Тяговые подстанции на электрифицированных железных дорогах

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.

Расстояние между тяговыми подстанциями, на которых используется переменный ток, выше, чем для станций с использованием постоянного тока — до пятидесяти километров. А напряжение, которое снимает электротранспорт — 27,5 килоВольт. Запитка от внешней сети для них составляет от 110-ти, до 220-ти килоВольт. Схема соединения первичных обмоток понижающего трансформатора таких станций – «звезда» с заземленной нулевой фазой. Вторичные обмотки соединены по схеме «треугольник».

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.

Читайте также:  Плов в казане на плите из баранины

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.

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.

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.

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.

Читайте также:  Фильтр саллена кея расчет

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.

Тяговая подстанция – это вид промышленной электрической установки, в которой производится преобразование энергии до параметров (тип тока, величина напряжения), которые необходимы для питания тяговых электродвигателей наземного и подземного транспорта – железнодорожных локомотивов, поездов метро, трамваев и троллейбусов.

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.

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.

Читайте также:  Уровень фенола в квартире

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.

Метрополитен

Для него характерны перегоны (расстояние между станциями) небольшой длины, нет проблем с подключением к линиям электропередач. Поэтому в контактную сеть подается исключительно постоянный ток.

Номинальное напряжение контактной сети

На вход подстанций подается напряжение 10 или 6 кВ от городской электросети. На выходе они выдают постоянный ток напряжением 825 вольт.

Организационная структура электроснабжения метрополитена

До тех пор, пока линии были небольшой протяженности, их обеспечивала одна тяговая подстанция. Эта схема называлась централизованной и использовалась до середины 50-х годов прошлого века. Сейчас они разбиты на перегоны, каждый из которых запитан своей силовой станцией. Они же ставятся в местах наибольшей нагрузки.

В состав их конструкции входит понижающий трансформатор, на выходной обмотке которого напряжение 400 вольт 50 Гц. Его используют для собственных нужд метрополитена – для питания эскалаторов, вентиляторов, насосов, приводящихся в действие асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, а также освещения.

Конструкция контактной сети

В российском метро воздушная контактная сеть не используется. Вместо этого, рядом с одним из ездовых рельсов, прокладывают третий, токосъемный. Он расположен у края пассажирской платформы и чуть выше двух остальных. Для обеспечения безопасности рабочего персонала его красят в желтый цвет. При этом ездовые рельсы соединяют с нейтралью силовой подстанции, исключая появление блуждающих токов.

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.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *