Тяговое электроснабжение

Системы тягового электроснабжения

Для обеспечения электроподвижного состава энергией создается система тягового электроснабжения, в которую входят тяговые сети и тяговые подстанции. Системы тягового электроснабжения классифицируются по роду и частоте тока, номинальному напряжению на токоприемниках эксплуатируемого электроподвижного состава.
Получаемая в системе тягового электроснабжения электроэнергия расходуется в основном на тягу, а также используется для питания различных технических средств и электроустановок, принадлежащих службам дорог, дистанциям, депо и другим производственным подразделениям (см. Нетяговые потребители).
В основном для передачи электроэнергии на электроподвижной состав используется контактный провод и реже контактный (третий) рельс, в частности на первом электрифицированном участке Балтимор-Огайо (США), на некоторых городских ж. д., метрополитенах. Вначале электрификация ж.д. осуществлялась по системе постоянного тока, совершенствование которой в дальнейшем сводилось к повышению напряжения в контактной сети: 650 В на участке Балтимор-Огайо; 1200 В – на пригородной линии Баку-Сабунчи-Сураханы (1926 г., Азербайджан, быв. СССР); 1200 и 1500 В в 20-х гг. 20 в. на ж. д. Англии, Франции; 1500 (1650) В – на пригородных участках и 3000 (3300) В на первом магистральном ж.-д. участке в России. Впоследствии в основном использовалось напряжение 3000 (3300) В. Однако при таком напряжении стоимость тягового электроснабжения на постоянном токе велика, что объясняется необходимостью иметь большую площадь сечения проводов контактной сети, располагать тяговые подстанции на расстоянии 20-25 км одна от другой. Была сделана попытка повысить напряжение до 6000 В (опытный участок Гори-Цхинвали на Закавказской железной дороге, быв. СССР), исследовалась возможность использования напряжения 12-20 кВ (Россия, Польша, Италия).
В системе тяги на переменном токе, которая возникла в начале 20 в., напряжение в контактной сети значительно выше. В ряде стран применяют для тяги ток пониженной частоты: 162/з Гц при напряжении 15 кВ (ж. д. Германии, Швейцарии, Австрии, Швеции, Норвегии) и 25 Гц (США) при 11 кВ. Широкое применение получила система переменного тока промышленной (50 и 60 Гц) частоты напряжением 25 кВ (Россия и другие страны СНГ, Великобритания, Франция, Испания, Япония, ЮАР и др.) и ее разновидность – автотрансформаторная система 2×25 кВ.
Там, где стыкуются электрифицированные ж.-д. линии с разными системами тягового электроснабжения, используют многосистемный ЭПС либо сооружают станции стыкования.
Созданию системы электроснабжения предшествуют электрические расчеты, целью которых является: определение необходимого числа тяговых подстанций и их рациональное размещение; определение параметров контактной сети (марки и площади сечения проводов, способы подвешивания, выбор типа опор и поперечин и т.д.); оценка пропускной способности ж. д. по устройствам тягового электроснабжения; исследования режимов напряжения на токоприемниках ЭПС и взаимодействия их с контактной сетью, т. е. условия токосъема. Рассматриваются вопросы защиты сетей от токов короткого замыкания (КЗ),
повышения качества электроэнергии, защиты от блуждающих токов, предотвращения мешающего влияния тягового электроснабжения на работу смежных линий и устройств и др.

Тяговые подстанции

На магистральных железных дорогах в системах тягового электроснабжения используются тяговые подстанции (ТПС) – электроустановки, обеспечивающие преобразование электроэнергии и питание тяговых сетей, нетяговых ж.-д. потребителей и потребителей района, прилегающего к железной дороге. Тяговые подстанции различают по следующим признакам: по обслуживаемой системе электрической тяги – подстанции переменного тока, постоянного тока и стыковые; по способу управления – телеуправляемые и нетелеуправляемые; по способу обслуживания – с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, без дежурного персонала; по конструктивному исполнению – стационарные, в т. ч. комплектно-блочные, и передвижные; по способу присоединения к сети внешнего электроснабжения и назначению – опорные и промежуточные.
Внешнее электроснабжение тяговых подстанций осуществляется, как правило, от двух независимых источников, т. к. электрифицированная ж. д. относится к потребителям 1-й категории. Допускается радиальное питание тяговой подстанции от одного источника по двум ЛЭП, которые могут иметь напряжение; 10; 35; НО; 150 и 220 кВ. Линии электропередачи соединяют сеть внешнего электроснабжения с распределительными устройствами (РУ) тяговых подстанций.

