Электроснабжение городского электротранспорта

    Электрические схемы питания секций контактной сети должны обеспечивать необходимый уровень надежности питания подвижного состава и приемлемые энергетические показатели. По степени надежности питания электрический транспорт относится к первой категории потребителей, для которых перерыв питания допускается лишь на время автоматического включения резерва. Однако в полной мере указанное условие не может быть выполнено, так как контактная сеть является нерезервируемым элементом тяговой сети.

    Упрощенные  схемы тяговой сети двухпутных участков (движение в двух направлениях) применительно к рельсовым видам электротранспорта приведены на рис. 1.

    В разомкнутых тяговых сетях используют одностороннее питание секций контактной сети (рис. 1, а, б, г), а в замкнутых сетях— двустороннее (рис. 1, в, д, ё). Контактные сети каждого пути могут получать независимое питание через собственные быстродействующие выключатели (см. рис. 5.1, а, д) и могут работать совместно (рис. 1, б, г, ё). На рис. 1, в показана узловая схема питания, при которой в средней части участка устанавливают по сх. секционирования 1, оборудованный автоматическими выключателями, соединяющими контактную сеть двух путей, что облегчает защиту сети от аварийных режимов и улучшает энергетические показатели. Схемы электроснабжения типа приведенных на рис. 1, г, е, характерны для наземного городского электротранспорта; на рис. 1, д — для метрополитена и на рис. 1, в — для магистральных железных дорог. 

    Схемы тягового электроснабжения могут выполняться  по централизованному и децентрализованному принципам. Эти термины имеют некоторое различие применительно к тяговым сетям метрополитенов и наземного городского электротранспорта. Централизованный принцип использовался на начальных этапах развития транспортных систем. На метрополитенах централизованное питание осуществлялось от наземных тяговых подстанций. По условиям защиты тяговой сети и минимально допустимого уровня напряжения у подвижного состава расстояние между ними не превышало 3... 3,5 км, а расстояния от подстанции до трассы достигали 0,5...0,8 км.

    При децентрализованном питании метрополитена тяговые подстанции выполняют подземными и размещают, как правило, в местах возникновения наибольших тяговых нагрузок у каждой пассажирской станции. Значительную долю энергии потребляют силовые нагрузки (эскалаторы, вентиляторы, насосы) и освещение. Понизительные подстанции, используемые для их питания объединяют с тяговыми в общие тягово-понизительные подстанции.

    Реальная  схема децентрализованного электроснабжения метрополитена приведена на рис. 5.2.

    Тяговые подстанции ТП1—ТПЗ размещены соответственно на станциях Ст.1 —Ст.З. Питающие линии соединены с положительными шинами подстанций быстродействующими выключателями (например, БДВ1, ВДВ4). Каждая питающая линия (фидер) оборудована линейным разъединителем QS с дистанционным управлением. Промежуточные секции контактной сети получают питание от смежных подстанций по двум линиям (см., например, Л13 и Л21; Л14 и Л22), т.е. реализуется двустороннее питание. Концевые секции могут иметь одностороннее питание.

    На  подстанции ТПЗ имеется резервная  линия ЛЗО (Л30(1) и Л30(2)), оборудованная своим БДВ. Контактные рельсы секционированы неперекрываемыми воздушными промежутками длиной 14 м. Короткозамыкатели QK при отсутствии на них напряжения позволяют заземлять секции контактного рельса на сеть ходовых рельсов через путевые дроссель-трансформаторы LI1—L12, L21— L22, используемые для разделения сети ходовых рельсов на блок-участки, обеспечивающие работу системы безопасности движения поездов, работающей на переменном токе.

    На  наземном городском электротранспорте  понятие централизованная система электроснабжения относят к схемам, в которых тяговая подстанция питает как удаленные, так и непосредственно примыкающие к ней секции контактной сети. Используется количественный принцип резервирования оборудования тяговой подстанции и кабельных линий.

    При децентрализованной системе подстанции расположены вдоль транспортной линии вблизи секционных изоляторов. В нормальном режиме каждая подстанция питает только примыкающие к ней секции контактной сети. Предусматривается полное взаимное резервирование тяговых подстанций по мощности.

    При возникновении аварийной ситуации на любой из подстанций отключаются ее выключатели QF1, QF2 и включается секционный выключатель QF3. Нагрузку аварийной подстанции принимают на себя смежные подстанции, имеющие необходимый резерв мощности. Система электроснабжения переходит в вынужденный режим работы, при котором обеспечивается нормальная работа подвижного состава, но значения показателей, характеризующих работу системы, ухудшаются, оставаясь в пределах норм, допустимых для вынужденного режима. При неблагоприятном сочетании отказов элементов системы соблюдение технических нормативов может стать невозможным. Такая ситуация носит название аварийного режима электроснабжения, при котором размеры движения сокращаются или движение полностью прекращается.

    Принцип построения тяговой сети магистрального транспорта на переменном токе напряжением 25 кВ показан на примере схемы питания участка однофазного тока (рис. 5.5).

      Приведен участок, получающий питание от трех подстанций ТП1—ТПЗ. Высоковольтные вводы подстанций связаны с общей линией 1 электропередачи (ЛЭП), три фазы которой — А, В, С. Используются трехфазные трансформаторы 2 со схемой обмоток. Контактная сеть 3 секционирована с использованием нейтральных вставок 5, рельсовая сеть 4 не секционируется и является вторым полюсом тяговых нагрузок. Питание мощных однофазных тяговых нагрузок от трехфазной системы приводит к неравномерности загрузки фаз первичного (внешнего) электроснабжения. На подстанции ТП1 наименее загруженной оказывается фаза Ь, на подстанции ТП2 — фаза с, на подстанции ТПЗ — фаза а. При одинаковом соединении первичных обмоток тяговых трансформаторов с фазами ЛЭП соответственно по ним перемещается разгруженная фаза, что приводит к некоторому выравниванию нагрузок в системе первичного электроснабжения.

    Для обеспечения двустороннего питания  секций контактной сети необходимо, чтобы  фаза напряжения, подаваемого от смежных  подстанций, к концам секции совпадала. Для этой цели используют трансформаторы 11-й и 1-й групп соединения обмоток. Векторы напряжения, прикладываемого к секциям контактной сети, 1 —2, 2—З и З—4, показаны в нижней части рисунка под соответствующими секциями. Смежным секциям соответствуют векторы напряжения со сдвигом 60 эл. град., т.е. необходимо использовать секционные изоляторы с нейтральными вставками.

    Материалы, используемые в тяговых сетях, и их электрические и механические характеристики

    Основным  элементом контактной сети являются контактные провода. Материал контактных проводов должен обладать высокими механическими и электрическими свойствами: прочностью, износо- и термостойкостью, электропроводностью. В качестве основного материала используют твердотянутую медь марки Ml с содержанием примесей не более 0,1%, из которой изготовляют фасонные контактные (общей марки МФ) и фасонные овальные (МФО) провода. Наряду с медными используют бронзовые контактные провода (БрФ и БрФО), а также провода из низколегированной меди (общих марок НлФ и НлФО).

    Легирующими элементами являются магний, цирконий, олово, кадмий, их процентное содержание указывается в расширенных обозначениях бронзовых проводов и проводов из низколегированной меди. Например, марка НлЦр0,05Ф-85 обозначает провод фасонный сечением 85 мм² из низколегированной меди с содержанием 0,05 % циркония. По номинальному сечению контактные провода образуют ряд: 65; 85; 100; 120; 150 мм². На наземном городском электротранспорте преимущественно используют провода сечением 85, реже 100 мм². На магистральном транспорте обычно используемые провода имеют сечение 100 мм² и больше.

    В качестве контактных проводов троллейбуса  иногда используют сталеалюминиевые провода типа ПКСА-80/180 для исполнения которых применяют биметалл, получаемый механическим соединением алюминия (верхняя часть) и стали (нижняя токосъемная часть). К недостаткам проводов этого типа следует отнести подверженность стальной их части коррозии, ухудшающей токосъем, а также возможность механического расслоения в процессе эксплуатации из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения стальной и алюминиевой частей.

    Точные  значения сопротивлений бронзовых  проводов зависят от содержания легирующих примесей. Превышение их сопротивления в сравнении с медными соответствующего сечения может достигать 24%. Для низколегированных медных это превышение составляет около 4 %.

    Механическая  прочность низколегированных медных проводов (временное сопротивление  при растяжении, о_в) на 2...3 % превышает прочность медных. Для медных проводов с_в = 370... 350 МН/м , большие значения соответствуют проводам сечением 65, меньшие — 150 мм². Для бронзовых проводов о_в = 430...400 МН м². Напряжения от механических нагрузок растяжением и напряжения при натяжении контактных проводов в контактных сетях трамваев и троллейбусов принимают в соответствии с СНиП 2.05.09 — 90.

    В процессе эксплуатации под действием  нагревания тяговыми токами и растягивающих  усилий провода разупрочняются. В  результате длительной эксплуатации сопротивление разрыву и твердость могут снизиться до 80 % начальных значений. Разупрочнение становится заметным уже при нагреве провода до 100 °С, особенно при приложении к нему растягивающей силы. Снижение механической прочности провода при этой температуре достигает 5 %. В связи с этим необходим контроль, чтобы температура нагревания медных контактных проводов не превышала 95 "С. При нагревании до 180... 230 °С происходит процесс рекристаллизации меди, в результате которого механические свойства проводов резко снижаются. Допустимая температура низколегированных и бронзовых проводов с учетом возможного их нагревания в течение всего срока службы по ГОСТ 2584-86 составляет соответственно 110 и 130°С.

    Наибольшее  применение находят цепные контактные подвески, при которых контактные провода закрепляются на продольных несущих тросах. Эти тросы могут быть стальные оцинкованные сталемедные общей марки ПБСМ (ГОСТ 4775-75), медные общей марки М (ГОСТ 839-80Е). На железнодорожном транспорте несущий трос используют в качестве продольного проводника, работающего параллельно с контактными проводами. При необходимости увеличения электрической проводимости контактной подвески допускается в контактной сети трамвая использовать несущий трос из меди или биметалла (ПБСМ).

    Усиливающие провода используют в основном на железнодорожном транспорте, соединяя их перемычками с контактными проводами. Обычно для этой цели используют алюминиевые многопроволочные провода общей марки А. На городском наземном электротранспорте усиливающие провода находят применение на отдельных вылетных линиях трамвая и на скоростном трамвае. Алюминиевые провода изготовляют из твердотянутых алюминиевых проволок с временным сопротивлением растяжению не менее 150 МН/м². Алюминий легче меди примерно в 3 раза, но его электропроводность меньше меди в 1,65 раза.  

    Системы тяги и тягового электроснабжения 

    Система электроснабжения электрического транспорта, в состав которой входят тяговые подстанции, является частью электроэнергетической системы (далее — энергосистемы). Электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники объединены общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

    Тяговая подстанция — электрическая станция, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии для питания транспортных средств на электрической тяге через контактную тяговую сеть. От тяговой подстанции могут получать питание и другие потребители.

    Тяговая подстанция, включающая в себя комплекс электротехнических устройств для приема электроэнергии от источника и получения необходимого напряжения, и тяговая сеть, обеспечивающая передачу его к электроприемникам подвижного состава, представляют собой с и с т е м у тягового электроснабжения.

    В зависимости от системы тяги, т. е. от типа используемого подвижного состава, различают три вида систем тягового электроснабжения: систему постоянного тока с напряжением на шинах подстанции 3,3 кВ; 825 В и 600 В, систему однофазного переменного тока с напряжением 27,5 кВ и систему однофазного переменного тока с напряжением 2x25 кВ и промышленной частотой 50 Гц.

    В системе тягового электроснабжения можно выделить три основные части:

    внешнее электроснабжение — включает в себя устройства от электрической станции до первичных шин тяговой подстанции, т.е. до шин, к которым подведено напряжение от внешнего источника переменного тока; в качестве внешнего источника может быть условно принята электрическая или распределительная подстанция;