Тяговые подстанции

Подстанция с выключателями на вводах трехобмоточных трансформаторов (рис. 1.15).

На этих подстанциях, кроме рабочей перемычки 2, имеется ремонтная перемычка 1, позволяющая проводить ремонты на подстанции без перерыва транзита мощности по ВЛ. Резервный трансформатор Т3 подключен к перемычке 3, которая может быть запитана от любого ввода, что позволяет выполнять работы по очереди на выключателях при нормальном питании тяги и района. Такие подстанции предназначены для районов с тяжелыми климатическими условиями при повышенных требованиях к надежности. Поэтому они выполнены с масляными выключателями на вводах и трансформаторах. Секционирование шин 55 кВ дает возможность выполнять их ревизию также без нарушения питания тяговой нагрузки, СЦБ и собственных нужд подстанции.
На подстанциях повышенной надежности предусмотрено резервирование питания ее собственных нужд через систему ДПР от соседних подстанций с помощью комплектных понижающих подстанций (КТП). Такое резервирование дает возможность даже при полном отключении подстанции (например, при отключении ВЛ) иметь на подстанции освещение, трехфазное напряжение для электроинструмента, насосов, вентиляторов, а также для оперативного переключения разъединителей с электродвигательными приводами.
Подстанции с выключателями позволяют устранить большинство недостатков, присущих подстанциям первых участков.

• << Назад

• Вперёд >>

Особенности тяговых подстанций

Эти электроустановки имеют ряд значительных отличий от силовых трансформаторных подстанций, которые обеспечивают электрическим питанием города и поселки.

• Относятся к потребителям электрической энергии I категории – они не могут быть отключены ни при каких обстоятельствах, поскольку это может повлечь за собой катастрофические последствия. Поэтому к ним подводится две или более магистральных электролиний.
• Не всегда являются понижающими трансформаторами. Большая часть из них – это выпрямители, обеспечивающие подачу в контактную сеть постоянного тока.
• Преобразованная ими электрическая энергия имеет параметры, отличные от тех, что используются в промышленности и быту. По этой причине обеспечиваемая ими контактная сеть является автономной и не имеет гальванического контакта с другими электросетями. От тяговых подстанций может быть проложена электрическая линия для подачи электропитания в ближайшие к ним населенные пункты, если иной возможности их электрифицировать нет.
• В их конструкции предусмотрена возможность рекуперации – возврата части электрической энергии в сеть за счет ее генерации электродвигателями во время торможения.

Для каждого вида электрифицированного транспорта используются свои тяговые подстанции, отличающиеся по принципу работы и номиналу напряжения.

Питание подстанции

Тяговая подстанция должна обеспечивать бесперебойную подачу электричества для передвижения транспорта. Поэтому многие из подобных агрегатов запитываются сразу от двух автономных сетей. При этом может применяться однолинейная схема тяговой подстанции или при помощи двух резервных линий к другому источнику питания. Также возможен вариант запитки перемычками между отдельными подстанциями.

Если применяется вариант из двух отдельных линий, каждая из них должна быть рассчитана на максимальную нагрузку агрегата. Резервные коммуникации должны выдерживать общую нагрузку соединенных станций.

Раньше для запитки сетей метрополитена применяли радиальную схему. Она сложна и затратна. При ее применении требуется слишком много кабеля. От нее отказались. Сегодня применяются только приведенные выше схемы. Линии и перемычки позволяют объединять аппаратуру в отдельные группы. Если внутри нее вышел из строя один прибор, его функции берут на себя другие агрегаты.

Также при выполнении мероприятий по текущему обслуживанию агрегатов проведение всех операций будет проще, не вызывая остановки системы. В этом случае существует возможность обесточить только один агрегат. Другие устройства при этом будут обеспечивать работу линии. Такой подход к текущему ремонту значительно упрощает работу персонала, делая обслуживание менее затратным.

Обзор видов ТП

Тяговая подстанция в первую очередь подразделяется на две группы:

1. Постоянного тока.
2. Переменного тока.