Распределительные устройства

Распределительные устройства на ТПС выполняют открытыми (ОРУ), расположенными на открытой площадке, или закрытыми (ЗРУ), размещенными в здании. Закрытые РУ более надежны, удобны в обслуживании, безопасны; однако их стоимость на 10-25% выше стоимости соответствующих открытых. РУ 35, НО и 220 кВ на всех тяговых подстанциях обычно выполняют открытыми. На ТПС постоянного тока закрытыми выполняют РУ 3,3 и 10 кВ, на ТПС переменного тока – только РУ собственных нужд.
В открытом РУ ПО или 220 кВ опорной подстанции (рис. 8.3) применяется двойная или одинарная (секционированная или несек-ционированная) система сборных шин с обходными шинами или без них. В случае присоединения к РУ ПО или 220 кВ более пяти питающих ЛЭП его выполняют с двойной системой рабочих шин и обходными шинами, при пяти и менее питающих ЛЭП – с одинарной системой секционированных сборных шин и обходными шинами. В зависимости от вида тяговой подстанции РУ первичного электроснабжения имеет высоковольтные выключатели в каждом присоединении, либо одновременно высоковольтные выключатели, отделители и короткозамыкатели, либо отделители и короткозамыкатели. На опорных ТПС обычно в каждом присоединении к ЛЭП установлен высоковольтный выключатель. Иногда понижающие трансформаторы тяговой подстанции (Tl, Т2) присоединяют к сборным шинам быстродействующими отделителями. В этом случае при повреждении любого из трансформаторов релейная защита отключает линии, присоединяющие ЛЭП к секции сборных шин поврежденного трансформатора, и секционный выключатель РУ 110-220 кВ. После этого в бестоковую паузу отключают отделитель, т. е. локализуют поврежденный трансформатор, а затем включают по АПВ (устройство автоматического повторного включения) выключатели питающих линий и секционный выключатель.

Опорные тяговые подстанции

Опорные тяговые подстанции, получающие питание по трем и более ЛЭП, сооружают через 150-200 или 250-300 км при напряжении питающих ЛЭП соответственно НО или 220 кВ; наличие таких подстанций снижает потери напряжения в сетях внешнего электроснабжения и повышает надежность электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Тяговые подстанции переменного тока

Тяговые подстанции переменного тока напряжением 27,5 кВ и 2×25 кВ получают питание от сети внешнего электроснабжения 110 или 220 кВ. На ТПС 27,5 кВ (рис. 8.4, a) для преобразования трехфазного переменного тока напряжением 110 (220) кВ в однофазный 27,5 кВ преимущественно применяют трехфазные трехобмоточные трансформаторы. Тяговая обмотка такого трансформатора напряжением 27,5 кВ соединена по схеме треугольника, от двух вершин которого напряжение подается в контактную сеть, а третья присоединяется к тяговой рельсовой сети. От другой обмотки, выполненной на напряжения 6 (10) кВ или 35 кВ, получают питание районные потребители. От РУ 27,5 кВ подается питание в тяговую сеть, нетяговым ж.-д. потребителям по линиям ДПР (два провода-рельс), к трансформаторам собственных нужд, фидерам плавки гололеда на ЛЭП НО или 220 кВ; на ряде тяговых подстанций в РУ 27,5 кВ применяют устройства поперечной емкостной компенсации. На ТПС переменного тока (кроме стыковых подстанций и совмещенных с подстанциями энергосистем) РУ 27,5 кВ имеет двухфазную рабочую систему сборных шин, третья фаза понижающего трансформатора подключена к контуру заземления ТПС и рельсам подъездного пути, соединенным с воздушной отсасывающей линией. На тяговых подстанциях заземляется фаза «С» обмотки 27,5 кВ понижающего трансформатора, что учитывается схемой фазировки подстанций. На вновь сооружаемых и реконструируемых тяговых подстанциях в РУ 6; 10; 27,5 и 35 кВ применяют вакуумные выключатели.

