Тяговые подстанции ржд кратко

Обновлено: 01.07.2024

Система электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги состоит из внешней части системы электроснабжения, включающей в себя устройства выработки, распределения и передачи электрической энергии до тяговых подстанций (исключительно);

- тяговой части системы электроснабжения, состоящей из тяговых подстанций линейных устройств и тяговой сети. Тяговая сеть, в свою очередь, состоит из контактной сети, рельсового пути, питающих и отсасывающих линий (фидеров), а также других проводов и устройств, присоединяемых по длине линии и контактной подвески непосредственно или через специальные автотрансформаторы.

Основным потребителем электрической энергии в тяговой сети является локомотив. Вследствие случайного расположения поездов неизбежны случайные сочетания нагрузок (например, пропуск поездов с минимальным межпоездным интервалом), которые могут существенным образом повлиять на режимы работы системы тягового электроснабжения.

Наряду с этим поезда, удаляющиеся от тяговой подстанции, питаются электрической энергией при более низком напряжении, что влияет на скорость движения поезда и, как следствие, на пропускную способность участка.

Кроме тяговых двигателей, приводящих в движение поезд, на локомотивах имеются вспомогательные машины, выполняющие различные функции. Производительность этих машин также связана с уровнем напряжения на их зажимах. Отсюда следует, что в системах тягового электроснабжения весьма важным является поддержание заданного уровня напряжения в любой точке тяговой сети.

Питание электрифицированного участка железной дороги осуществляется от энергосистемы конкретного региона. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги показана на рис. 1.3.

Внешняя система электроснабжения (I) включает в себя электрическую станцию 1, трансформаторную подстанцию 2, линию электропередачи 3. Тяговая система электроснабжения (II) содержит тяговую подстанцию 4, питающие фидеры 5, отсасывающий фидер 6, контактную сеть 7 и тяговый рельс 9 (см. рис. 1.3), а также линейные устройства.

Электроснабжение железных дорог осуществляется по линиям 35, 110, 220 кВ, 50 Гц. Система тягового электроснабжения может быть как постоянного, так и переменного тока.

Рис. 1.3. Принципиальная схема электроснабжения электрифицированной железной дороги: 1 – районная электрическая станция; 2 – повышающая трансформаторная подстанция; 3 – трехфазная линия электропередачи; 4 – тяговая подстанция; 5 – питающая линия (фидер); 6 – отсасывающая линия (фидер); 7 – контактная сеть; 8 – электрический локомотив; 9 – рельсы

На железных дорогах России распространение получили система электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ и система электроснабжения переменного тока с напряжением в контактной сети 25 кВ и 2 × 25 кВ, частотой 50 Гц.

Протяженность электрифицированных железных дорог России на 1 января 2005 г. составила 42,6 тыс. км.

Система тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ

Схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги постоянного тока с напряжением в контактной сети 3 кВ

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения постоянного тока – электрическая связь тягового двигателя с контактной сетью, т. е. имеется контактная система токосъема. Тяговые двигатели для электровозов и электропоездов постоянного тока предусмотрены на номинальное напряжение 1,5 кВ. Попарное последовательное соединение таких двигателей позволяет иметь в тяговой сети напряжение 3 кВ.

Достоинство системы постоянного тока определяются качеством сериесного двигателя постоянного тока, характеристика которого в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к тяговым двигателям.

Недостатки системы тягового электроснабжения постоянного тока можно назвать следующие:

- вследствие низкого напряжения в тяговой сети токовыми нагрузками и большими потерями электроэнергии (полный коэффициент полезного действия (КПД) системы электрической тяги постоянного тока оценивается равным 22 %);

- при больших токовых нагрузках расстояние между тяговыми подстанциями равно 20 км и менее, что определяет высокую стоимость системы электроснабжения и большие эксплутационные расходы;

- большие токовые нагрузки определяют необходимость иметь контактную подвеску большего сечения, что вызывает значительный перерасход дефицитных цветных металлов, а также возрастание механических нагрузок на опоры контактной сети;

- система электрической тяги постоянного тока характеризуется большими потерями электрической энергии в пусковых реостатах электровозов при разгоне (для пригородного движения они составляют примерно 12 % от общего расхода электрической энергии на тягу поездов);

- при электрической тяге постоянного тока имеет место интенсивная коррозия подземных металлических сооружений, в том числе опор контакт- ной сети;

- применявшиеся до последнего времени на тяговых подстанциях шестипульсовые выпрямители имели низкий коэффициент мощности (0,88 ÷ 0,92) и вследствие несинусоидальности кривой потребляемого тока являлись причиной ухудшения показателей качества электрической энергии (особенно на шинах 10 кВ).

На дорогах постоянного тока различают централизованную и распределенную схемы питания. Основное различие этих схем заключается в числе выпрямительных агрегатов на подстанциях и методах резервирования мощности. При схеме централизованного питания агрегатов на подстанции должно быть не менее двух. В случае распределенного питания все подстанции одноагрегатные, а расстояние между тяговыми подстанциями сокращается.

Существует требование, чтобы в случаях выхода из работы одного агрегата обеспечивались нормальные размеры движения. В первой схеме для резервирования используются дополнительные (резервные) агрегаты, а во второй – сознательный отказ от резервирования оборудования подстанций по узлам и переход к резервированию подстанций целиком.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока с напряжением в тяговой сети 3 кВ, на 1 января 2005 г. составила 18,6 тыс. км.