Первый из названных вариантов включает оборудование, рассчитанное на 6-220 кВ. При этом питание осуществляется по ЛЭП воздушного и кабельного типа. В случае когда напряжение ниже порога 110 кВ, требуется понижение, соответственно, электроэнергия сначала проходит этап понижения значения электрических параметров при участии трансформатора. В прочих ситуациях энергия направляется сразу в распред. устройство. Тяговая разнотипная подстанция переменного тока по большому счету сходна с оборудованием этого рода, функционирующим на постоянном токе, за единственным исключением, которое состоит в отсутствии преобразующего узла для выпрямления электрических характеристик.

Подстанция для железной дороги и прочего электротранспорта

Тяговая разнотипная подстанция встречается и в других исполнениях, разделение при этом осуществляется по целевому назначению транспорта:

1. Оборудование для железной дороги. Встречается в следующих вариантах:

• Опорная – может выступать в качестве источника питания для других установок;
• Тупиковая – получает электроэнергию от рядом стоящей подстанции;
• Промежуточная – питается от двух ближайших установок.

1. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса. Оборудование данного вида также существует в нескольких исполнениях:

• С необходимостью участия обслуживающего персонала;
• Полностью автоматизированные;
• ТП для трамвая и троллейбуса, которые не требуют участия в работе оборудования персонала и представляют телеуправляемую технику.

1. Установки для метрополитена. Различают следующие виды подобной техники:

• Тяговая;
• Понизительная;
• Тягово-понизительная.

В первом случае представлена тяговая распределительная подстанция, питание которой осуществляется посредством городских электросетей. Второй из названных вариантов предполагает получение тока больших значений от тяговой установки, который в дальнейшем понижается до уровня 400-230 В, чего достаточно для силовых и осветительных приборов.

Тяговые подстанции постоянного тока

Строятся вдоль железных дорог, обычно на расстоянии от 25 до 50 км.

Расстояние может зависеть как от профиля пути, так и от размеров и расстояний проходящих поездов.

Тяговые подстанции постоянного тока получают электроэнергию от подстанций ФСК ЕЭС по линиям электропередач как воздушным, так и кабельным.

Напряжение составляет от 6 до 220 кВ.

Электрическая энергия поступает в распределительное устройство, если напряжение сети составляет 110 или 220 кВ, то поступает в трансформатор на понижение.

Далее с трансформатора электроэнергия поступает на тяговый трансформатор, далее на преобразователь.

С преобразователя ток подается на основную систему шин и распределяется по контактной сети с помощью быстродействующих автоматов.

Тяговые подстанции переменного тока

Имеют такое же предназначение, что и тяговые подстанции постоянного тока, кроме того, что в них нет преобразователей для выпрямления тока.

Располагаются на расстоянии от 50 до 120 км.

Номинальное напряжение в контактную сеть – 27500 В.

Питаются ЛЭП с напряжением от 110 до 220 кВ.

Нейтраль тяговых подстанций переменного тока заземляется, а первичные обмотки соединены в звезду.

Вторичные же обмотки соединяются в треугольник, а фаза С соединяется с рельсами без помощи коммутаторов, так как заземлена.

Железнодорожный электротранспорт

Его контактная сеть имеет большую протяженность. Причем нередко по таким местам, где иных источников электрического тока нет. Поэтому по ней может течь не только постоянный, но и переменный ток, который передается на большие расстояния с меньшими потерями.

Номинальное напряжение контактной сети

На подстанции подается напряжение 220 или 110 кВ переменного тока, а если контактная сеть устаревшая, то 35 кВ. Для систем питания постоянным током оно преобразуется в 3,3 кВ, а для переменного в 27,5 кВ.

Для обеспечения нужд железнодорожной инфраструктуры (семафоры, стрелки, служебные помещения) в состав оборудования тяговой подстанции включается трансформаторная обмотка, с которой снимается напряжение 10 киловольт. Оно преобразуется до трехфазного линейного 380 вольт (система с глухозаземленной нейтралью), позволяющего переходить на бытовые 220 вольт 50 Гц.

Организационная структура контактной сети

На железнодорожном транспорте существуют следующие типы тяговых подстанций:

• Опорные. К ним подводится не менее четырех автономных линий электропередач. Они являются основными источниками электропитания для контактной сети. Если используется постоянный ток, то расстояние между ними не более 15 км. При переменном оно увеличивается до пятидесяти.
• Транзитные, питаются от двух независимых ЛЭП и включаются в разрыв между опорными подстанциями. Обеспечивают передачу электроэнергии на большие расстояния, а также непрерывность питания контактной сети в случае аварии на одном из участков.
• Отпаечные (тупиковые). Используются для обеспечения движения электропоездов по обособленным веткам. Отпаечные подстанции питаются от двух независимых ЛЭП.
• Стыковочные. Используются там, где происходит смена типа контактной сети. Они осуществляют гальваническую развязку между переменным и постоянным током.

Конструкция контактной сети

Трехфазные асинхронные двигатели на электротранспорте любого типа не используются по причине чрезмерного увеличения стоимости контактной сети, сложности токосъемников и невозможности их работы на высоких скоростях. Воздушный контактный провод всегда один и он фазный. Роль нулевого играет рельс, поэтому в пределах нескольких десятков метров от железнодорожного полотна регистрируются так называемые блуждающие токи.

На дальних перегонах, с целью уменьшения потерь, тяговая подстанция переменного тока выдает 50 кВ, это напряжение делится пополам (схема 25х2) между питающим и контактным проводом с помощью автотрансформатора, центральная точка которого замкнута на рельс. По контактной сети переменного тока можно пропускать и постоянный. Для этого используется стыковочная тяговая подстанция, осуществляющая переключение типа напряжения на определенном участке.

На электровозах переменного тока – ВЛ80, ВЛ85 – ставятся выпрямители и двигатели, способные работать на пульсирующем токе. Они рассчитаны на номинальное напряжение 25 киловольт – 2,5 киловольта теряются из-за высокого сопротивления цепи между контактным проводом и рельсом. Модели ВЛ10 и ВЛ11 работают на постоянном токе, а ВЛ82М имеет привод обоих типов.

Трамваи и троллейбусы

Так же, как и метро, в контактную сеть наземного городского электротранспорта подается постоянный ток.

Номинальное напряжение контактной сети

Тяговые подстанции питаются от городской электросети напряжением 6 или 10 кВ. Они выпрямляют переменный ток и выдают напряжение 550 вольт.

Организационная структура контактной сети

Она строится так же, как и у метрополитена – маршрут разбивается на равные участки и к ним подключаются автономные тяговые подстанции. При этом в конструкции силовых установок отсутствуют низковольтные выводы, поскольку вся дорожная инфраструктура запитывается от городской электросети.

Конструкция контактной сети

У троллейбусов она воздушная и двухпроводная, поскольку прямого контакта с землей обеспечить невозможно. Токоприемники у них выполнены в виде графитовых щеток на длинных штангах, что увеличивает маневренность машины – она может отклоняться от линии проводов на расстояние до 4,5 метра.

Контактная сеть трамвайных линий аналогична железнодорожному транспорту – фазный провод вверху, нулевой – рельс. Токоприемник выполнен по схеме раздвижного пантографа, рамка которого скользит по проводу. Чтобы уменьшить ее износ, контактный провод подвешивают зигзагом – не более четырех изгибов на один пролет между столбами.

Контактные сети и тяговые подстанции, обеспечивающие их питанием, по своему устройству и организационной структуре остаются практически теми же, что и сто лет назад. Изменения касаются лишь элементной базы, в результате чего все конструкции становятся более компактными. Исчезнуть они могут лишь в случае технологического прорыва, аналогичному тому, что случился в начале XX века, когда электричество стало применяться широко и повсеместно.

Понизительные подстанции

Понизительные подстанции размещают либо на пассажирских станциях, либо вблизи от них. Эти подстанции предназначены для понижения напряжения переменного тока 6, 10 или 20 кВ, получаемого по кабелям от 1 или 2 ближайших тяговых подстанций, и передачи питания соответствующим потребителям электрической энергии.

На понизительной подстанции к шинам 10 кВ через высоковольтные выключатели подсоединяются понижающие трансформаторы, несущие различные нагрузки потребителей. Электропитание эскалаторов, сантехнических устройств и других силовых установок производится от двух трансформаторов ТМ-1 и ТМ-2, которые подключены к разным секциям шин напряжением 10 кВ. Оба трансформатора нормально находятся в работе. В случае отключения одного из них всю нагрузку принимает на себя другой.

Пониженное до 380 В напряжение подаётся на силовой щит и далее к потребителям.

Питание устройств СЦБ осуществляется трёхфазным переменным током от одного из двух самостоятельных трансформаторов АТДП-1 или АТД-2, подключённых к разным секциям шин 10 кВ и выдающим на щит СЦБ 380 В. Один из трансформаторов является резервным. Переключение с основного трансформатора на резервный происходит автоматически при срабатывании следящих приборов.

Аналогичным образом к шинам 10 кВ подключены два трансформатора освещения ТО-1 и ТО-2. Для питания цепей освещения в случае исчезновения переменного тока на СТП и основных понизительных подстанциях установлены мощные свинцовые кислотные аккумуляторные батареи напряжением 150 В, рассчитанные на работу в течение не менее 1 часа. Переключение на питание от батареи происходит автоматически.

Аккумуляторные батареи находятся на постоянном подзаряде, для чего служат специальные зарядно-подзарядные устройства.

Трансформаторы освещения вторичными обмотками подключены к рабочим секциям освещения, а аккумуляторная батарея — к аварийной секции, через которые нагрузка равномерно распределяется среди потребителей.

Для распределения нагрузок среди потребителей понизительные подстанции имеют сборные шины; для отключения и включения участков цепи установлены разъединители с рычажным приводом. Для защиты аппаратов от перегрузок и переключений в цепях имеются масляные или воздушные выключатели. Отдельные цепи, идущие к потребителям, защищены плавкими предохранителями и автоматическими выключателями.

На площадке депо имеются самостоятельные понизительные подстанции наземного исполнения. Понизительная подстанция депо получает питание по двум кабелям 10 кВ от ближайшей тяговой подстанции и понижает напряжение до 380, 220 и 127 В. Подстанция питает потребителей переменного тока депо и предприятий метрополитена, расположенных на его площадке (заводы, мастерские, лаборатории и т. п.). Аккумуляторные батареи на таких подстанциях не ставят.

Понизительная подстанция

План и разрез понизительной подстанции мелкого заложения

Рекомендации по проектированию

Для правильного проектирования установки недостаточно одной только мощности трансформатора. Следует учитывать целый перечень параметров, которые влияют на работу оборудования. К ним относится следующее:

Величина напряжения, сопротивления на шинах, в которые подается ток.
Сама подстанция обладает определенным уровнем сопротивления, а также сопротивлением фидера, сглаживающего узла. При выборе установки необходимо учитывать общую сумму этого параметра.
В конструкции может применяться разное количество трансформаторов, распределителей

При выборе учитывают условия эксплуатации техники.
При помощи общепризнанных формул необходимо рассчитывать общую величину требуемого напряжения установки.
Мощность короткого замыкания также берется во внимание.

В большинстве случаев учитывают общую мощность оборудования, а также показатели низшего и высшего напряжения.

Преобразовательные агрегаты

Тяговые трансформаторы

Преобразовательные агрегаты тяговых подстанций метрополитена по многим узлам унифицированы с агрегатами тяговых подстанций городского электротранспорта. По требованиям пожарной безопасности тяговые трансформаторы, устанавливаемые в подземных выработках, выполняются сухими (безмасляными). С целью снижения уровня пульсаций выходного напряжения выпрямительные агрегаты тяговых подстанций выполняют шести- и двенадцатипульсовыми с соединением вентилей по нулевой и мостовой схемам, а также применяют уравнительные реакторы. Выпрямительные агрегаты производятся как с неуправляемыми вентилями (диодами), так и с управляемыми (тиристорами), что позволяет регулировать уровень выпрямленного напряжения и избегать возникновения уравнительных токов при параллельной работе нескольких агрегатов. Применяются выпрямители как с естественным, так и принудительным воздушным охлаждением.