На ТПС системы электроснабжения 2×25 кВ (рис. 8.4,6) устанавливают однофазные трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения, понижающие напряжение ПО или 220 кВ (сеть внешнего электроснабжения) до 55 кВ.
Обмотки высшего напряжения этих трансформаторов соединены по схеме открытого треугольника. Обмотки для питания тяги имеют по три вывода. Напряжение между крайними выводами составляют 55 кВ, между крайними и средними – 27,5 кВ. Средние выводы обмоток трансформаторов электрически объединены и присоединены к тяговому рельсу, крайние – к РУ 2×25 кВ открытого исполнения, содержащему четыре рабочие и две запасные (обходные) шины. От рабочих шин РУ 2 х 25 кВ, соединяемых с крайними выводами тяговой обмотки трансформатора, отходят фидеры контактной сети.
Как правило, на всех ТПС переменного тока 2 х 25 кВ кроме двух рабочих трансформаторов устанавливают третий (резервный) трансформатор. Для питания районных потребителей предусматриваются отдельные трехфазные трансформаторы, преобразующие напряжение 110 и 220 кВ в напряжение 6 (10) или 35 кВ.
Распределительные устройства 27,5 кВ и 2 х 25 кВ сооружают индустриальными методами с применением блоков КРУН или комплектно-блочных устройств.

Промежуточные тяговые подстанции

Промежуточные тяговые подстанции получают питание по двум вводам. По способу присоединения к сети внешнего электроснабжения такие подстанции могут быть транзитными или отпаечными (на ответвлениях). Транзитные подстанции включают в рассечку одной цепи ЛЭП 110 или 220 кВ; при этом на подстанции устанавливают секционный высоковольтный выключатель и ремонтную перемычку, включаемую на время ревизии или ремонта секционного выключателя для сохранения транзита мощности. Для защиты понижающих трансформаторов применяют на стороне высшего напряжения высоковольтные выключатели либо быстродействующие отделители с короткозамыкателями. Концевая тяговая подстанция (тупиковая) получает питание по двум радиальным линиям 6, 10, 35 кВ или по двум ЛЭП НО или 220 кВ от другой (тяговой или районной) подстанции.
Открытые РУ ПО или 220 кВ промежуточных ТПС выполняются рамной конструкции. Опоры порталов гибкой ошиновки связывают металлическими поперечинами, образуя жесткие рамы, на которых размещается оборудование ОРУ, за исключением высоковольтных выключателей, устанавливаемых на отдельных фундаментах. На ряде промежуточных подстанций оборудование ОРУ 220 кВ (кроме высоковольтных выключателей) установлено на бесфундаментных конструкциях, что позволяет сократить объем земляных работ на 90%. На опорных подстанциях оборудование РУ ПО или 220 кВ устанавливают на отдельных конструкциях
с фундаментами (заглубленными либо поверхностными). РУ 110 или 220 кВ транзитных ТПС выполняют по мостиковой схеме с рабочей и ремонтной перемычками, а отпаеч-ных и тупиковых тяговых подстанций – по аналогичной схеме, но с разъединителями вместо выключателя в рабочей перемычке и без ремонтной перемычки. РУ 35 кВ предназначены для питания районных потребителей и фидеров плавки гололеда на ЛЭП НО или 220 кВ. РУ 6 (10) или 35 кВ выполняют, как правило, с одинарной, секционированной выключателем, системой сборных шин. Для этих РУ применяют шкафы наружной установки типа КРУН, либо функциональные модули РУ 6 или 10 кВ комплектно-блочных тяговых подстанций, либо блоки КРУН 35 кВ. От РУ 6 или 10 кВ, кроме районных потребителей, могут получать питание трансформаторы собственных нужд подстанций переменного тока.

