Тяговая подстанция

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Тя́говая подста́нция — в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии.

Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования (выпрямления) тока (для подстанций постоянного тока) с целью передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов, трамваев и троллейбусов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.

Тяговые подстанции железной дороги[править | править вики-текст]

Тяговая подстанция железной дороги предназначена для распределения, преобразования электроэнергии, питания тяговых (электроподвижного состава) и нетяговых железнодорожных, а также нежелезнодорожных потребителей. Тяговые подстанции железной дороги получают электроэнергию от энергосистем через систему внешнего электроснабжения, после чего энергия распределяется между тяговыми (через систему тягового электроснабжения) и нетяговыми потребителями.

Классификация[править | править вики-текст]

По способу присоединения к системе внешнего электроснабжения:

  • Опорная (узловая) – получает питание от сети внешнего электроснабжения по трём и более линиям электропередачи напряжением 110 или 220 кВ, и служит источником питания для других тяговых подстанций.
  • Промежуточная– получает питание по вводам от двух соседних подстанций.

В свою очередь делятся на: Транзитная (проходная) – включается в рассечку ЛЭП. Отпаечная – подключается к отпайкам или ответвлению ЛЭП.

  • Тупиковая (концевая) – получает питание по двум радиальным ЛЭП от соседней подстанции.

По системе электрической тяги:

  • Постоянного тока 3,3 кВ
  • Переменного тока 25кВ
  • Переменного тока 2х25 кВ
  • Стыковые

По типу преобразователей:

  • Выпрямительные
  • Выпрямительно-инверторные

По значению питающего напряжения:

6, 10, 35, 110, 220 кВ

По системе управления:

  • Телеуправляемые
  • Нетелеуправляемые

По способу обслуживания:

  • Без дежурного персонала
  • С дежурством на дому
  • С постоянным дежурным персоналом

По типу:

  • Стационарные
  • Передвижные

Схемы питания тяговых подстанций[править | править вики-текст]

Максимальное расстояние между соседними тяговыми подстанциями: 15 км на постоянном токе и 50 км – на переменном.

Каждая тяговая подстанция получает питание от двух независимых источников, так как электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории.

Питание тяговых подстанций может осуществляется по одноцепной ЛЭП, двухцепной ЛЭП на общих и на раздельных опорах.

При питании от одноцепной линии между опорными подстанциями располагаются не более трёх транзитных подстанций.

При питании от двухцепной линии на общих опорах:

  • для ЛЭП-220 кВ — не более пяти транзитных при электрической тяге как на переменном, так и постоянном токе;
  • для ЛЭП-110 кВ — не более пяти транзитных при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.

При питании от двухцепной линии на раздельных опорах:

  • для ЛЭП-220 кВ — не более пяти подстанций (2 транзитные 3 отпаечные) при электротяге как на постоянном, так и на переменном токе;
  • для ЛЭП-110 кВ — не более пяти подстанций (2 транзитные 3 отпаечные) при электрической тяге на постоянном и трех (2 транзитные 1 отпаечная) — на переменном токе.

Структура тяговых подстанций[править | править вики-текст]

Ввод

На тяговые подстанции железной дороги поступает энергия напряжением 110, 220 кВ, на некоторые старые тяговые подстанции постоянного тока может поступать напряжение 35 кВ.

Тяговые подстанции имеют от 2 (на транзитных, отпаечных, тупиковых подстанциях) до 6 (на опорных подстанциях) вводов.

Распределительное устройство высокого напряжения

Обычно это РУ 110 или 220 кВ, от них через понизительный трансформатор энергия поступает на РУ 6 (10), 35 кВ, а также на тяговое РУ 27,5 кВ.

На некоторых подстанциях постоянного тока РУ высокого напряжения может быть 35 кВ, в этом случае от него питаются: через преобразовательный агрегат тяговое РУ 3,3 кВ, трансформаторы собственных нужд, РУ 6 (10) кВ, а также нетяговые потребители.

Схемы РУ высокого напряжения различаются в зависимости от типа подстанции.

Распределительные устройства низкого напряжения

На тяговых подстанциях переменного тока РУ 6 (10) и 35 кВ используются только для питания нетяговых потребителей.  Для питания тяговых потребителей, а также трансформаторов собственных нужд используется РУ 27,5 кВ.

На тяговых подстанциях постоянного тока РУ 6 (10) кВ используются для питания: через преобразовательный агрегат РУ 3,3 кВ, трансформаторов собственных нужд, а также нетяговых потребителей. РУ 35 кВ используется только для питания нетяговых потребителей, за исключением случаев, когда РУ 35 кВ является основным.

Преобразовательные агрегаты

Выпрямители и инверторы, используются на тяговых подстанциях постоянного тока для питания РУ 3,3 кВ выпрямленным током и для возврата энергии, вырабатываемой при рекуперативном торможении из контактной сети в общую сеть переменного тока.

Фидеры

Фидеры используются для присоединения к распределительным устройствам тяговой подстанции контактной сети и других потребителей электроэнергии.

Тяговые подстанции постоянного тока[править | править вики-текст]

Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 10—15 км одна от другой[источник не указан 955 дней]. Это расстояние зависит, как от объёмов движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций ФСК «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередачи напряжением 6—220 кВ. Электроэнергия поступает в первичное открытое или закрытое распределительное устройство.

Далее электроэнергия поступает на понижающий трансформатор, откуда она подаётся на преобразовательный агрегат (выпрямитель). С преобразовательного агрегата выпрямленный ток подаётся на основную и резервную системы шин и распределяется в контактную сеть через быстродействующие выключатели.

В связи с широким использованием на современном электротранспорте рекуперативного торможения, на тяговых подстанциях (в основном железнодорожных) начинают использоваться инверторы, передающие энергию из контактной сети в общую сеть переменного тока. Выключение выпрямителя и включение инвертора производится автоматически при повышении напряжения контактной сети выше номинального.

В Российской Федерации номинальное напряжение тяговой сети железных дорог установлено на уровне 3300 В Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. В тяговых сетях трамваев и троллейбусов используется напряжение 600 В, метрополитена — 825 В.

Тяговые подстанции переменного тока[править | править вики-текст]

Тяговые подстанции переменного тока имеют то же предназначение, что и подстанции постоянного тока, за исключением того, что в них отсутствуют преобразовательные агрегаты для выпрямления тока. Расстояние между подстанциями составляет 40-50 км. Номинальное напряжение, подаваемое в контактную сеть 27,5 кВ. Подстанции переменного тока питаются по линиям напряжением 110 или 220 кВ. Первичные обмотки трансформаторов соединены в звезду, нейтраль заземляется. Вторичные обмотки соединены в треугольник, фаза C заземляется и соединяется с рельсами железной дороги без каких-либо коммутационных аппаратов. Напряжение фаз A и B через открытое распределительное устройство подаётся в контактную сеть двух путей соответственно, а также в линию ДПР («Два Провода — Рельс») для питания нетяговых потребителей.

Как правило, силовые трансформаторы имеют третью обмотку — 6, 10, реже 35 кВ, так как на железной дороге имеется множество других потребителей, кроме электровозов. Во-первых, это автоматика и телемеханика дороги — светофоры, стрелки, связь. Эти потребители требуют качественного и стабильного напряжения, для их снабжения прокладываются линии СЦБ (Сигнализация-Централизация-Блокировка) напряжением 6 или 10 кВ, которые запитываются через повышающий трансформатор 0,23 (0,4)/6 (10) кВ от сети собственных нужд подстанции.

Во-вторых, прочие потребители — отопление и освещение станций, переездов и так далее, а также сторонние потребители. Для их подключения используются либо фидеры ДПР напряжением 27,5 кВ, либо специальные линии ПЭ (Продольное Электроснабжение) на напряжении 6 или 10 кВ.

Исторически сложилось так, что тяговые подстанции в России иногда были единственными источниками электрической энергии приемлемого уровня напряжения для последующего распределения электроэнергии, поэтому на большинстве тяговых подстанций имеется распределительное устройство для распределения и дальнейшей транспортировки электрической энергии напряжением 0,23 — 35 кВ как железнодорожным, так и нежелезнодорожным потребителям.

Тяговые подстанции наземного электротранспорта[править | править вики-текст]

Тяговые подстанции трамваев и троллейбусов служат для преобразования трехфазного переменного тока (обычно напряжением 6 или 10 кВ) в постоянный ток. Напряжение постоянного тока для городского электротранспорта в большинстве городов мира принято: на токоприемнике трамвая и троллейбуса 550 В, на шинах тяговых подстанций 600 В.

Питание тяговых подстанций электроэнергией производится по воздушным или кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ от энергосистемы.

