Классификация и структурные схемы тяговых
подстанций электрических железных дорог
Классифицировать тяговую подстанцию это значит словесно описать ее
наиболее характерные схемные и конструктивные особенности. Принято
классифицировать тяговые подстанции по следующим признакам:
- напряжению и роду тока (постоянный или переменный), при которых
энергия от тяговой подстанции поступает к электрическим поездам;
- первичному напряжению, т. е. напряжению в линии электропередачи, к
которой подключена тяговая подстанция со стороны системы внешнего
электроснабжения;
- схеме присоединения тяговой подстанции к системе внешнего
электроснабжения;
- способу обслуживания тяговой подстанции;
- способу управления оборудованием тяговой подстанции, а также по
другим, не названным выше признакам, если указание на них целесообразно.
По первому признаку различают тяговые подстанции: постоянного тока
напряжением 3,3 кВ; переменного тока напряжением 25 кВ;
переменного тока напряжением 2x25 кВ и
постоянно-переменного тока (стыковые), обслуживающие участки двух систем
тяги в месте их стыковки.
Подстанции постоянного тока
используют первичное напряжение классов 6-10-35-110 и 220 кВ,
переменного - 110 и 220 кВ.
К системе внешнего
электроснабжения тяговые подстанции могут присоединяться по различным
схемам. Подстанции, присоединяемые по схемам, приведенным на рис. 5.4,
а, б
и в, называют промежуточными, по схеме на рис.
5.4,г - опорными. В свою очередь, промежуточные подстанции разделяются
на промежуточные транзитные (рис. 5.4,а,б) и промежуточными на
ответвлениях (рис. 5.4,в). Особенность присоединения подстанции
непременно отражается на схеме самой подстанции, о чем будет сказано
далее.
По способу обслуживания тяговые подстанции делятся на подстанции без
дежурного персонала, с дежурством на дому и с постоянным дежурным
персоналом. По системе управления различают: телеуправляемые подстанции,
т.е. такие, оборудование которых может включать и отключать диспетчер,
используя систему телеуправления и находясь при этом на значительном
расстоянии от подстанции (100 -250 км); без телеуправления, т.е. такие,
для управления которыми нужно быть непосредственно на тяговой
подстанции.
Попробуем далее классифицировать тяговые подстанции на примере описания
их структурных схем. Структурными называют схемы, показывающие принцип
выполнения электроустановки на уровне крупных функциональных узлов -
структур. Одним из наиболее важных функциональных узлов любой
подстанции, в том числе тяговой, является распределительное устройство (РУ).
Назначение РУ состоит в приеме электрической энергии от какого-либо
источника по специальным линиям (вводам) и распределение ее по
потребителям с помощью отходящих питающих линий.
Другой, не менее важный функциональный узел подстанции -трансформатор.
Различают понижающие трансформаторы, назначение которых сводится к
понижению напряжения, и преобразовательные трансформаторы, назначение
которых состоит в понижении напряжения и, при необходимости,
одновременно в увеличении числа фаз на вторичной обмотке.
Преобразовательные трансформаторы питают выпрямители и инверторы.
Последние также можно рассматривать как отдельные функциональные узлы.
Выпрямители преобразуют (выпрямляют) переменный ток, на котором энергия
поступает к выпрямителю, в постоянный, на котором она затем используется
электрическими поездами. Инверторы выполняют обратное преобразование
(инвертирование) энергии постоянного тока, вырабатываемой э.п.с. во
время торможения у станций или на крутых спусках, в энергию переменного
тока, на котором она через преобразовательный трансформатор возвращается
в систему внешнего электроснабжения.
Другие функциональные узлы, специфические для отдельных видов тяговых
подстанций, будут понятны из рассмотрения структурных схем.
Структурная схема промежуточной тяговой подстанции постоянного тока 3,3
кВ с первичным напряжением 110 (220) кВ и РУ 35 кВ для питания района.
Вводы, питающие линии и другие присоединения обозначены арабскими
цифрами. Через вводы 1 трехфазное напряжение 110(220) кВ, передаваемое
по трем проводам, подается в РУ 110 (220) кВ I, откуда по присоединениям
2 - к понижающим трансформаторам II. Эти трансформаторы трехобмоточные,
поэтому обмотками вн и нн они понижают первичное напряжение до 10 кВ, а
обмотками вн и сн - до 35 кВ. Через вводы 5 напряжение 10 кВ поступает в
РУ 10 кВ IV, а через вводы 3 напряжение 35 кВ - в РУ 35 кВ III. По
питающим линиям 4 напряжение 35 кВ подается в РУ 35 кВ трансформаторных
подстанций района (на схеме не показаны), по линиям 6 напряжение 10 кВ
подается от РУ 10 кВ IV для
питания нетяговых железнодорожных потребителей.
Линии обычно размещаются с полевой стороны на опорах контактной сети
(см. рис. 5.1).
По присоединениям 7 от того же РУ 10 кВ получают трехфазное напряжение
преобразовательные трансформаторы V. Они понижают напряжение до 1,52 кВ.
Это напряжение подается на выпрямители VI, которые преобразовывают его в
напряжение постоянного тока 3,3 кВ. Поэтому от выпрямителей в РУ 3,3 кВ
VII идут уже всего два провода (две шины): 9 и 10. Потенциал шины 9 выше
(он обозначен знаком +), шины 10 ниже (он обозначен знаком -), а
разность потенциалов между шинами (напряжение) составляет 3,3 кВ.
Через РУ 3,3 кВ и питающую линию (фидер) контактной сети 11 потенциал
шины 9 (+) подается на участок контактной сети 17, а через сглаживающее
устройство VIII и рельсовый фидер 21 потенциал шины 10 (-) - на рельсы
20.
Несколько слов о сглаживающем устройстве VIII. Оно предназначено для
резкого (в 50-100 раз) снижения пульсаций тока в тяговой сети, которые
возникали бы под действием пульсирующего, не идеально сглаженного
напряжения на выходе выпрямителя VI и наводили помехи в линии проводной
связи, проходящей параллельно трассе железной дороги.
На другие участки контактной сети потенциал шины 9 (+) подается через
фидеры контактной сети 12, 13, 14. Соседние участки по одному пути
разделены воздушным промежутком 18. Заметим, что собственно схема
тяговой подстанции кончается там, где на рис. 5.5 проходит штриховая
линия (ниже РУ 3,3 кВ).
Таким образом, между любым участком контактной сети и рельсами разность
потенциалов (напряжение) в зависимости от величины тяговой нагрузки
подстанции составляет величину 2.7 - 3,3 кВ. Это дает возможность
машинисту э.п.с. 19, подключив двигатели, собрать замкнутую цепь тока.
При этом двигатели начнут потреблять электрическую энергию, превращая ее
в механическую энергию движения поезда.
Напомним, что электрическую энергию вырабатывают генераторы
электрических станций системы внешнего электроснабжения, откуда она
передается сначала через ЛЭП и районные подстанции системы внешнего
электроснабжения, а затем уже через тяговую подстанцию и тяговую сеть к
э.п.с. 19. В соответствии с общими закономерностями передача
электрической энергии сопровождается потерями во всех звеньях тракта
передачи: от источника до потребителя. Это означает, что если
потребитель (в нашем случае э.п.с. 19) получил за некоторое время АЭ
кВтч энергии, то электрические станции системы должны выработать за это
же время А= А э П п кВт-ч активной энергии, где п - коэффициент
полезного действия тракта передачи энергии.
Существенно и другое: одновременно с активной энергией А, кВт-ч, станции
должны за это же время выработать еще и реактивную энергию АР, квар-ч,
не производящую работы и лишь загружающую систему протеканием тока. Эта
энергия определяется индуктивностью тракта передачи и свойствами
потребителей активной энергии. Без потребления
реактивной энергии не может работать ни один преобразовательный агрегат,
под которым понимают выпрямитель и преобразовательный трансформатор,
взятые как единое целое.
Для полного понимания процессов преобразования энергии в схеме
рассматриваемой тяговой подстанции необходимо обратить внимание на
следующее: между истинными источниками электрической энергии
-электрическими станциями и э.п.с. 19 существует несколько
гальванически, т.е. электрически разделенных, но магнитосвязанных
контуров тока, в каждом из которых существуют свой формальный источник
энергии и формальный потребитель энергии. При этом все формальные
источники и потребители энергии обладают признаками истинных. В
рассматриваемой схеме таких контуров три.
Первый - контур постоянного тока 3,3 кВ. Формальный источник энергии:
выпрямители VI совместно с обмотками нн преобразовательных
трансформаторов. Формальный потребитель, он же истинный - э.п.с. 19.
Цепь тока (в соответствии с принятым положительным направлением тока
электровоза 1Э, указанным стрелкой) замыкается последовательно: нн V - 8
- V - 9 - VII - 11 - 17 - 19 - 20 - 21 - VIII - 1 - 15 - VII - VI - нн
V. Измерениями можно установить, что наибольшее падение напряжения в
этом контуре приходится на э.п.с. Это означает, что э.п.с. потребляет и
основную долю энергии, расходуемую в этом контуре, где она в основном
преобразуется в электрическую энергию движения поезда и лишь частично
теряется в виде тепла.
Второй - контур трехфазного переменного тока 10 кВ. Формальный источник
энергии: обмотки нн трансформаторов II. Формальный
потребитель: обмотки вн преобразовательных трансформаторов V. Токи
протекают по трем проводам (фазам) рассматриваемого контура. Наибольшая
доля активной составляющей падения напряжения приходится на обмотки вн
трансформаторов V, что и дает право считать их потребителем энергии.
Закономерная особенность двух рассмотренных магнитосвязанных контуров
состоит в том, что разделяющий их элемент -преобразовательные
трансформаторы V - является одновременно источником энергии в первом
контуре и потребителем - во втором. Это имеет физическое объяснение:
только потребив большую часть энергий во втором контуре, можно
обеспечить экономичную ее передачу э.п.с. 19 в первом.
Третий - контур переменного тока 110(220) кВ (приведен на рис. 5.5
частично). Формальный потребитель: обмотки вн понижающих
трансформаторов II. Формальный источник на схеме не показан и находится
в системе внешнего электроснабжения. Вернее всего, это вторичные обмотки
понижающих трансформаторов районных подстанций или же обмотки повышающих
трансформаторов электрической станции. Значит, рассматриваемый третий
контур не является последним и до
истинного источника электрической энергии -
генераторов электрических станций - еще должен быть как минимум один
магнитосвязанный контур. Наибольшая доля активной составляющей падения
напряжения в контуре приходится на обмотки вн понижающих трансформаторов
II.
Тяговая подстанция постоянного тока (рис. 5.6). Подстанция имеет ту же
структурную схему, что и на рис. 5.5, порядок обозначения структур
сохранен. В левой верхней части рисунка видно РУ 110 кВ /, в котором
размещено пока незнакомое нам оборудование. Среди него выделим
выключатель 41, разъединители 39 и 43, отделитель 46 и разрядник 42. Все
эти элементы обеспечивают нормальное функционирование распределительного
устройства данного типа. По трем проводам присоединения 2, находящимся
между изоляторами 116, укрепленными на порталах 115 РУ, и изоляторами
126 на порталах 127, подается напряжение на понижающие трансформаторы
//. От каждого понижающего трансформатора отходит ввод 5 в РУ 10 кВ IV,
которое расположено внутри здания подстанции 132, у его левой стены, и
видно на рис. 5.6 благодаря условно снятой крыше здания тяговой
подстанции.