Система тягового электроснабжения однофазного переменного тока напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц

На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, наибольшее распространение получила система электроснабжения напряжением 25 кВ, частотой 50 Гц. Принципиальная схема питания электрифицированного участка показана на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Принципиальная схема питания электрифицированного участка железной дороги переменного тока напряжением в контактной сети 25 кВ, частотой 50 Гц

Питание тяговой сети осуществляется от шин 110 (220) кВ через понизительный (тяговый) трансформатор.

Он имеет три обмотки:

I – обмотка высокого напряжения 110 (220) кВ;

II – обмотка низкого (среднего) напряжения 27,5 кВ для питания контактной сети;

III – обмотка среднего (низкого) напряжения 35, 10 кВ для питания нетяговых потребителей.

К шинам 27,5 кВ подключены фидеры контактной сети. При этом фазы А и В питают разные плечи тяговой подстанции. Для разделения фаз на контактной сети устраивается нейтральная вставка. Фаза С подключается к рельсам.

Принципиальный признак системы тягового электроснабжения переменного тока – электромагнитная связь тягового двигателя с контактной сетью – обеспечивается посредством трансформатора электровоза.

Достоинства системы:

- установлены независимые режимы напряжения в контактной сети и на тяговом двигателе при сохранении тягового двигателя постоянного тока;

- повышено напряжение в контактной сети до 25 кВ переменного тока. Вследствие этого уменьшается ток нагрузки при одинаковой передаваемой мощности; уменьшаются потери напряжения и мощности;

- увеличено расстояние между тяговыми подстанциями и уменьшено их число (в два – три раза);

- уменьшен срок строительства и повышены темпы электрификации;

- сокращен расход цветных металлов.

Недостатки системы тягового электроснабжения переменного тока:

- несимметричный режим работы трехфазных трансформаторов (на двухплечевую нагрузку) и, как следствие, ухудшение показателей качества электрической энергии и значительное снижение их располагаемой мощности. Заметим, что под располагаемой мощностью трансформатора, работающего в несимметричном режиме, понимается мощность, соответствующая току прямой последовательности при такой нагрузке, когда ток в одной из фаз трансформатора принимает значение номинального;

- несинусоидальность системы потребляемых токов и также ухудшение качества электрической энергии в питающей системе электроснабжения (в кривой потребляемого электровозами тока при установленной на них двухпульсовой выпрямительной установке содержатся негативные высшие гармоники 3, 5, 7 с большим численным значением);

- низкий коэффициент мощности электровозов переменного тока. Коэффициент полезного действия системы электрической тяги в целом оценивается равным 26 %;

- тяговая сеть переменного тока является источником электромагнитного влияния на смежные устройства, в том числе на линии связи, что определяет необходимость применения специальных мер, направленных на снижение электромагнитного влияния;

- наличие при двухсторонней схеме питания тяговой сети переменного тока уравнительных токов, а следовательно, дополнительных больших потерь электрической энергии.

Протяженность электрических железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока с напряжением в тяговой сети 25 кВ, частотой 50 Гц, на 1 января 2005 г. составила 24,0 тыс. км.

Схема внешнего электроснабжения тяговых подстанций для систем электрической тяги постоянного и переменного тока

Схемы питания электрифицированных железных дорог от энергосистемы весьма разнообразны. Они в большей мере зависят от применяемой системы электрической тяги, а также от конфигурации самой энергосистемы.

Рассмотрим принципиальные схемы питания при системах электрической тяги постоянного (рис. 1.6) и переменного (рис. 1.7) тока.

Обычно линия электропередачи частотой 50 Гц получает питание от энергосистемы и расположена вдоль железной дороги.

Под напряжением системы электрической тяги понимают номинальное напряжение, на которое изготавливается электроподвижной состав (ЭПС). Оно же является номинальным напряжением в контактной сети, напряжение на шинах подстанции обычно принимают на 10 % выше этого значения.

На рис. 1.6 и 1.7 обозначено: 1 – энергосистема; 2 – линия электропередачи; 3 – тяговые подстанции (с выпрямителями подстации постоянного тока и трансформаторные – переменного); 4 – контактная сеть; 5 – рельсы; 6 – электровоз.

Рис. 1.6. Принципиальная схема питания железной дороги постоянного тока

Рис. 1.7. Принципиальная схема питания железной дороги переменного тока

Электрифицированные железные дороги относятся к потребителям первой категории. Для таких потребителей предусмотрено питание от двух независимых источников электроэнергии. Таковыми считаются отдельные районные подстанции, разные секции шин одной и той же подстанции – районной или тяговой. Поэтому схема питания тяговых подстанций от энергосистемы должна быть такой, чтобы выход из работы одной из районных подстанций или линии передачи не мог бы быть причиной выхода из строя более одной тяговой подстанции. Достичь этого можно путем выбора рациональной схемы питания тяговых подстанций от энергосистемы.

Схемы присоединения тяговых подстанций к линиям электропередачи

Схема питания тяговых подстанций от ЛЭП показана на рис. 1.8.

Рис 1.8. Схема двустороннего питания тяговых подстанций от двухцепной линии электропередач

В общем случае схема питания тяговых подстанций зависит от конфигурации районной сети, резерва мощности электрических станций и подстанций, возможности их расширения и др. Во всех случаях для большей надежности стремятся иметь схему двухстороннего питания тяговых подстанций (см. рис. 1.8). На рис. 1.8. обозначено: 1 – опорная тяговая подстанция (не менее трех вводов высоковольтных линий). Оснащается комплексом высоковольтных коммутационных аппаратов и устройств автоматической защиты от повреждений; 2 – промежуточная отпаячная подстанция. Высоковольтные выключатели не устанавливаются, за счет чего удешевляется система электроснабжения; 3 – промежуточная транзитная подстанция, обеспечивается секционирование высоковольтных линий для ремонта или отключения при повреждениях.

