Электроснабжение городского электротранспорта

    тяговая подстанция — состоящая из нескольких важных функциональных узлов, основными из которых являются распределительные устройства (РУ), трансформаторы, выпрямители и инверторы (для тяговых подстанций постоянного тока) и устройства собственных нужд;

    внутреннее (тяговое) электроснабжение — тяговая сеть, обеспечивающая питание электроэнергией подвижной состав от шин тяговой подстанции вторичного напряжения до токоприемников (фидеры — провода и кабели, соединяющие тяговую подстанцию с контактной и рельсовой сетью, собственно контактная и рельсовая сеть, включая и спецчасти —пересечения, стрелки и др.).

    Системы внешнего электроснабжения 

    Системы внешнего электроснабжения определяются местоположением электрических станций, воздушными или кабельными линиями электропередачи, тяговых подстанций, характером и мощностью потребителей, в том числе нетяговых, и другими факторами. Выбор схемы диктуется также требуемой степенью надежности, планом транспортных линий и проводится на основе технико-экономических расчетов.

    Наиболее  типичными часто встречающимися на практике схемами присоединения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения являются кольцевая, магистральная двустороннего питания и одностороннего питания и радиальная.

    Кольцевая схема (рис. 4.1, а) применяется в тех  случаях, когда две тяговые подстанции одной группы находятся вблизи источника питания, мощность которого определяется мощностью всех присоединенных к нему тяговых подстанций. Электрические станции 1 и тяговые подстанции 3 соединяются в кольцо линиями электропередачи 2, при этом тяговые подстанции имеют по два ввода. Отключение любого питающего источника (электрической станции или районной подстанции) или линии передач не вызывает прекращения питания подстанций.

    Кольцевая схема надежна и экономична, однако при наличии в кольцевой схеме  только одного источника при выходе его из строя прерывается электроснабжение всей группы тяговых подстанций.

    Магистральные схемы (рис. 4.1, б, в, г, рис. 4.2, а) целесообразно использовать в тех случаях, когда тяговые подстанции располагаются вдоль линии транспортного пути. Питающие источники (см. рис. 4.1, поз. 1) соединяются с шинами тяговых подстанций, как правило, двухцепными линиями передач. Тяговые подстанции 3 на рис. 4.2, а, б, соединенные с источниками, носят название опорных или головных. Прочие тяговые подстанции в цепи называются транзитными (промежуточными), включенными в рассечку 4 или на отпайках 5. Из-за удвоения числа вводов межсистемной связи увеличивается надежность системы электроснабжения, но одновременно возрастает ее стоимость. Для уменьшения этих затрат применяют схемы с уменьшенным числом вводов (см. рис. 4.1, в) или включают тяговые подстанции на отпайках (см. рис. 4.2, а).

    Исходя  из обеспечения надежности электроснабжения тяговых подстанций, к двухцепной линии передач с двусторонним питанием при напряжении 10; 110; 220 кВ разрешается присоединять не более пяти тяговых подстанций постоянного тока; пяти тяговых подстанций переменного тока при напряжении 220 кВ и трех подстанций при напряжении 110 кВ. Между двумя подстанциями, включенными в рассечку, может находиться не более одной отпаечной подстанции.

    Схему электроснабжения с односторонним  питанием (см. рис. 4.1,

г,  д) применяют в тех случаях, когда вблизи тяговых подстанций имеется одна электрическая станция или районная подстанция. Надежность питания тяговых подстанций в этом случае ниже, чем в предыдущих схемах. Двухцепные межподстанционные линии передач обеспечивают более высокую надежность. Число тяговых подстанций, получающих питание от одного источника питания, определяется мощностью этого источника, мощностью тяговых подстанций и пропускной способностью головного кабеля.

    Подобные  схемы электроснабжения используются, как правило, для питания вылетных линий, находящихся в зоне слаборазвитой сети энергосистемы.

    Радиальные  схемы внешнего электроснабжения (см. рис. 4.1,д, е) могут быть однолучевые, а также с параллельной и раздельной работой линий передач. В радиальной однолучевой схеме тяговая подстанция получает питание по одному кабелю от одной питающей подстанции. Схема применима только для электроснабжения одноагрегатных тяговых подстанций городского электрического транспорта при децентрализованном внутреннем электроснабжении¹.

    В схеме с параллельной работой  линий передач питание тяговой подстанции осуществляется от источника с секционированными шинами. В случае повреждения на одной из секций питающей подстанции или на линии электроснабжение тяговой подстанции ведется от неповрежденной секции.

    В схеме с раздельной работой питающих линий тяговая подстанция работает от двух независимых источников (см. рис. 4.1, е). Схема обладает высокой степенью надежности, так как при выходе из строя одного источника питание электроснабжения тяговой подстанции не прекращается. Наибольшее применение схема находит для питания мощных многоагрегатных тяговых подстанций, обеспечивающих электроснабжение разветвленной тяговой сети, а также тяговых подстанций метрополитена.

    В последнем случае для осуществления дополнительного резервного питания используется межподстанционная перемычка.

    Классификация и структурные схемы тяговых подстанций 

    Тяговые подстанции классифицируют по ряду признаков, в числе которых следующие:

    • значение питающего (первичного) напряжения, т.е. напряжения в линии электропередачи, к которой подключена тяговая подстанция со стороны внешнего электроснабжения — 6; 10; 35; ПО; 220 кВ;

    • род тока (постоянный или переменный) и напряжение на выходе: переменный ток напряжением 27,5 кВ, 2x25 кВ; постоянный ток напряжением 3,3 кВ, 1 650 В, 825 В, 600 В; постоянно-переменный ток (стыковые подстанции);

    • схемы присоединения к сети внешнего электроснабжения — опорные, промежуточные, концевые (тупиковые);

    • способ управления оборудованием тяговой подстанции — телеуправляемые и без телеуправления;

    • способ обслуживания — без дежурного  персонала, с дежурством на дому и постоянным дежурным персоналом;

    • размещение оборудования — закрытые, открытые, смешанные тяговые подстанции;

    • конструктивное исполнение — стационарные и передвижные (используемые при капитальных ремонтах оборудования стационарных подстанций или для усиления их мощности).

    По  первому признаку тяговые подстанции постоянного тока используют следующее  питающее (первичное) напряжение:

    • 6; 10 кВ для питания тяговых подстанций трамвая, троллейбуса и метрополитена:

    234

    • 6; 10; 35; 11О; 220 кВ — для электроснабжения тяговых подстанций постоянного тока железнодорожного и промышленного транспорта;

    •  11О; 220 кВ — для электроснабжения тяговых подстанций переменного тока железнодорожного транспорта.

    Дальнейшее  рассмотрение классификационных характеристик  и особенностей тяговых подстанций, питающих тяговые сети различного подвижного состава, целесообразно провести, используя как структурные схемы самих подстанций, так и совмещенные схемы подстанций внешнего и внутреннего электроснабжения. Под структурными понимают схемы, включающие в себя совокупность основных функциональных узлов электроустановок и отражающие принцип их взаимодействия.

    Тяговые подстанции метрополитена 

    Метрополитен  как электроприемник относится  к потребителям I категории, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства и др. Этим определяются требования к системе внешнего электроснабжения тяговых подстанций метрополитенов, схемам питания и защиты тяговой сети, использованию пожаро- и взрывобезопасного оборудования, имеющих высокие показатели надежности. Перерыв в электроснабжении потребителей допускается лишь на время, необходимое диспетчеру для включений или переключений в распределительных устройствах 6... 10 кВ подстанций по системе телеуправления или автоматического ввода резервного питания.

    На  отечественных метрополитенах применяют  две системы электроснабжения тяговой сети: централизованная и децентрализованная. Первая из них получила распространение в начальный период развития метрополитенов. Электроснабжение тяговых сетей при централизованной системе питания осуществляется от наземных тяговых подстанций. Расстояние между ними принимается возможным по условиям обеспечения защиты тяговой сети и минимально допустимого напряжения на токоприемниках поезда (см. подразд. 4.2).

    При децентрализованной системе электроснабжения подстанции размещают, как правило, у каждой пассажирской станции в местах приложения максимальных тяговых нагрузок.

    Такая тяговая подстанция соединяется с понизительной, обеспечивающей питание силовых установок (эскалаторов, вентиляторов, насосов) и освещения, в одну совмещенную тяговопонизительную подстанцию (СТП).

    Электроснабжение  потребителей подземных линий метрополитена предусмотрено от подземных тяговых подстанций глубокого или мелкого заложения. Проектирование наземных подстанций допускается при обосновании необходимости подобного ее расположения.

    В настоящее время при проектировании тяговых подстанций предусматривают  питание электроэнергией от двух независимых источников энергосистемы города через смежные подстанции метрополитена. В последнем случае одним из источников питания следует использовать электростанцию.

    На  рис. 4.56 представлены структурные схемы  двух тяговых подстанций метрополитена ТП1 и ТП2, питающих смежные участки тяговой сети. Напряжение 10 (6) кВ от источников РП1 и РП2 подводится по вводам / к одной секции шины через распределительные устройства РУ 10 (6) кВ 2, которые выполняют с одинарной секционированной системой шин. К другой секции шин подключено питание от смежной подстанции по отходящей линии (перемычке) 4. В нормальном режиме секции шин работают раздельно. Для приема и распределения электроэнергии на тяговых подстанциях метрополитена применяют комплектные распределительные устройства (КРУ) типа К-104м, выполненные по типовым схемам главных цепей. РУ 10 кВ ввода и преобразовательного агрегата оборудуют вакуумными выключателями типа ВВЭ-М-10-630, трансформаторами тока для подключения комплектов защиты, измерительных приборов и устройств учета энергии.

    Для обеспечения безопасности обслуживания оборудования с двух сторон выключателя  располагают штепсельные разъединители, а со стороны ввода — заземляющий разъединитель с приводом и передаточным механизмом, представляющим систему тяг и рычагов.

    Коммутационные  аппараты, приборы, устройства автоматики и защиты, соединенные между собой  в соответствии с электрической схемой, располагают в шкафу КРУ или КСО. На выдвижном элементе шкафа устанавливают выключатель и разъемные контакты цепи. В рабочем положении разъемные контакты замкнуты. При выполнении технического обслуживания выдвижной элемент с выключателем полностью извлечен из шкафа, контакты всех цепей разомкнуты. Неподвижные контакты, установленные в шкафу стационарно, закрываются специальными шторками, исключающими доступ к токоведущим частям. Заземляющий разъединитель включается при ремонтном положении выдвижного элемента.

    Схема РУ 10 кВ, обеспечивающая подключение  к шинам тягового трансформатора, отличается отсутствием трансформатора тока и элементов защиты от замыканий на землю.

    Преобразовательные  агрегаты 5 (тяговые трансформаторы Т2 и ТЗ и выпрямители), число и  мощность которых определяют исходя из тяговой нагрузки, подключают к 1-й  секции шин (см. рис. 4.56). На тяговых подстанциях предусматривают установку сухих трансформаторов, обладающих рядом преимуществ: повышенной электрической и механической прочностью, пожаробезопасностью, повышенным классом нагревостойкости (до 350 °С), что позволяет рекомендовать их к применению в тяжелых условиях работы, особенно в закрытых и подземных помещениях. Трансформаторы серии ТСЗП выполнены по схеме соединения «звезда—треугольник» и предназначены для работы с мостовыми выпрямителями. Основные параметры трансформаторов серии ТСЗП и мостовых выпрямителей для тяговых подстанций метрополитена даны в табл. 4.6, табл. 4.7.