Классификация[править | править вики-текст]

По способу работы и обслуживанию:

  • С обслуживающим персоналом (автоматизированные и нет)
  • Автоматические, без обслуживающего персонала
  • Телеуправляемые, без обслуживающего персонала

Обслуживающий персонал на тяговых подстанциях используется в основном в небольших городах, где количество подстанций малое и системы телеуправления не рациональны, либо на на важных подстанциях в больших системах электротранспорта. Кроме того, часто пункты управления подстанциями размещаются на одной из них, поэтому такая подстанция становится обслуживаемой.

Но, даже при наличии персонала на подстанции, управление на ней может быть автоматизировано и человек выполняет лишь наблюдение (кроме аварийных ситуаций)

Автоматические подстанции редко могут использоваться без персонала и не имея никакого внешнего управления. Но они имеют самую низкую надёжность электроснабжения, поэтому используются лишь для малозначимых линий с низкой интенсивностью движения.

В средних и крупных системах электротранспорта подстанции управляются дистанционно, по системе телеуправления. Персонал на них не используется, оперативные переключения выполняются из районных центров управления.

По структуре:

  • Одноагрегатные
  • Многоагрегатные

Одноагрегатные подстанции предлагалось располагать для систем децентрализоваого электроснабжения, на вылетных линиях. Но они не получили широкого распространения ввиду невысокой надёжности, так как агрегат может часто выходить из строя, кроме того, он требует частого обслуживания, которое ограничивается в таком случае режимом работы электротранспорта. Поэтому на таких линия более удобны двухагрегатные подстанции.

В централизованных системах электроснабжения, коих большинство, применяются 3-х агрегатные, а также 2-х и 4-х агрегатные, подстанции, которые обеспечивают достаточный резерв по мощности и по надёжности. Использование централизванной системы позволяет снизить суммарную мощность подстанций, их количество, а значит и затраты на их строительство, обслуживание.

По месторасположению:

  • Наземные
    • Открытые
    • Закрытые
  • Подземные

Структура подстанции[править | править вики-текст]

Ввод[править | править вики-текст]

Электроэнергия на тяговые подстанций поступает как правило напряжением 6 или 10 кВ от энергосистемы. Через коммутационную аппаратуру она подаётся на распределительное устройство (РУ) 6/10 кВ.

Коммутационная аппаратура ввода состоит из линейного разъединителя, высоковольтного выключателя (маломаслянного, вакуумного или др.) и шинного разъединителя.

Вводов у подстанции может быть до нескольких штук (1, 2, 3), но большинство подстанций на просторах СНГ имеют два: ввод α (основной) и ввод β (резервный). Переход с одного ввода может снабжаться автоматикой

Распределительное устройство высокого напряжения[править | править вики-текст]

Схемы РУ ВН подстанций достаточно разнооборазны. Это может быть одна секция шин, две секции с раздельным подключением к вводам, две секции с возможностью работы от всех вводов и др. Между секциями На мощных подстанциях используются схемы с двумя (возможно и более) секциями шин обеспечивающие высокую их надёжность в случае аварийных ситуаций (КЗ, отключение одной из секций) или ремонта без полного отключения подстанции.

От РУ ВН через коммутационную аппаратуру питаются трансформаторы собственных нужд и преобразовательные агрегаты

Преобразовательные агрегаты[править | править вики-текст]

Количество преобразовательный агрегатов определяет мощность тяговой подстанции. Их может быть от одного и более, но наибольшее распространение на просторах СНГ имеют 2-х и 3-хагрегатные подстанции.

Преобразовательный агрегат тяговых подстанций трамвая и троллейбуса состоит из трансформатора и выпрямителя. Выпускавшиеся в СССР выпрямительные агрегаты ВАКЛЕ имели номинальный выходной ток 1000 А, 2000 А и, в редких случаях, 3000 А.

Трансформатор агрегата питается напряжением 6/10 кВ и на выходе имеет номинальное переменное напряжение в 565 В. Применяющиеся на тяговых подстанциях трансформаторы обычно имеют вторичную обмотку типа «звезда-обратная звезда» с уравнительным реактором, поэтому на выходе получается шестифазная система напряжения. Реактор соединяет нейтрали звёзд и имеет вывод со своей средней точки. Этот вывод — отрицательный полюс системы постоянного напряжения, поэтому он сразу подключается к РУ отрицательной полярности.

Трансформаторы современных агрегатов могут иметь и другие схемы вторичной обмотки (звезда, треугольник), так как что связано с применением более совершенных выпрямителей, например В-ТПЕД.

Выпрямитель ВАКЛЕ состоит из одного или нескольких блоков БВКЛЕ (номиналом 1000 А). Схема выпрямителя представляет из себя двойную схему Миткевича. Выпрямленный ток имеет шестипульсную форму. Выход выпрямителя имеет положительный потенциал и подключается к РУ положительной полярности.

До 1970-х гг. широко использовались ртутные выпрямители

Распределительное устройство постоянного тока[править | править вики-текст]

Распределительное устройство (РУ) постоянного тока имеет две отдельных части РУ положительной шины (ПШ) и РУ отрицательной шины (ОШ).

РУ ПШ, как правило, имеет две шины, рабочую и запасную. На подстанциях большой мощности рабочая шина может быть разделена на секции, для повышения надёжности и ремонтопригодности.

Рабочая шина РУ ПШ получает питание от выпрямителей через коммутационные аппараты: автоматический быстродействующий выключатель (катодный автомат) и шинный разъединитель.

К рабочей шине через автоматический выключатель подключается запасная шина РУ ПШ. Иногда запасная шина может иметь и дополнительное подключение непосредственно от агрегата (в обход рабочей шины).

РУ ОШ подключается к нулевым точкам трансформаторов (при схеме «звезда-обратная звезда») либо к анодам выпрямителей (на современных агрегатах) через шинные разъединители. Автоматика, как правило отсутствует.

ОШ может заземляться через балластное сопротивление, это актуально для троллейбусных подстанций, так как у трамвайных подстанций это происходит естественным путём через рельсы. При незаземлённом «минусе» система называется изолированной, она позволяет сохранять работоспособность в случае безопасных замыканий на землю одного из полюсов.

Фидеры[править | править вики-текст]

Фидеры (присоединения, выводы) используются для подключения контактной сети к РУ постоянного тока. Выполняются в виде подземных, надземных кабельных линий или ВЛ.

Количество фидеров определяется мощностью подстанции и разветвлённость сети в зоне энергоснабжения и может колебаться от одного-двух (в децентрализованных системах) до десятка (в централизованных).

Фидер положительной полярности подключается к РУ ПШ через устройство переключателя запасной шины (ПЗШ). ПЗШ имеет два положения рабочее и запасное, при которых соответственно фидер подключается к рабочей шине через линейный автомат (быстродействующий токоограничивающий выключатель) либо к запасной (без автомата). Такая система позволяет выводить для обслуживания линейный автомат без длительного отключения питания фидера, что происходит очень часто.

Фидер отрицательной полярности подключается РУ ОШ лишь через разъединитель.

Тяговые подстанции метрополитена[править | править вики-текст]

Тяговые подстанции метрополитена в основном не отличаются от тяговых подстанций трамваев и троллейбусов, с той лишь разницей, что выходное напряжение на шинах составляет 825 В.

Тяговые подстанции в истории и культуре[править | править вики-текст]

Тяговая подстанция № 11 «Горэлектротранс» в Санкт-Петербурге по адресу наб. реки Фонтанки, 3а. Архитектор Р. И. Коханова

Тяговая подстанция № 11, известная как «Блокадная подстанция», расположена по адресу: Санкт-Петербург, набережная реки Фонтанки, 3, лит. А. На здании размещается мемориальная доска «Подвигу трамвайщиков блокадного Ленинграда. После суровой зимы 1941—1942 года эта тяговая подстанция дала энергию в сеть и обеспечила движение возрожденного трамвая».

16 декабря 2010 года Совет по сохранению культурного наследия Санкт-Петербурга одобрил большинством голосов снос здания ради строительства гостиницы[1].

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. — М.: Транспорт, 1997. — 79 с.
  • Бей Ю.М., Мамошин Р.Р., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г.  Тяговые подстанции: Учебник для вузов ж.д. транспорта.  —  М.: Транспорт, 1986.  — 319 с.
  • Загайнов Н. А., Финкельштейн Б. С. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса. — издание третье, переработанное и дополненное. — М.: Транспорт, 1978. — 336 с. — 7000 экз.
  • Штин  А.Н., Несенюк Т.А.  Проектирование  тяговых  и  трансформаторных подстанций. — Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2014. — 88 с.
  • Ю.И.Ефименко, М. М.Уздин, В. И. Ковалев и др. Общий курс железных дорог: Учеб. пособие для учреждений сред. проф. образования - М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 256 с.- 5100 экз.