Обеспечение надежности системы электроснабжения достигается: использованием двухцепной линии высокого напряжения, обеспечением двухстороннего питания каждой сети ЛЭП, секционированием ЛЭП на транзитных подстанциях, наличием быстродействующей автоматической защиты на опорных, транзитных тяговых и районных подстанциях.

Обеспечение экономичности системы электроснабжения достигается сокращением высоковольтной аппаратуры (выключателей) за счет промежуточных подстанций, не имеющих таких выключателей. При повреждениях на этих подстанциях быстродействующей защитой отключаются линии на опорных подстанциях, а в бестоковую паузу – на промежуточных. Неповрежденные подстанции включаются системой автоматического повторного включения.

При питании от одноцепной линии передачи присоединение подстанций на отпайках не допускается. Все подстанции включаются в разрез линии, причем на каждой подстанции промежуточные линии передачи секционируются выключателем.

Особенности схем питания тяговой сети однофазного тока промышленной частоты

На дорогах однофазного переменного тока питание тяговой сети осуществляется от трехфазной линии передачи электрической энергии через трансформаторы, обмотки которых соединены в ту или иную схему.

При питании тяговой нагрузки от трех фаз секции тяговой сети слева и справа от подстанции должны питаться от разных фаз. Следовательно, они имеют напряжения, не совпадающие по фазе друг с другом.

Токи в фазах можно получить непосредственно из уравнений Кирхгофа. Если в рассматриваемый момент времени слева от подстанции нагрузка _л и справа _п (см. рис. 1.9), то можно записать:

Тяговая подстанция магистральной железной дороги — электроустановка для преобразования электроэнергии и питания электроэнергией электроподвижного состава и других потребителей на железной дороге.

Тяговая подстанция получает питание, как правило, от двух независимых источников, так как электрифицированные участки железной дороги — потребители первой категории. Допускается радиальное питание тяговых подстанций от одного источника при условии, что оно осуществляется по двум ЛЭП.

По способу присоединения к сети внешнего электроснабжения тяговые подстанции с высшим напряжением 110 (150), 220 кВ могут быть опорными или промежуточными. Опорная тяговая подстанция получает питание от сети внешнего электроснабжения по трём и более ЛЭП, промежуточная тяговая подстанция — по двум питающим вводам. По характеру присоединения промежуточные подстанции разделяются на транзитные тяговые подстанции, присоединяемые к сети внешнего электроснабжения в рассечку, и отпаечные тяговые подстанции, присоединяемые отпайками. Тяговые подстанции нередко совмещают с дежурными пунктами районов контактной сети. Для питания тяговых нагрузок иногда непосредственно на территории подстанции энергосистемы (на районных подстанциях) сооружают распределительное устройство (РУ); в этом случае подстанция называется совмещённой тяговой подстанцией.

По способу управления различают телеуправляемые и нетелеуправляемые тяговые подстанции; по способу обслуживания — с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, без дежурного персонала; по конструктивным особенностям тяговые подстанции бывают стационарные и передвижные. Цепи защиты, автоматики, управления тяговых подстанций исполняются на постоянном или переменном токе.

На отечественных дорогах тяговые подстанции питают тяговые сети на переменном токе (27,5 кВ или 2×25 кВ) или на постоянном токе (3,3 кВ). На линиях, где стыкуются участки, электрифицированные по разным системам, используют многосистемный ЭПС (например, электровозы двойного питания) либо сооружают стыковые тяговые подстанции (на отечественных железных дорогах), что обеспечивает на этих участках обращение ЭПС постоянного и переменного тока.

Тяговая подстанция переменного тока напряжением 27,5 кВ получает питание от сети внешнего электроснабжения напряжением 110 (150) или 220 кВ. Обмотки высшего напряжения трёхобмоточного трансформатора тяговой подстанции подключают к внешней сети; одна из обмоток низкого напряжения (тяговая) служит для питания ЭПС с рабочим напряжением 27,5 кВ; другая (районная) — для питания нетяговых районных потребителей, выполняется на напряжении 6; 10 или 35 кВ. Для резервирования питания на тяговой подстанции устанавливают два тяговых трансформатора. Номинальным напряжением тяговой нагрузки считается напряжение тяговой обмотки трансформатора на холостом ходу, равное 27,5 кВ. Для приёма электроэнергии от ЛЭП внешнего электроснабжения сооружают специальное РУ (рис., а), получающее питание от этих линий по питающим вводам. В зависимости от типа подстанции РУ выполняется с высоковольтными выключателями на каждом присоединении; с высоковольтными выключателями, короткозамыкателями и отделителями; без высоковольтных выключателей, но с короткозамыкателями и отделителями. Все токоведущие части, электрические аппараты и оборудование РУ размещают на открытой территории и монтируют с учётом необходимости соблюдения безопасной работы обслуживающего персонала.

Для удобства транспортировки тяговых трансформаторов и другого оборудования к подстанциям часто сооружается подъездной железнодорожный путь, имеющий выход на магистральную дорогу.

Тяговый трансформатор 27,5 кВ питает РУ 27,5 кВ, расположенное на открытой части подстанции и предназначенное для питания ЭПС по тяговой сети в обе стороны от тяговой подстанции, обеспечения питания двух линий два провода — рельс (ДПР), проложенных на опорах контактной сети, контактных подвесок станционных и деповских путей (если тяговая подстанция расположена на станции, где имеется депо), фидеров плавки гололёда, трансформаторов собственных нужд (ТСН). К РУ могут присоединяться устройства поперечной ёмкостной, продольной ёмкостной или продольно-поперечной ёмкостной компенсации. РУ может монтироваться на месте сооружения тяговой подстанции или собираться из комплектных ячеек заводского изготовления.

Тяговая подстанция переменного тока напряжением 2×25 кВ получает питание от сети внешнего электроснабжения 110 или 220 кВ, имеет РУ 110 или 220 кВ, от которого питаются специальные двух- или трёхобмоточные тяговые трансформаторы. При установке двухобмоточных тяговых трансформаторов ТТ1 и ТТ2 (рис., б) высшее напряжение преобразуется в напряжение 50 кВ. Эти трансформаторы собираются по схеме открытого треугольника. На тяговой подстанции обычно устанавливается третий трансформатор (резервный). Вторичные обмотки ТТ1 и ТТ2 имеют по три вывода. Напряжение между двумя крайними выводами трансформаторов составляет 50 кВ, а между средними и крайними — по 25 кВ. ТТ1 н ТТ2 электрически объединяются и присоединяются к тяговым рельсам, соединяются с РУ 2×25 кВ, далее по опорам контактной сети от тяговой подстанции прокладываются продольные фидеры и контактные подвески.

Продольный фидер одного направления электрически соединён с тяговым трансформатором, а другой вывод этого же трансформатора — с контактной подвеской того же направления. Между фидером и контактной подвеской напряжение 50 кВ, а между фидером и тяговыми рельсами, а также между тяговыми рельсами и контактной подвеской — по 25 кВ. В тяговой сети на каждом пути через 8—12 км устанавливаются линейные автотрансформаторы АТ, связывающие продольные фидеры, контактную подвеску и тяговые рельсы.

Напряжение 50 кВ передаётся к ЭПС через автотрансформаторы; при этом снижаются потери электроэнергии и напряжения в тяговой сети, а ЭПС получает питание при напряжении 25 кВ. Следовательно, при этой системе электрификации может использоваться парк ЭПС, обращающийся на участках, электрифицированных на переменном токе напряжением 27,5 кВ. Наличие фидеров напряжением 50 кВ и автотрансформаторов позволяет увеличить расстояние между тяговыми подстанциями до 80—90 км (вместо 45—55 км при питании по системе 27,5 кВ).

Для питания районных потребителей устанавливают отдельные трансформаторы РТ1 и РТ2, которыерые подают в РУ напряжение 6; 10 или 35 кВ. Эта система электрической тяги применяется на линиях с большими размерами перевозок.

Тяговая подстанция постоянного тока получает питание от сети внешнего электроснабжения либо напряжением 6; 10 или 35 кВ, либо напряжением 110 (150) или 220 кВ.

В первом случае высшее напряжение переменного тока преобразуется в выпрямленное напряжение 3,3 кВ с помощью тяговых трансформаторов ТТ1, ТТ2 и выпрямителей В1, В2 (рис., в); во втором случае — с помощью промежуточных трансформаторов ПТ1, ПТ2, тяговых трансформаторов ТТ1, ТТ2 и выпрямителей В1, В2 (рис., г).

С целью резервирования питания тяговой нагрузки на тяговой подстанции устанавливают два и более преобразовательных агрегата, каждый из которых состоит из тягового трансформатора и выпрямителя. Для рационального использования электроэнергии и повышения надёжности рекуперативного торможения на некоторых тяговых подстанциях устанавливают выпрямительно-инверторные преобразователи, позволяющие возвращать электроэнергию в питающую сеть. При напряжении питающей сети 6; 10 или 35 кВ на тяговой подстанции сооружают РУ, от которого получают питание трансформаторы, преобразующие переменное напряжение 6; 10 или 35 кВ в напряжение 3 кВ, подаваемое на выпрямители. Напряжение 3 кВ переменного тока выпрямители преобразуют в напряжение 3,3 кВ постоянного тока.

Все присоединения в РУ 6; 10 или 35 кВ имеют выключатели; иногда предусматривают специальные присоединения для питания районных нагрузок. РУ 6 или 10 кВ выполняют на базе КРУ наружной или внутренней установки. РУ 35 к В размещается на открытой части тяговой подстанции.

Фидеры контактной сети станционных путей питает РУ 3,3 кВ постоянного тока. Все фидеры и вводы выпрямителей оснащаются быстродействующими выключателями.

Конструкции РУ 3,3 кВ различны, но во всех случаях их сооружают в закрытых помещениях, совмещённых в общем здании с щитовым помещением.

При питании тяговой подстанции постоянного тока от сетей 110 (150) или 220 кВ возможны два варианта выполнения схемы. При напряжении питающей сети 110 кВ на тяговой подстанции имеются преобразовательные агрегаты с трансформаторами 110/3 кВ. В этом случае структура тяговой подстанции не изменяется (рис., в). При электроснабжении нетяговых районных потребителей напряжением 6; 10 или 35 кВ на тяговой подстанции сооружаются соответствующие РУ, получающие питание от РУ 110 кВ через специальные понизительные трансформаторы. Трансформаторы собственных нужд можно подключить к РУ 6, 10; 35 кВ.

Тяговые подстанции постоянного тока при питании от сетей напряжением 110 (150), 220 к В выполняют с двойной трансформацией (рис., г), РУ 110 (150) или 220 кВ через промежуточные трансформаторы ПТ1, ПТ 2 (двух- или трёхобмоточиые) питают РУ 10 кВ. При трёхобмоточных промежуточных трансформаторах от третьей обмотки получает питание РУ 35 кВ, распределяющее энергию районным потребителям.

Для питания районных потребителей (при напряжении 10 кВ) и преобразовательных агрегатов используют РУ 10 кВ. РУ 3,3 кВ постоянного тока выполняется с прямым преобразованием энергии.

Недостатки тяговых подстанций с двойной трансформацией заключаются в дополнительной потере электроэнергии в промежуточных трансформаторах, значительных капитальных затратах и большой сложности электрической части.

Стыковая тяговая подстанция имеет РУ высшего (питающего) напряжения и РУ 27,5 кВ переменного тока и 3,3 кВ постоянного тока, получающие питание через тяговые трансформаторы (РУ 27,5 кВ) и через трансформаторы и выпрямители (РУ 3,3 кВ). РУ 27,5 и 3,3 кВ питают тяговые сети стыкуемых участков различных систем тяги и тяговые сети путей станций стыкования. Секционные изоляторы отделяют тяговые сети путей от остальной контактной сети, и питание на них подаётся через специальные переключатели систем тока, установленные на пунктах группировки. Применение переключателей исключает одновременную подачу напряжения переменного и постоянного тока на секции контактной сети путей станции стыкования. Подача на секции того или иного напряжения определяется типом ЭПС, который в данный момент находится в работе на секции.

Для питания собственных нужд тяговой подстанции переменного и постоянного тока предусмотрена установка двух трансформаторов, от которых питается также сеть освещения подстанции. Часть осветительных приборов получает питание от специальной сети аварийного освещения, которая в нормальных условиях питается от трансформаторов, а при аварии автоматически переключается на питание от аккумуляторной батареи. На тяговой подстанции предусмотрено также освещение открытой части подстанции, необходимое для производства оперативных, ремонтно-ревизионных работ в ночное время. Аккумуляторная батарея служит также для питания электромагнитных приводов выключателей, цепей защиты и сигнализации, устройств автоматики и телемеханики и др.; работает в режиме постоянного подзаряда; помещение, где она установлена, имеет приточно-вытяжную вентиляцию.

Для облегчения проведения ремонтно-ревизионных и оперативных работ в РУ переменного тока токоведущие части фаз А, В и С окрашивают соответственно в жёлтый, зелёный и красный цвета. На тяговой подстанции постоянного тока на стороне выпрямленного тока шину положительной полярности окрашивают в красный цвет, а шину отрицательной полярности — в синий. Оборудование и токопроводы на открытой части тяговой подстанции защищают от прямых ударов молний молниеотводами, представляющими собой металлические стойки, соединённые с общим или автономным заземляющим устрвом. Молниеотводы устанавливают всегда выше защищаемых конструкций; в РУ 110 (150) или 220 кВ они совмещаются с металлоконструкциями, поддерживающим и токопроводы. РУ напряжением ниже 110 кВ защищают от прямых ударов молнии отдельно стоящими молниеотводами с автономным заземлением. Все металлические части аппаратов, оборудования и конструкций тяговой подстанции, которые при нарушении изоляции фаз могут оказаться под напряжением, присоединяют к контуру защитного заземления.

Кабели для связи вторичных цепей трансформаторов тока и напряжения с приборами, кабели питания осветительных приборов в РУ, устройств подогрева выключателей, вентиляторов, трансформаторов и т. п. прокладывают в специальных каналах.

На некоторых опорных тяговых подстанциях имеются трансформаторно-масляные базы, на которых производятся работы по очистке, регенерации, сушке трансформаторного масла и мелкий ремонт трансформаторов.

Тяговые подстанции (ТП) являются одним из важнейших устройств системы тягового электроснабжения (СТЭ). Их питание осуществляется от системы внешнего электроснабжения (СВЭ), а потребителем преобразованной электроэнергии является электроподвижной состав (ЭПС) железных дорог. Применяются также тяговые подстанции для питания городского электрического транспорта (ГЭТ) и электропоездов метрополитена.
Тяговая подстанция — электрическая подстанция, предназначенная в основном для питания транспортных средств на электрической тяге через контактную сеть (согласно ПЭЭП). От ТП получают питание и другие железнодорожные нетяговые потребители, а также некоторые районные нежелезнодорожные потребители.
Тяговые подстанции принято классифицировать по ряду признаков (рис. 1). Приведенная на рис. 1 классификация тяговых подстанций может быть дополнена делением подстанций и по ряду других признаков: по способу управления (телеуправляемые и нетелеуправляемые); по способу обслуживания (с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, без дежурного персонала); по возможности перемещения (стационарные и передвижные).
Опорная ТП получает питание от СВЭ по трем и более линиям электропередачи напряжением 110 или 220 кВ.
Промежуточная проходная (транзитная) ТП получает питание по одной линии электропередачи, в рассечку которой она включена, от двух опорных или районных подстанций.
Промежуточная ответвительная (отпаечная) ТП получает питание по двум линиям (или цепям ЛЭП) напряжением 110 или 220 кВ, к которым она присоединена ответвлениями (отпайками).
Концевая (тупиковая) ТП получает питание по двум радиальным линиям от другой тяговой или районной подстанции.
При питании подстанций по одноценной ЛЭП от двух опорных подстанций между ними можно располагать до трех проходных ТП (рис. 2)

Рис. 1. Классификация тяговых подстанций

Рис. 2. Схема питания ТП по одноцепной ЛЭП

Рис. 3. Схемы питания ТП по двухцепной ЛЭП на общих опорах
От двухцепной ЛЭП (при подвешивании обеих цепей на общих опорах) с двусторонним питанием на участках между двумя опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединенных по схеме рис. 3 :
для ЛЭП-220 кВ — не более пяти при электрической тяге как на переменном так и постоянном токе;
для ЛЭП-110 кВ — не более пяти при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.
От двух одноцепных ЛЭП с двусторонним питанием на участке между опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединяемых по схеме рис. 4:
для ЛЭП-220 кВ — не более пяти подстанций при электротяге как на постоянном, так и на переменном токе;
для ЛЭП-110 кВ — не более пяти подстанций при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.
Как видно на схемах рис. 4 часть промежуточных подстанций может присоединяться к ЛЭП ответвлениями. Между двумя проходными (транзитными) подстанциями или между проходной и опорной к ЛЭП может быть подключена только одна ответвительная (отпаечная) подстанция.

Рис. 4. Схемы питания ТП по двум одноцепным ЛЭП
Если все тяговые подстанции электрифицированных железных Дорог принять за 100%, то примерное процентное содержание различных типов ТП следующее: опорных — 20%; проходных — 60%; ответвительных — 15%, концевых — 5%.

Тяговые подстанции служат для приема и преобразования энергии электроэнергетических систем в электроэнергию с необходимыми параметрами для функционирования электрической железной дороги.
В силу выполнения принципа комплексности электрификации, заложенного еще планом ГОЭЛРО, тяговые подстанции помимо основной решают сопутствующую задачу – снабжение электрической энергией прилегающих к ним сельских и промышленных потребителей. Поскольку потребители электроэнергии и, прежде всего, электрическая железная дорога являются ответственными потребителями, то предъявляются повышенные требования к надежности работы тяговых подстанций. Это достигается резервированием наиболее ответственных аппаратов. Тяговые подстанции для систем тяги постоянного тока 3 кВ выполняются, как правило, с двухступенчатой трансформацией понижая напряжения внешней ЛЭП со 110 (35 или 220) кВ до 10 кВ на первой ступени и с 10 до 3.02 (1.05) кВ (в зависимости от схемы выпрямления) на второй ступени. При этом промежуточное напряжение 10 кВ используется для питания, как собственных нужд подстанции, так и для питания районов, прилегающих непосредственно к тяговым подстанциям. Подстанции постоянного тока располагают на расстоянии 10-15 км друг от друга. Меньшее значение соответствует большей грузонапряженности электрической железной дороги. Тяговые подстанции переменного тока выполняют с однократной трансформацией. В общем случае тяговые подстанции выполняются по различным схемам. Наиболее распространенными являются подстанции, структура которых приведена на рис. 1, 42.

Рис. 1. Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 25 кВ

а)
б)
Рис. 2. Возможные структурные схемы тяговых подстанций постоянного тока
РУ -110, РУ – 35, РУ – 27,5, РУ – 10, РУ -6, РУ- 3,3 - распределительные устройства 110, 35, 27,5 10, 6, 3.3 кВ (РУ - 3,3 - постоянного тока); СТ- силовой трансформатор; ПТ – понизительный трансформатор; ТСН – трансформатор собственных нужд; ПА- полупроводниковый агрегат; ТС – тяговая сеть

Тяговые подстанции, питая тяговую сеть, образуют так называемые межподстанционные и подстанционный зоны. Схемы таких образований приведены на рис. 3, 45.

Рис. 3. Схема питания тяговых подстанций от двухцепных линий электропередач

Рис. 4. Схема питания тяговых подстанций от одноцепных ЛЭП
На рис. 3, 44: 1- нейтральная вставка; 2-продольная двухцепная линия электропередач; 3-электроподвижной состав; 4- цепь обратного тока (рельсы); 5- опорная тяговая подстанция; 6-промежуточная тяговая подстанция

Рис. 5. Основные элементы системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ:
1- тяговая подстанция; 2- питающая линия контактной сети (фидер контактной сети); 3- рельсовый фидер (отсос); 4- контактная подвеска; 5- рельсы; 6- нейтральная вставка; ПЗ- подстанционная зона- зона питания одной подстанции ; МЗ- межподстанционная зона - подвеска между двумя смежными подстанциями; ЭПС – электроподвижной состав

На рис. 5 приведены основные элементы системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ. Экономически целесообразным оказывается расстояние между тяговыми подстанциями переменного тока (межподстанциая зона) равное порядка 40…50 км.

Тяговая подстанция представляет собой аппарат, предназначенный для преобразования и подачи электроэнергии в сеть электротранспорта. Это специализированное оборудование, применяемое железной дорогой, трамвайными, троллейбусными системами. Также оно устанавливается на все подстанции метрополитена. Тяговая подстанция может понижать напряжение до приемлемого уровня или преобразовывать переменный в постоянный ток.

Область применения

Тяговая подстанция имеет ряд особенностей. На ее устройство влияет область эксплуатации и назначение. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса, поездов метро и РЖД могут значительно отличаться.

Для электрифицированных железных дорог характерна установка ТП через каждые 25-50 км. Проектирование сети выполняется в соответствии с рядом требований. Технологические карты расстановки зависят от профиля железной дороги, ее размеров и особенностей транспорта.

По факторам назначения оборудование тяговых подстанций относят к одной из трех групп. К первой категории относятся тяговые подстанции метрополитена. Во вторую группу входит оборудование для железной дороги. К третьей категории относятся установки для наземного городского транспорта.

Разновидности

Существуют тяговые подстанции постоянного и переменного тока. Каждая группа имеет свои особые технические характеристики. Подстанции постоянного тока рассчитаны на нагрузку 6-220 кВ. Электрические коммуникации подводятся к ним по воздуху или при помощи кабеля.

Если транспорт работает от напряжения менее 110 кВ, в конструкции предусматривается понижающая аппаратура. Поступая в прибор, ток сначала уменьшается, а затем выпрямляется и поступает в коммуникационные сети. Проектирование тяговых подстанций переменного тока выполняется без участия преобразующего узла. В этом случае конструкция будет проще.

Чтобы иметь возможность выпрямлять напряжение в сети в параллельных подстанциях при подсоединении одной и той же фазы применяются специальные схемы. Они позволяют симметрировать присоединение трансформаторов. Самой известной из них является схема двойного винта. Ее применение позволяет равномернее загружать фазы, избегая потерь напряжения потребителей.

Встречаются передвижные и стационарные подстанции. Чаще применяется второй вариант. Передвижные устройства играют роль аккумуляторных батарей. Их проектирование обладает определенными сложностями. Поэтому их применяют достаточно редко.

Классификация в зависимости от назначения

В соответствии с условиями работы тяговая подстанция может быть отнесена к одной из следующих групп. Для железнодорожного транспорта применяются опорные, тупиковые, промежуточные разновидности. В первом случае установка может использоваться для питания прочих объектов. Тупиковые аппараты обеспечиваются электротоком от соседних подстанций, а промежуточные – от двух соседних установок.

Для троллейбусов и трамваев применяются особые разновидности. Первая группа приборов нуждается в участии обслуживающего персонала. Вторая категория полностью автоматизирована. К третьей категории относится телеуправляемая техника. В управлении такими станциями не требуется участие персонала.

Для метрополитена используют понизительные, тяговые и тягово-понизительные приборы. В первом варианте система питается от оборудования городских электросетей. Второй тип понижает напряжение до 400-220 В. Ее энергию применяют для питания осветительных и силовых приборов.

Структура

Описание типовых схем представленных аппаратов достаточно сложное. Однако можно выделить общие черты. Подключение в системе производится в соответствии с особенностями транспорта, для которого применяется агрегат.

Распределитель состоит из трех блоков. В первом находится устройство, принимающее высокое напряжение, во втором отсеке – трансформатор, а в третьем – выход для электроэнергии с заданными характеристиками. Предусмотрен всего один выключатель. На вводе присутствует разъединитель.

Соединение первичных обмоток выполняется по схеме звезда. Нулевая фаза обязательно заземляется. Вторичные обмотки соединяются в виде треугольника. Одну из фаз заземляют и подводят к рельсу. В метрополитене для этого предусмотрено наличие особого контактора. Этот рельс предназначен исключительно для снятия напряжения электровозом.

Другие фазы подают ток в два воздушных кабеля. Их иногда применяют для снабжения электроэнергией других потребителей, но в основном по воздушным проводам тяговые подстанции обеспечивают питание троллейбусов. Для трамвая этот процесс предполагает задействовать один воздушный провод и один наземный рельс. В большинстве стран мира напряжение для такой сети составляет 550 В.

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.

Количество агрегатов

На узлах подачи электроэнергии наземному и подземному транспорту применяются установки с различным количеством аппаратов. Встречаются как одноагрегатные, так и многоагрегатные сооружения. Первая разновидность применяется на ответвлениях, где не нужно обеспечивать централизованного снабжения. Обоснование их применения сомнительно, так как они не обеспечивают высокую надежность питания. Если агрегат выйдет из строя или потребуется произвести его техобслуживание, будет обесточена вся линия. Поэтому такие установки применяют достаточно редко.

Гораздо чаще можно встретить двухагрегатные питающие установки. Существуют подстанции с тремя, четырьмя трансформаторами. Это значительно повышает надежность линии. Они обеспечивают бесперебойную подачу тока даже при выходе из строя или обслуживании одного агрегата.

В моменты повышения нагрузки до максимума многоаппаратные схемы отличаются высокой гибкостью. Такой подход позволяет удешевить строительство и эксплуатацию оборудования.

Рассмотрев особенности и разновидности тяговых подстанций, можно оценить важность их правильного выбора и эксплуатации в сетях городского и государственного транспорта.

Тяговые подстанции

Тяговые сети обеспечивают электропитание подвижного состава на большие расстояния. При этом схема и конструкция тяговой сети должны максимально сокращать непроизводительные потери электроэнергии, уменьшать индуктивное влияние и нейтрализовать любое вредное воздействие на окружающую среду.

Эффективность тяговых сетей характеризуется снижением потерь электроэнергии, уменьшением индуктивного влияния, сокращением капитальных затрат при электрификации, удобством конструкции тяговых сетей, величиной эксплуатационных расходов.

Предназначение тяговой подстанции следующее: преобразовывать и распределять электрический ток в целях обслуживания электротранспорта. Подстанции подразделяются по виду выдаваемого в контактную сеть электрического тока - постоянного и переменного – от того, какой именно вид использует электротранспорт: электровозы наземных железных дорог, метрополитена, трамваи или троллейбусы. Тяговая подстанция может обеспечивать электротоком и других потребителей, не только железную дорогу.

Тяговая подстанция может быть стационарной или передвижной. Передвижные используются достаточно редко. Расстояние между тяговыми подстанциями с постоянным током в контактной сети, их возводят с шагом в десять-пятнадцать километров. Дистанция меняется от требуемой мощности, которая находится в зависимости от напряженности в движении составов, рельефа местности.

Тяговая подстанция запитывается от линий электропередач, проложенных по воздуху на опорах, или же через кабельной сети. Внешнее напряжение снижает трансформатор и передает его к выпрямителю, с него электрический ток подается к контактной сети.

В настоящее время на электровозах и на других видах электротранспорта широко применяется рекуперация энергии . При торможении электровозы, троллейбусы, трамваи - потребители электротока, превращаются в его источник. Электродвигатели становятся генераторами и передают электрический ток контактной сети, поглощая тем самым кинетическую энергию движения, и обеспечивают торможение электротранспорта.

Для обратного перетекания тока в электросеть служит инвертор. Они в автоматическом режиме отключает выпрямители, как только тормозящий в режиме рекуперации транспорт начинает выдавать ток. На железной дороге номинальным уровнем напряжения принято считать 3300 Вольт, в метрополитенах 825 Вольт, в контактной сети троллейбусов и трамваев 600 Вольт.

Подстанции переменного тока отличаются от аналогичных постоянного тока отсутствием выпрямителя, понижающий трансформатор подает ток непосредственно в контактную сеть.

Одна из фаз заземлена и соединена с рельсом, который и служит одним из контактных проводов для электровоза. В метрополитене – это отдельный контактный рельс, который служит исключительно для снятия с него напряжения электровозом подземки. Две другие фазы подают ток в два воздушных провода на разных путях, а также их используют для снабжения других потребителей электроэнергии.

Последних возле железных дорог достаточно много. Это и автоматика управляющая передвижением составов, сигнальные приспособления, связь, освещение платформ и станционных зданий, их обогрев и многое другое.

Традиционно во многих местностях система электроснабжения железных дорог является единственной возможностью подвести напряжение к населенным пунктам. Поэтому тяговая подстанция не только используется для электротранспорта, но и снабжает электроэнергией населенные пункты, других потребителей, обеспечивая их потребности.

Тяговая подстанция, их группы осуществляют обслуживание наземного, преимущественно, городского, электротранспорта – троллейбусы и трамваи. Они преобразуют ток от внешних сетей в постоянный и передают его на контактные провода или рельсы. Для троллейбусов – это два контактных воздушных провода, для трамваев – один воздушный и рельс. Используемое напряжение в большинстве стран 550 Вольт.

Тяговая подстанция может быть дистанционно управляемой, полностью автоматизированной, или же иметь персонал обслуги. Чаще всего персонал присутствует на небольших станциях в некрупных городах. Там, где создание автоматических систем управления экономически нецелесообразно.

Или же, наоборот, на крупных тяговых подстанциях, чье значение слишком велико, чтобы иметь риск их отключения. Нередко персонал присутствует лишь на одной из тяговых подстанций, откуда осуществляется дистанционное управление другими станциями, входящими в общую систему. Наличие персонала не исключает автоматического управления. В таком случае человеку отводится роль наблюдателя-контролера, который может вмешиваться в работу подстанции в экстренных случаях, требующих принятия решения, и в аварийных ситуациях.

Целиком автоматизированные станции используют там, где невелика интенсивность прохождения составов, и остановка не должна повлечь далеко идущих последствий в смысле безопасности. Наиболее надежная и экономичная система управления – дистанционная.

Тяговая подстанция может быть одноагрегатной и многоагрегатной. Одноагрегатные используются там, где не требуется централизованное снабжение электричеством, на ответвлениях. Они достаточно редки, поскольку не обеспечивают надежного снабжения электричеством. В случае выхода агрегата из строя обесточивается вся сеть, обслуживаемая подстанцией. Поэтому наиболее часто применяются двухагрегатные подстанции. Существуют и трехагрегатные, и четырехагрегатные.

Наличие нескольких агрегатов значительно повышает надежность в работе. При выходе одного агрегатов из строя, включается второй, что обеспечивает бесперебойность. Также наличие более, чем одного агрегата, придает работе гибкость в моменты максимальных нагрузок. Объединение нескольких подстанций в единую управляемую из одного центра группу дает возможность делать их взаимозаменяемыми, удешевляет возведение и эксплуатационные издержки.

Поскольку главное условие работы тяговой подстанции – бесперебойность, то все они запитываются одновременно от двух различных внешних сетей. Запитка может осуществляться по отдельным линиям, или же от одного с использованием основных и резервных линией к другой подстанции, возможен вариант соединения перемычками кабелем между подстанциями.

При использовании двух отдельных линий, и та и другая должны рассчитываться на максимальную нагрузку подстанции. Резервное соединение должно выдерживать одновременно нагрузку соединенных станций, соединение кабельной перемычкой – одной. Схема номер два наиболее часто применяется в метрополитене, так как, она достаточно надежна, экономична и удобна в управлении.

Ранее, когда только начиналось строительство метрополитена в стране, для запитки подстанций от городских сетей применяли радиальную схему линий. Однако, такая схема достаточно сложная, она предусматривает много кабелей, ячеек. Поэтому от нее вскоре отказались.

Теперь запитка производится, используя линии и перемычки. Это обеспечивает объединение подстанций в отдельные группы. Если выходит из строя один из понижающих трансформаторов в группе, другие перераспределяют на себя его нагрузку.

Читайте также: