (Quảng Ninh) và các ñàu máy ñiện chở goòng trong khai thác than dưới
hầm lò.
Ngót 70 – 80 năm ở Việt Nam giao thông ñiện ở mỏ than Quảng Ninh cũng như ở
Hà Nội ñã ñược khai thác. ðó là các hệ thống ñiện một chiều, nguồn ñiện là các máy
phát ñiện một chiều, còn ñộng cơ ñiện kéo là ñộng cơ ñiện một chiều kíck từ nối tiếp.
Từ sau ngày giải phóng (1954) ñến nay ñã sửa chữa và ñổi mới như thay các trạm phát
ñiện bằng các trạm chỉnh lưu bán dẫn, riêng ở thành phố Hà Nội thì hệ thống giao thông
ñiện ñã quá cũ và bị xoá bỏ hoàn toàn từ năm 1980.
Áp dụng giao thông ñiện trong ngành ñường sắt, giao thông thành phố và vận tải
công nghiệp có những ưu việt sau:
1. Giao thông ñiện cho phép nâng cao công suất kéo của ñầu máy tương ñối dễ
dàng nhờ công suất lớn, tốc ñộ lớn nên khả năng chuyên chở và khả năng
thông qua nhanh.
2. Hiệu suất của giao thông ñiện lớn. Nếu không tính ñến tổn hao ñiện năng trong
hệ thống cung cấp ñiện cũng như tổn hao ở nhà máy ñiện (nhiệt ñiện) thì hiệu
suất bằng 29,5 – 33,4%, trong khi ñó giao thông ñiêzen có trị số hiệu suất là
22,8 –23,8%. Như vậy hiệu suất của ñầu máy ñiện cao hơn của ñầu máy ñiêzen
khoảng từ (6,7 – 9,6%).
3. Trên ñầu máy ñiện không có các bộ phận làm việc ở nhiệt ñộ cao và chuyển
ñộng tịnh tiến qua lại như ở ñầu máy ñiêzen, do vậy ít sửa chữa, giảm chi phí
khai thác.
4. Do ñặc tính cơ ñiện, ñầu máy ñiện có gia tốc lớn hơn ñầu máy ñiêzen, do ñó sử
dụng ñầu máy ñiện ở ñoạn ñường nhiều chỗ ñỗ rất thuận lợi. Vì vậy người ta
thường dùng ñầu máy ñiện chạy ở các khu vực ngoại ô thành phố ñể chuyên
chở hành khách.
5. ðộng cơ ñiện là loại ñộng cơ duy nhất mang tính chất biến ñổi năng lượng
thuận nghịch. Vì vậy ñầu máy ñiện ở chế ñộ kéo nó là ñộng cơ tiêu thụ ñiện
năng, ở chế ñộ hãm nó là máy phát ñiện ñưa ñiện năng trở về lưới. Nhờ

phương pháp hãm tái sinh (thu hồi ñiện năng) khi xuống dốc hoặc khi giảm tốc
ñộ, ñầu máy ñiện trả lại năng lượng ñiện cho hệ thống cung cấp ñiện năng.