На тяговых подстанциях устанавливают трансформаторы серий ТСЗП и ТМРУ.

Тип трансформатора	ТСЗП-1600/10МУЗ	ТСЗП-1600/10МНУ3	ТСЗП-2500/10МУ3	ТСЗП-2500/10МНУ3
Номинальное напряжение сетевой обмотки, кВ	6,3	10,5	6,3	10,5
Ток преобразователя, А	1 600	1 600	2 500	2 500
Напряжение короткого замыкания, %	6,7	6,8	7,1	5,8
Потери в режиме короткого замыкания, Вт	10 500	10 500	13 500	14 000
Потери в режиме холостого хода, Вт	2 500	2 800	4 800	4 000
Масса, кг	5 500	5 500	8 050	8 200

Подстанция на отпайках без выключателей с трехобмоточными трансформаторами (рис. 1.14).

При наличии районной нагрузки на подстанции устанавливают трех обмоточные однофазные трансформаторы Т1, Т2, Т4, Т5 и трехфазный трансформатор ТР для районной нагрузки. Резервный однофазный трансформатор Т3 резервирует типовые трансформаторы и дает возможность иметь трехфазное напряжение при отключении районного трансформатора, поэтому он имеет три варианта подключения к шинам первичного напряжения 110 (220) кВ.
На этих подстанциях в случае повреждения какого-либо трансформатора вывод его из работы производится следующим образом.

Рис. 1.13. Схема подстанции с двухобмоточными трансформаторами

Рис. 1.14. Схема подстанции с трехобмоточными и трехфазными районными трансформаторами

Защита трансформатора воздействует на включение одного из короткозамыкателей 2, 4, 6, 11, что вызывает отключение питающих ВЛ1 и ВЛ2 со стороны подстанций энергосистемы. В бестоковую паузу происходит отключение соответствующего отделителя 1, 3, 5, 10 и включение отделителя 7, 8 или 9 резервного трансформатора. После повторной подачи напряжения питание тяговой и районной нагрузок восстанавливается. Подстанции имеют секционированные шины 55 кВ, что создает лучшие условия для эксплуатации.
Контактная сеть станции получает питание непосредственно от шин контактной сети. Поэтому фидерный выключатель 13 в отличие от выключателей 12, 14 перегонных фидеров выполняют однофазным.
Рассматриваемым подстанциям присущи все недостатки, касающиеся РУ первичного напряжения, что и подстанциям первого участка.

Трамваи и троллейбусы

Так же, как и метро, в контактную сеть наземного городского электротранспорта подается постоянный ток.

Номинальное напряжение контактной сети

Тяговые подстанции питаются от городской электросети напряжением 6 или 10 кВ. Они выпрямляют переменный ток и выдают напряжение 550 вольт.

Организационная структура контактной сети

Она строится так же, как и у метрополитена – маршрут разбивается на равные участки и к ним подключаются автономные тяговые подстанции. При этом в конструкции силовых установок отсутствуют низковольтные выводы, поскольку вся дорожная инфраструктура запитывается от городской электросети.

Конструкция контактной сети

У троллейбусов она воздушная и двухпроводная, поскольку прямого контакта с землей обеспечить невозможно. Токоприемники у них выполнены в виде графитовых щеток на длинных штангах, что увеличивает маневренность машины – она может отклоняться от линии проводов на расстояние до 4,5 метра.

Контактная сеть трамвайных линий аналогична железнодорожному транспорту – фазный провод вверху, нулевой – рельс. Токоприемник выполнен по схеме раздвижного пантографа, рамка которого скользит по проводу. Чтобы уменьшить ее износ, контактный провод подвешивают зигзагом – не более четырех изгибов на один пролет между столбами.

Контактные сети и тяговые подстанции, обеспечивающие их питанием, по своему устройству и организационной структуре остаются практически теми же, что и сто лет назад. Изменения касаются лишь элементной базы, в результате чего все конструкции становятся более компактными. Исчезнуть они могут лишь в случае технологического прорыва, аналогичному тому, что случился в начале XX века, когда электричество стало применяться широко и повсеместно.