Тяговые подстанции постоянного тока

Тяговые подстанции постоянного тока, получающие питание от ЛЭП 110 или 220 кВ, выполняют с двойной или одинарной трансформацией напряжения (рис. 8.4,в): сначала его понижают промежуточные трех-обмоточные трансформаторы Т1 до 10 или 6 кВ, а затем трансформаторы Т2 преобразовательных агрегатов – до 3,3 кВ. От третьей обмотки трехобмоточных трансформаторов обычно подается напряжение 35 кВ для питания районных нетяговых потребителей. При питании ТПС от ЛЭП 6; 10 и 35 кВ осуществляется одиночная трансформация напряжения (рис. 8.4,г) до 3,3 кВ. В этом случае от РУ 35 кВ могут также получать питание районные и другие нетяговые потребители, а иногда от них подается питание на смежные ТПС.
РУ 3,3 кВ ТПС постоянного тока содержит две плюсовые (рабочую и запасную) и минусовую шины. На фидерах контактной сети применяют поляризованные выключатели, но чаще неполяризованные быстродействующие автоматические (особенно на вновь сооружаемых и реконструируемых ТПС), что позволяет обеспечить более эффективное отключение цепей при коротких замыканиях в контактной сети. РУ 3,3 кВ, размещаемые в капитальных зданиях, сооружают индустриальными методами. Для этого применяют камеры и ячейки заводского изготовления, в которых установлены разъединители силовой цепи 3,3 кВ, рукоятки управления, измерительные приборы и щиток управления. Ячейки представляют собой сборную конструкцию, состоящую из камеры разъединителей, щита с дверями и ограждения.
Преобразователь тяговой подстанции постоянного тока состоит из преобразовательного трансформатора, выпрямительной или выпрямительно-инверторной установки и вспомогательной аппаратуры – коммутационные аппараты, устройства управления и сигнализации, защиты от токов перегрузки, короткого замыкания, перенапряжений, устройства охлаждения.
Выпрямительные агрегаты, осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный, выполняют на кремниевых силовых диодах (неуправляемых вентилях). На ТПС применяют выпрямители с различными видами охлаждения: УВКЭ-1, ПВЭ-2, ПВЭ-3, ПВК-6 с принудительным воздушным охлаждением, ПВК-2, ПВК-3, ПВЭ-5АУ1 наружной установки с естественным воздушным охлаждением. Наиболее широко применяют преобразователи с естественным воздушным охлаждением в связи с простотой их обслуживания и высокими технико-экономическими показателями. Выпрямительные агрегаты указанных типов собраны по 6-пульсовой (3-фазной) схеме. Для повышения коэффициента мощности, уменьшения высших гармоник токов в напряжении питающей сети, а также в выпрямленном напряжении применяют 12-пульсовые (12-фазные) схемы выпрямления. С этой целью осуществляют параллельное или последовательное соединение двух выпрямителей, выполненных по 3-фазной мостовой схеме.
Выпрямительно-инверторные агрегаты (ВИП) используются для преобразования постоянного тока рекуперации (избыточный ток, возникающий при торможении ЭПС) в переменный, возвращаемый во внешнюю систему электроснабжения. Первый инвертор на тиристорах был выполнен передвижным и введен в работу на Закавказской железной дороге в 1969 г. В дальнейшем были разработаны стационарные выпрямитель-но-инверторные агрегаты ВИПЭ-1 (инвертор и выпрямитель выполнены на тиристорах) и ВИПЭ-2УЗ (инвертор на тиристорах, выпрямитель на диодах). Выпрямитель или инвертор в зависимости от режима работы, который задается датчиком переключения, подключается к шинам ТПС быстродействующими выключателями, которые одновременно обеспечивают защиту агрегата при перегрузках, коротких замыканиях и опрокидываниях. Частые переключения ВИП (40-50 раз в сутки) неблагоприятно сказываются на коммутационной аппаратуре, приводя к различным отказам преобразователя. В связи с этим на базе ВИП-2УЗ был разработан агрегат с бесконтактным переключением режимов (т. н. переключаемый ВИП), управляемый импульсами, подаваемыми на тиристоры.