MCA&TðK
•
9
6. Sử dụng dễ dàng tạo ñiều kiện ñể cải tạo kỹ thuật, các khâu khác như cơ khí
hoá, tự ñộng hoá, công tác duy tu bảo dưỡng ñường sắt, xếp dỡ hàng hoá ở các
kho bãi, ñiều khiển tự ñộng và ñiều khiển từ xa... cải thiện ñiều kiện lao ñộng
cho cán bộ, công nhân viên ngành ñường giao thông.
7. Áp dụng giao thông ñiện trên ñường sắt rất có thể kết hợp giải quyết ñược việc
ñiện khí hoá các lĩnh khác của nền kinh tế quốc dân nằm trong khu vực ñường
sắt ñi qua trong phạm vi bán kính từ 30 ñến 60km (ở hai phía của ñường sắt)
và khoảng từ 50 ñến 100km bán kính xung quanh trạm ñiện kéo.
8. ðầu máy ñiện kéo không có máy phát riêng ở trên ñầu máy cho nên so với ñầu
máy ðiêzen thì nó nhẹ hơn, rẻ hơn và bền hơn. Cùng công suất ñầu máy, trọng
lượng ñầu máy ñiêzen gấp 1,5 ñến 1,7 lần trọng lượng ñầu máy ñiện, giá thành
cũng gần gấp ñôi so với ñầu máy ñiện.
9. ðầu máy ñiện không nhả hơi ñộc, không có khói bụi, thuận tiện cho việc giữ
gìn vệ sinh môi trường cho hành khách, thành phố và khu dân cư ñường sắt ñi
qua.
Nhưng nhược ñiểm của ñầu máy ñiện so với ñầu máy ñiêzen có thể khái quát
bằng những ñiểm sau ñây:
1. Áp dụng sức kéo ñiện phải bỏ vốn ñầu tư lớn cho hệ thống cung cấp năng
lượng ñiện như ñường dây cao áp, trạm ñiện kéo, hệ thống dây tiếp xúc (cột,
ñường dây...). Giá của một ñầu máy ñiện bình quân chỉ bằng 2/3 giá ñầu máy
ñiêzen, nhưng ñầu tư cho mạng cung cấp ñiện gồm ñường dây cao áp, trạm
ñiện kéo, hệ thống dây tiếp xúc (cột, ñường dây...) có giá thành bằng 2,5 lần
giá ñầu máy. Như vậy phải có một khối lượng vận chuyển tương ñối lớn thì
ñiện khí hoá mới có khả năng thực hiện ñược, vì khối lượng vận chuyển lớn

cho phép hoàn vốn ñầu tư nhanh.
2. Tính cơ ñộng của ñầu máy ñiện yếu hơn so với ñầu máy ñiêzen.Nhất là khi xảy
ra chiến tranh. Vì ngoài ñường sắt, công trình ñường sắt và bản thân ñầu máy
còn có cả hệ thống mạng lưới cung cấp ñiện năng.
3. Sử dụng sức kéo ñiện gây nên những ảnh hưởng ñối với các hệ thống khác như
ảnh hưởng ñiện từ trường ñối với ñường dây thông tin liên lạc, ảnh hưởng
dòng ñiện rò, phá hoại các công trình ngầm dưới lòng ñất... Các ảnh hưởng ñó
ñã ñược nghiên cứu và có các biện pháp khắc phục, giảm thiểu.
1.2. CÁC DẠNG GIAO THÔNG ðIỆN
Giao thông ñiện có thể phân thành loại lấy ñiện từ mạng tiếp xúc và loại tự hành.
Phổ biến, phát triển nhất là loại giao thông ñiện tiếp xúc tức nhận ñiện năng từ dây dẫn
tiếp xúc tức là phải có một hệ thống cung cấp ñiện kéo bao gồm: mạng ñiện tiếp xúc,
trạm ñiện kéo và hệ thống ñiều khiển cung cấp ñiện.
Giao thông ñiện tự hành: ñiện năng cần thiết cho việc vận chuyển ñược sản sinh
bởi máy phát ñiện ñặt trên ñầu máy (ñoàn tàu). ðiện năng sinh ra bởi các máy phát ñiện
ñược ñưa ñến các ñộng cơ ñiện kéo.
Khảo sát ñặc tính của từng dạng giao thông ñiện – giao thông ñiện tiếp xúc và
giao thông ñiện tự hành, theo sơ ñồ hình 1.2.
Phát triển và phổ biến nhất là giao thông ñiện với lưới ñiện tiếp xúc. ðặc biệt là
giao thông ñiện trong vận tải ñường sắt và vận tải hành khách trong thành phố. Trên
ñường sắt sức kéo dùng ñể dịch chuyển ñoàn tàu trên ñường ray gọi là ñầu máy. ðầu
máy nhận năng lượng ñiện từ mạng dây tiếp xúc gọi là ñầu máy ñiện. ðầu máy ñiện chở
hàng dùng ñể kéo các toa xe hàng nặng có lức kéo lớn nhưng tốc ñộ cực ñại không cao
(nhỏ hơn 110Km/h), ñầu máy chở khách có tốc ñộ tương ñối cao (160,180Km/h và có
thể ñạt 200Km/h và hơn nữa)

Hình 1.2. Các dạng giao thông ñiện
Dựa vào loại hình sức kéo ñiện ñược áp dụng, người ta phân thành ñầu máy ñiện 1
chiều, ñầu máy ñiện xoay chiều và ñầu máy ñiện hỗn hợp.
Phần cơ của ñầu máy bao gồm thùng xe và giá ñỡ chuyển ñộng. Thùng xe gồm 1

hoặc 2 nhóm ñặt trên gầm xe có 2 hoặc 3 trục. Trên ñầu của thùng xe ñặt buồng lái tàu.
Các ñộng cơ ñiện kéo ñặt trên giá ñỡ và qua chuyển ñộng bánh răng chuyền mô men
quay cho trục bánh xe. Chuyển ñộng bánh răng cho phép nhận tốc ñộ quay của phần
ứng ñộng cơ ñiện kéo cao hơn so với bánh xe dẫn ñộng ñầu máy. ðiều ñó có lợi vì với
một kích thước nhất ñịnh công suất của ñộng cơ ñiện kéo càng lớn bao nhiêu thì tốc ñộ
quay của nó cũng lớn bấy nhiêu. Kích thước giới hạn của ñộng cơ ñiện kéo phụ thuộc
vào công suất của nó. Trên ñoàn tàu ñược giới hạn bởi ñường kính của bánh xe dẫn
ñộng và chiều rộng của ñường ray. Vì thế sử dụng ñộng cơ ñiện kéo chuyển ñộng quay
nhanh cho phép nhận lực kéo lớn. Thông thường mỗi một ñộng cơ ñiện kéo làm quay
một cặp bánh xe dẫn ñộng vì thế truyền ñộng như vậy gọi là truyền ñộng ñiện. ðôi khi
có thể sử dụng truyền ñộng cụm (nhóm), khi ñó một ñộng cơ ñiện kéo bảo ñảm làm
chuyển ñộng quay 2 hoặc 3 trục. Khi chuyển ñộng, do dao ñộng phần cơ học, vị trí dặt
Giao thông ñiện
Tiếp xúc Tự hành
ðường sắt
– ðầu máy
ñiện
– ðầu tàu chạy
ñiện
– ðầu tàu ñiện
tốc ñộ cao

Thành phố
– Xe ñi
ện bánh
sắt
– Xe ñi
ện bánh
hơi
– Xe ñiện ngầm

ðường sắt
– ðầu máy ðiêzen
– ðầu máy chạy khí

– ðoàn tàu ðiêzen
Không ray
– Vận tải ñiện
bánh hơi
– Vận chuyển
hàng bánh hơi
– Vận tải ñặc
biệt

MCA&TðK
•
11
của ñộng cơ ñiện kéo và của bánh xe dẫn ñộng có thể thay ñổi (về khoảng cách) trong
một giới hạn nhất ñịnh. Vì thế truyền ñộng sức kéo với tất cả các sự thay ñổi ñó cần
phải ñảm bảo truyền ñộng tin cậy của mômen quay từ ñộng cơ ñiện kéo ñến cặp bánh xe
dẫn ñộng. Các yêu cầu ñể có thể thực hiện ñược bằng biện pháp kỹ thuật là trên ñộng cơ
ñiện kéo và và ứng dụng trong truyền ñộng ñiện kéo những phân tử ñàn hồi.
Trên khung giá ñỡ ñặt bộ phận hãm cơ khí, các phần tử lò xo treo, những thiết bị
cơ và ñiện còn lại, máy biến thế, các phần tử biến ñổi, khởi ñộng, hãm. Thiết bị ñiều
khiển và các máy phụ ñặt ở trên thùng ñầu máy. Cần tiếp ñiện và một phần thiết bị ñặt ở
trên nóc ñầu máy.
Kết cấu ñại ña số các ñầu máy cho phép sử dụng nhiều ñơn vị ñầu máy như một
tập hợp, trong ñó những ñầu máy riêng lẻ ñược nối với nhau ñể tăng sức kéo, còn chỗ
ñiều khiển sử dụng trên hệ thống ñiều khiển của một ñầu máy (trong một buồng lái của
lái tầu). Khi hãm các ñầu máy sử dụng hãm ñiện (ñiện trở, tái sinh) và hãm cơ khí. hãm

cơ khí ñược cấu tạo trên tất cả các ñoàn tàu chạy ñiện.
Cùng các ñầu máy ñiện kéo các ñoàn tàu hàng, tàu khách chạy trên tuyến ñường
dài thì các ñầu máy ñiện công nghiệp với các trọng tải khác nhau ñược sử dụng kéo các
toa xe chở hàng trên các ñường sắt, các xí nghiệp công nghiệp lớn, các ñầu máy ñiện
dồn dịch ñoàn tầu trên các ga ñường sắt, các ñầu máy chở quặng làm việc ở các mỏ than
dưới lòng ñất.
Trong các ñặc tính kỹ thuật của các ñoàn tàu chạy ñiện, công suất và lực kéo
thường lấy theo chế ñộ làm việc giờ. Trong qúa trình làm việc thiết bị ñiện kéo phát
nóng vì các tổn thất ñiện năng trong các phần tử của ñầu máy, nhiệt ñộ phát nóng của nó
trở thành một thông số giới hạn. Tiêu chuẩn là công mà với công ñó nhiệt ñộ không
vượt quá nhiệt ñộ cực ñại cho phép. Khi ñoàn tàu chạy ñiện làm việc, giới hạn theo phát
nóng thường ñạt ñược trước hết trong các ñộng cơ ñiện kéo. Phát nóng các ñộng cơ phụ
thuộc vào công suất mà với công suất ñó ñộng cơ làm việc và phụ thuộc vào ñộ dài thời
gian làm việc của ñộng cơ.
Công suất giờ của ñộng cơ ñiện kéo là công suất lớn nhất trên trục ñộng cơ, với
công suất ñó ñộng cơ bắt ñầu làm việc từ nhiệt ñộ môi trường xung quanh, có thể làm
việc trong thời gian một giờ không tăng nhiệt ñộ phát nóng của một bộ phận bất kỳ nào
ñó lớn hơn nhiệt ñộ của môi trường vượt quá nhiệt ñộ cho phép (theo tiêu chuẩn
quy phạm).
Ngoài chế ñộ giờ ñồng thời xác ñịnh chế ñộ dài hạn, quan hệ tỷ lệ giữa công suất
giờ và công suất dài hạn ñặc trưng cho khả năng quá tải của ñộng cơ ñiện kéo.
Tốc ñộ cực ñại của ñoàn tầu chạy ñiện gọi là tốc ñộ cấu tạo. ðưa ra khái niệm như
vậy ñược giải thích rằng tốc ñộ cấu tạo ñược xác ñịnh bởi tốc ñộ quay phần ứng của
ñộng cơ ñi
ện kéo ñạt giá trị cực ñại cho phép theo ñiều kiện ñộ gắn chặt dây quấn
phần ứng.
ðoàn tầu chạy ñiện là dạng các toa xe gắn môtơ nối móc với nhau và ñược cấp
ñiện từ lưới ñiện tiếp xúc dùng vận chuyển hành khách. Thường thì ñoàn tầu chạy ñiện
ñược sử dụng ở ngoại ô thành phố. Tốc ñộ ñoàn tầu chạy ñiện ngoại ô thành phố có thể
ñạt 120 – 130km/h, và giữa các thành phố với nhau có thể ñạt tới 250km/h.Thông