Основная коммутационная аппаратура в ячейках РУ 10 и 3,3 кВ (IV и VII) -
выключатели и разъединители - будет рассмотрена более подробно в разделе
5.3. настоящего учебника. В нижнем правом углу здания тяговой подстанции
и в пристройке снаружи VIII размещено сглаживающее устройство. Из здания
подстанции фидерами 11-14 и рельсовым фидером 21 выпрямленное напряжение
постоянного тока 3,3 кВ подается в тяговую сеть. РУ 35 кВ тяговой
подстанции /// смонтировано в левой части ее территории и выполнено из
стандартных блоков 109, объединенных системой сборных шин 110. Шины
закреплены между поперечинами 113, укрепленными на опорах 11, и
изолированы от последних гирляндами изоляторов 112. РУ 35 кВ получает
питание по вводам 3 через блок ввода 125 и линию 119 от тех же
понижающих трансформаторов II. Блоки РУ 35 кВ выполнены открытыми,
поэтому в начале и конце блока отходящей линии 109, питающей районные
потребители, ясно просматриваются разъединители 22 и выключатели 24.
Сравнительное масштабное сопоставление элементов территории тяговой
подстанции можно провести, взяв за базу отсчета длину вагона масляного
хозяйства 121 (20 м), вводимого на территорию тяговой подстанции, или же
рост человека (1,8 м).
Рис. 5.6. Тяговая подстанция постоянного тока
Кроме рассмотренных, на рисунке видны и другие
элементы конструкции тяговой подстанции: рама РУ 110 кВ, состоящая из
опор 103 и поперечин 104, 108, отдельно стоящие опоры с громоотводами
(диверторами) 133 и др.
Структурная схема опорной тяговой подстанции переменного тока 25 кВ с
первичным напряжением 110(220) кВ и РУ 10 кВ для питания района (рис.
5.7). Основные функциональные узлы тяговой подстанции: I - РУ 1 10(220)
кВ; II — понижающие трансформаторы; III — РУ 10 кВ; IV— РУ 25 кВ.
По вводам 1 трехфазное напряжение 110(220) кВ подается в РУ 110(220) кВ.
Это РУ имеет более сложную схему и конструкцию, чем РУ такого же
напряжения на рис. 5.6, так как оно предназначено для приема и
распределения энергии, которая может поступать сразу по четырем вводам.
По присоединениям 2 трехфазное напряжение от РУ 110 (220) кВ подводится
к трехобмоточным понижающим трансформаторам II, которые обмотками вн и
сн понижают первичное напряжение до 25 кВ, а обмотками вн и нн - до 10
кВ. Напряжение 25 кВ используется для питания э. п. с., а 10 кВ -
района. Последнее от трансформаторов II подводится по вводам 3 к РУ 10
кВ тяговой подстанции III, откуда по питающим линиям 4 к
трансформаторным подстанциям потребителей района (на схеме не
показаны).
Подвод напряжения 25 кВ к участкам тяговой сети слева и справа от
подстанции обеспечивается через РУ25 кВ IV по фидерам контактной сети 8
(фаза а), 9 (фаза b) и рельсовому фидеру 6 (фаза с). На участок тяговой
сети слева от подстанции (между контактной сетью 15 и рельсами 22)
подается однофазное напряжение Ua-c = 25 кВ (эффективное значение), а на
участок справа (между контактной сетью 19 и рельсами 22) -
однофазное напряжение Ua-b также с эффективным
значением 25 кВ. Из-за разницы фаз напряжений между участками контактной
сети слева 15 и справа 19 они разделены нейтральной вставкой 17. От РУ
25 кВ через двухфазные фидеры 7 и 10 подается напряжение также и в линии
ДПР, соответственно слева 13 и справа 14, используемые для питания
нетяговых потребителей 20 и 21.
Потребление энергии э.п.с. 23 начинается после подключения его цепей
между контактной сетью 19 и рельсами 22. При этом энергия от истинного
источника электрической '' энергии - электрических станций
(на схеме не показаны) - до истинного потребителя - э.п.с. 23
-передается последовательно через несколько магнитосвязанных, но
гальванически разделенных контуров тока, в каждом из которых существует
свой формальный источник и формальный потребитель энергии. В пределах от
вводов I и до поезда 23 два таких контура.
Первый - контур переменного тягового тока 25 кВ. Формальный источник
энергии - обмотки сн трансформатора. Формальный потребитель, он же
истинный - э.п.с. 23. Тяговый ток замыкается по контуру сн II - 5 - IV -
9 - 19 - 23 - 22 - 6 - IV - 5 - сн II. Максимальная доля активной
составляющей падения напряжения приходится на э.п.с. 23.
Второй - контур переменного тока 110(220) кВ. Формальный потребитель -
обмотки вн трансформатора II. Формальный источник на рисунке не показан,
но вероятнее всего это обмотки понижающих трансформаторов районных
подстанций или же обмотки повышающих трансформаторов электрической
станции. Значит, рассматриваемый второй контур не является последним и
до истинного источника -генераторов электрических станций - еще должен
быть, как минимум, один контур.
Максимальная доля активной составляющей падения напряжения во втором
контуре приходится на фиктивный потребитель - обмотки вн трансформатора
//. Нетрудно видеть, что и в данном случае формальный источник энергии в
первом контуре - трансформатор // - является потребителем во втором
контуре. Объяснение этому дано выше при рассмотрении схемы подстанции
постоянного тока. Следует заметить, что схема тяговой подстанции
кончается там, где на рис. 5.7 проходит штриховая линия.
На рис.5.7 показана схема питания через фидеры 9, 10 и рельсовый фидер
13 тяговой сети первого пути железной дороги. Аналогичным образом через
фидеры 11, 12 и рельсовый фидер 13 питается тяговая сеть второго пути
(на схеме не показан).
Структурная схема промежуточной тяговой подстанции переменного тока 2x25
кВ с первичным напряжением 110(220) кВ.
Отключение из-за неисправности любого из
трансформаторов II или III нарушает систему напряжений РУ 2x25 кВ (см.
рис. 5.9). При этом лишаются питания поезда одной из зон (слева или
справа от подстанции) и все нетяговые потребители (и слева, и справа).
Чтобы исключить такую неприятную возможность, на подстанции имеется
третий, резервный трансформатор IV, который через питающую линию 7 может
получать от РУ 110(220) кВ I или напряжение
UCA как трансформатор II, или напряжение UAB
как трансформатор III и подводить к РУ 2x25 кВ напряжения, совпадающие
по фазе с напряжениями, подводимыми трансформаторами II и III. Для
осуществления этого в РУ 110(220) кВ I и в РУ 2x25 кВ V имеются
соответствующие системы переключений. Поскольку напряжение между
участками тяговой и питающей сетей слева 21 и 29 и справа 25 и 31 от
тяговой подстанции различно (см. рис. 5.9), они отделены друг от друга
воздушными промежутками 22 и 24, нейтральной вставкой 23 и промежутком
30. Электроснабжение районных потребителей осуществляется от РУ VII по
питающим линиям 9. Напряжение в РУ VII подается по вводам 10 от
специального трансформатора VI, подключенного к РУ 25 кВ V проводами II.
Следует заметить, что схема тяговой подстанции кончается там, где на
рис. 5.8 проходит штриховая линия.
Как и в рассмотренных выше структурных схемах тяговой подстанции (см.
рис. 5.5 и 5.7), в схеме на рис. 5.8 между истинным потребителем
электрической энергии - э.п.с. 27 - и истинным источником - генераторами
электрических станций (на схеме не показаны) - существует несколько
гальванически разделенных, но магнитосвязанных контуров тока, в каждом
из которых имеются свой формальный источник и потребитель энергии.