Стыковые ТПС

Стыковые ТПС обеспечивают попеременную подачу напряжения постоянного или переменного тока в контактную сеть фидерных зон, примыкающих к станциям стыкования. Такие ТПС имеют РУ как постоянного, так и переменного тока, от которых отходят фидеры соответствующего рода тока, передающие электроэнергию в контактную сеть через пункты группировки, где установлены специальные переключатели рода тока. Стыковые ТПС применяются также на участках, электрифицированных на переменном токе по системам 25 кВ и 2 х 25 кВ; их вторичные РУ присоединяют соответственно к обмоткам трехфазного трансформатора напряжением 27,5 кВ или однофазного трансформатора с расщепленной обмоткой 2 х 25 кВ.

Цепи собственных нужд

Цепи собственных нужд на ТПС постоянного и переменного тока получают питание через трансформаторы собственных нужд, от которых напряжение подается в РУ 10 кВ устройств СЦБ, в цепи электрического отопления зданий, в системы подогрева высоковольтных выключателей наружной установки, приточно-вытяжной вентиляции и в зарядно-подзарядные устройства аккумуляторной батареи, а также в сеть внутреннего и наружного освещения подстанции. Часть осветительных приборов получает напряжение от сети аварийного освещения, которая в нормальных условиях питается от трансформаторов собственных нужд, а при исчезновении напряжения на шинах собственных нужд переменного тока автоматически переключается на питание от аккумуляторной батареи, установленной в отдельном помещении. Получили распространение кислотные (открытые, закрытые с пониженными вредными выделениями или герметичные батареи) для питания электромагнитных приводов выключателей, цепей автоматики, управления, защиты, сигнализации и блокировки, телемеханики, сети аварийного освещения. Как правило, они работают в режиме постоянного подзаряда. В ряде случаев применяют комбинированные источники питания, состоящие из аккумуляторной батареи незначительной емкости и емкостного накопителя энергии.

Комплектно-блочные тяговые подстанции

Комплектно-блочные тяговые подстанции представляют собой установки полной заводской готовности. Первые такие ТПС были укомплектованы металлическими блоками заводского изготовления в открытом и закрытом исполнении, в которых было установлено электрооборудование. ОРУ ПО кВ имеет рамную конструкцию; ОРУ 35 кВ выполнено с применением блоков КРУН 35 кВ открытого исполнения с аппаратурой управления, защиты и сигнализации, расположенной в неутепленном металлическом навесном шкафу, РУ 6 и 10 кВ выполнены с применением шкафов КРУН; оборудование РУ 3,3 кВ размещено в закрытых блоках заводского изготовления, причем блоки выполнены в двух вариантах – на один и на два фидера. На отечественных ж. д. первая такая подстанция сооружена в 1965 г. для системы переменного тока на ст. Пады Приволжской железной дороги. Опыт применения первых комплектно-блочных ТПС показал их недостаточную надежность и трудность эксплуатации.
В дальнейшем были созданы ТПС модульного типа полной заводской готовности. Отдельные модули выполнены из антикоррозионных материалов, защищены от атмосферных воздействий, имеют многослойную ограждающую конструкцию.
Внутри модулей размещено смонтированное на предприятии-изготовителе отрегулированное и испытанное электротехническое оборудование и аппаратура. Модули оснащены унифицированными соединительными узлами, позволяющими быстро и надежно вести их сборку по требуемой схеме на строительной площадке. Использование модульных конструкций позволяет при монтаже подстанций сократить затраты труда на производство строительных, электромонтажных и пускона-ладочных работ, обеспечить удобство эксплуатации, не иметь на подстанции постоянного обслуживающего персонала. Минимальный срок ввода в действие составляет 2-3 недели; уменьшаются капитальные и эксплуатационные расходы; размер земельных площадей, отчуждаемых под тяговые подстанции, сокращается в 2-2,5 раза.
Параметры модулей позволяют использовать их на подстанциях любого назначения и любой мощности, а также при сооружении других электроустановок (автотрансформаторных пунктов питания, постов секционирования и т.п.). Комплектно-блочные тяговые подстанции или отдельные функциональные модули могут применяться в качестве резервных при ремонте, модернизации или реконструкции стационарных тяговых подстанций.
Первые комплектно-блочные ТПС постоянного тока, разработанные и изготовленные Научно-исследовательским институтом электрической аппаратуры (НИИЭФА) при участии Октябрьской железной дороги и ЦНИИС, внедрены на участке Волховстрой-Свирь. В состав комплектно-блочной тяговой подстанции с напряжением внешнего электроснабжения 10 кВ могут входить следующие функциональные модули: выпрямительных преобразователей; РУ 10 кВ для СЦБ; РУ 10 кВ; модуль СН (собственных нужд); модули РУ 3,3 кВ; модуль аккумуляторных батарей АБ-15; модуль ДГА; модуль ОПУ; служебно-технические модули. В качестве фундаментов для установки модулей используются ж.-д. рельсовые плети, уложенные на дренирующую подсыпку. Кабельные каналы поверхностного типа из бетонных коробов уложены вдоль обеих сторон ряда модулей.
Комплектно-блочные модульные тяговые подстанции постоянного тока на строительной площадке сооружаются одной бригадой электромонтажников с применением подъемного крана. ТПС могут эксплуатироваться в суровых условиях Крайнего Севера, Сибири и северных районов Европейской части России.

Передвижные тяговые подстанции

Передвижные тяговые подстанции предназначены для обеспечения питания контактной сети электрифицированных ж. д. при выходе из строя стационарных ТПС, а также могут быть использованы для временной замены одного выпрямительного преобразователя или понижающего трансформатора стационарных подстанций при авариях, капитальном ремонте или реконструкции. Их можно устанавливать на перегоне между стационарными тяговыми подстанциями. Передвижные ТПС могут работать самостоятельно и совместно со стационарными ТПС, т.к. укомплектованы всем необходимым силовым оборудованием и соответствующими вторичными устройствами. На дистанциях электроснабжения предусматривается одна передвижная подстанция на шесть-восемь стационарных. Устанавливаемое на платформах оборудование передвижных ТПС должно вписываться в габарит подвижного состава и находиться в постоянной готовности к вводу в действие.
Передвижные ТПС постоянного тока оборудованы полупроводниковыми выпрямительными преобразователями с естественным воздушным охлаждением. Подстанции бывают с первичным напряжением 35 и 10 кВ. Оборудование размещают на трех платформах и в вагоне. На одной (первой) платформе установлены шкаф КРУН 10 кВ ввода с трансформаторами напряжения, трансформатор собственных нужд, разрядник, реактор сглаживающего устройства и разъединитель отсоса. На второй платформе расположены трансформаторы выпрямительных преобразователей, на третьей – полупроводниковый выпрямительный преобразователь. В вагоне находятся оборудование РУ 3,3 кВ, стойки управления и сигнализации, релейной защиты, автоматики и блокировки, контуры сглаживающего устройства, разрядники, линейные разъединители фидеров, а также салон дежурного персонала.
На передвижных ТПС переменного тока на первой платформе установлены отделитель, короткозамыкатель, разрядники, заземляющие разъединители, присоединяемые к двум фазам, однополюсный разъединитель для заземления нулевого вывода понижающего трансформатора. На второй платформе размещен понижающий трансформатор со встроенными трансформаторами тока, на третьей – трехполюсный разъединитель с двумя заземляющими ножами, трансформаторы тока для питания дифференциальной защиты понижающего трансформатора, два фидера контактной сети и один фидер ДПР, трансформатор собственных нужд и два однофазных трансформатора напряжения. В вагоне размещены устройства автоматики, управления, защиты, сигнализации и блокировки, устройства СЦБ и собственных нужд постоянного и переменного тока; аккумуляторная батарея расположена в ящиках под рамой вагона. В вагоне находится также купе-салон на четыре места для обслуживающего персонала. Фаза «С» понижающего трансформатора соединяется с тяговым рельсом шинами или кабелем. Все оборудование подстанции заземлено на металлические рамы подвижного состава.