thường ñoàn tầu chạy ñiện cho phép thành lập từ 4,6,8,9,11 toa phụ thuộc vào lưu lượng
hành khách.
Các toa xe cuối và ñầu ñoàn tầu chạy ñiện có buồng lái cho người ñiều khiển và
nhanh chóng quay nhanh ñoàn tầu ở những ga cuối. Những toa như vậy gọi là toa ñiều
khiển. ðoàn tầu ñiện một chiều ñược sử dụng trên nhiều ñoạn ñường sắt với hệ thống
ñiện khí hoá bằng dòng ñiện một chiều, ñối với hệ thống dòng ñiện xoay chiều một pha
tần số công nghiệp ñiện áp 25kV có các ñoàn tầu ñiện xoay chiều sử dụng các ñộng cơ
ñiện kéo một chiều với chỉnh lưu bán dẫn hoặc các ñộng cơ xoay chiều không ñồng bộ.
Tất cả các ñoàn tầu chạy ñiện cùng với hãm cơ khí ñược lắp ñặt hệ thống hãm ñiện –
hãm tái sinh và hãm ñiện trở. Hiệu quả của hãm tái sinh sẽ rất cao khi sử dụng các toa
xe tự hành trên những không gian ngắn có mật ñộ vận chuyển lớn và cho phép tiết kiệm
ñến 30% ñiện năng.
ðường sắt tốc ñộ cao trên ñó cho phép các ñoàn tầu ñặc biệt chạy với tốc ñộ hơn
200km/h. Khái niệm ñường sắt tốc ñộ cao xuất hiện sau khi ñưa vào khai thác tuyến
ñường sắt chuyên dụng ñầu tiên tại Nhật vào năm 1964. ðến năm 2001 tại 15 nước trên
thế giới ñã khai thác hơn 5000km ñường sắt tốc ñộ cao.
Trong các thành phố, giao thông ñiện có các dạng sau: xe ñiện bánh sắt, xe ñiện
bánh hơi, xe ñiện ngầm.
Xe ñiện bánh sắt – một loại giao thông thành phố trên ray với sức kéo ñiện lấy
năng lượng ñiện theo ñường dây tiếp xúc. ðường ray là bộ phận không tách rời của
mạng ñiện kéo vì theo mạch ray dòng ñiện quay trở về trạm ñiện kéo theo ñường dây
về.
Xe ñiện gồm thùng xe trên giá ñỡ khung xe 2 trục, trên phần trước của thùng xe
ñặt buồng lái cho lái tầu, phần còn lại là ghế ngồi của hành khách. Các ñộng cơ ñiện kéo
ñặt trên giá ñỡ khung xe thường có số lượng ñộng cơ ñiện kéo bằng số lượng trục xe.
Các thiết bị ñiện khác còn lại ñặt dưới gầm thùng xe hoặc trên nóc thùng xe. Ngoài toa
xe gắn ñộng cơ ñiện kéo có thể móc thêm các toa xe không gắn ñộng cơ ñiện kéo,
thường thường cứ một toa xe gắn ñộng cơ ñiện kéo nối với một hoặc hai toa xe không
gắn ñộng cơ ñiện kéo.
ðể cung cấp ñiện cho xe ñiện bánh sắt thường dùng hệ thống dòng ñiện một chiều

với ñiện áp trên dây tiếp xúc la 550 hoặc 750V (ở Nga dùng ñiện áp 550V, ở ðức va
Pháp là 750V), công suất các ñộng cơ ñiện kéo dao ñộng từ 45 ñến 80 KW. Thường thì
sử dụng ñộng cơ ñiện 1 chiều, nhưng những năm gần ñây ñã áp dụng ñộng cơ ñiện xoay
chiều không ñồng bộ. Xe ñiện bánh sắt áp dụng hãm cơ hoặc hãm ñiện từ và hệ thống
hãm ñiện.Tốc ñộ xe ñiện bánh sắt nằm trong khoảng 50–90km/giờ.
Xe ñiện bánh hơi là một dạng giao thông ñiện một ñường ray dùng ñể chuyên chở
trên những tuyến ñường ôtô thông thường. Lưới ñiện tiếp xúc của xe ñiện bánh hơi có
hai dây tiếp xúc. Năng lượng ñiện từ trạm ñiện kéo theo một dây dẫn tiếp xúc cung cấp
cho toa xe ñiện chuyển ñộng và theo dòng tiếp xúc còn lại trở về trạm ñiện kéo. Cấu tạo
cần tiếp ñiện của xe ñiện bánh hơi gồm 2 thanh cho phép xe ñiện bánh hơi lệch với trục
của mạng dây tiếp xúc mà không có những cản trở gì ñáng kể. Vì thế về tính cơ ñộng xe
ñiện bánh hơi hơn hẳn xe ñiện bánh sắt.