Что такое тяговая подстанция

Тяговые подстанции

Тяговые подстанции (ТП) являются одним из важнейших устройств системы тягового электроснабжения (СТЭ). Их питание осуществляется от системы внешнего электроснабжения (СВЭ), а потребителем преобразованной электроэнергии является электроподвижной состав (ЭПС) железных дорог. Применяются также тяговые подстанции для питания городского электрического транспорта (ГЭТ) и электропоездов метрополитена.
Тяговая подстанция — электрическая подстанция, предназначенная в основном для питания транспортных средств на электрической тяге через контактную сеть (согласно ПЭЭП). От ТП получают питание и другие железнодорожные нетяговые потребители, а также некоторые районные нежелезнодорожные потребители.
Тяговые подстанции принято классифицировать по ряду признаков (рис. 1). Приведенная на рис. 1 классификация тяговых подстанций может быть дополнена делением подстанций и по ряду других признаков: по способу управления (телеуправляемые и нетелеуправляемые); по способу обслуживания (с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, без дежурного персонала); по возможности перемещения (стационарные и передвижные).
Опорная ТП получает питание от СВЭ по трем и более линиям электропередачи напряжением 110 или 220 кВ.
Промежуточная проходная (транзитная) ТП получает питание по одной линии электропередачи, в рассечку которой она включена, от двух опорных или районных подстанций.
Промежуточная ответвительная (отпаечная) ТП получает питание по двум линиям (или цепям ЛЭП) напряжением 110 или 220 кВ, к которым она присоединена ответвлениями (отпайками).
Концевая (тупиковая) ТП получает питание по двум радиальным линиям от другой тяговой или районной подстанции.
При питании подстанций по одноценной ЛЭП от двух опорных подстанций между ними можно располагать до трех проходных ТП (рис. 2)

Рис. 1. Классификация тяговых подстанций

Рис. 2. Схема питания ТП по одноцепной ЛЭП

Рис. 3. Схемы питания ТП по двухцепной ЛЭП на общих опорах
От двухцепной ЛЭП (при подвешивании обеих цепей на общих опорах) с двусторонним питанием на участках между двумя опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединенных по схеме рис. 3 :
для ЛЭП-220 кВ — не более пяти при электрической тяге как на переменном так и постоянном токе;
для ЛЭП-110 кВ — не более пяти при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.
От двух одноцепных ЛЭП с двусторонним питанием на участке между опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединяемых по схеме рис. 4:
для ЛЭП-220 кВ — не более пяти подстанций при электротяге как на постоянном, так и на переменном токе;
для ЛЭП-110 кВ — не более пяти подстанций при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.
Как видно на схемах рис. 4 часть промежуточных подстанций может присоединяться к ЛЭП ответвлениями. Между двумя проходными (транзитными) подстанциями или между проходной и опорной к ЛЭП может быть подключена только одна ответвительная (отпаечная) подстанция.

Рис. 4. Схемы питания ТП по двум одноцепным ЛЭП
Если все тяговые подстанции электрифицированных железных Дорог принять за 100%, то примерное процентное содержание различных типов ТП следующее: опорных — 20%; проходных — 60%; ответвительных — 15%, концевых — 5%.

Тяговые подстанции служат для приема и преобразования энергии электроэнергетических систем в электроэнергию с необходимыми параметрами для функционирования электрической железной дороги.
В силу выполнения принципа комплексности электрификации, заложенного еще планом ГОЭЛРО, тяговые подстанции помимо основной решают сопутствующую задачу – снабжение электрической энергией прилегающих к ним сельских и промышленных потребителей. Поскольку потребители электроэнергии и, прежде всего, электрическая железная дорога являются ответственными потребителями, то предъявляются повышенные требования к надежности работы тяговых подстанций. Это достигается резервированием наиболее ответственных аппаратов. Тяговые подстанции для систем тяги постоянного тока 3 кВ выполняются, как правило, с двухступенчатой трансформацией понижая напряжения внешней ЛЭП со 110 (35 или 220) кВ до 10 кВ на первой ступени и с 10 до 3.02 (1.05) кВ (в зависимости от схемы выпрямления) на второй ступени. При этом промежуточное напряжение 10 кВ используется для питания, как собственных нужд подстанции, так и для питания районов, прилегающих непосредственно к тяговым подстанциям. Подстанции постоянного тока располагают на расстоянии 10-15 км друг от друга. Меньшее значение соответствует большей грузонапряженности электрической железной дороги. Тяговые подстанции переменного тока выполняют с однократной трансформацией. В общем случае тяговые подстанции выполняются по различным схемам. Наиболее распространенными являются подстанции, структура которых приведена на рис. 1, 42.

Рис. 1. Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 25 кВ

а)
б)
Рис. 2. Возможные структурные схемы тяговых подстанций постоянного тока
РУ -110, РУ – 35, РУ – 27,5, РУ – 10, РУ -6, РУ- 3,3 — распределительные устройства 110, 35, 27,5 10, 6, 3.3 кВ (РУ — 3,3 — постоянного тока); СТ- силовой трансформатор; ПТ – понизительный трансформатор; ТСН – трансформатор собственных нужд; ПА- полупроводниковый агрегат; ТС – тяговая сеть

Тяговые подстанции, питая тяговую сеть, образуют так называемые межподстанционные и подстанционный зоны. Схемы таких образований приведены на рис. 3, 45.

Рис. 3. Схема питания тяговых подстанций от двухцепных линий электропередач

Рис. 4. Схема питания тяговых подстанций от одноцепных ЛЭП
На рис. 3, 44: 1- нейтральная вставка; 2-продольная двухцепная линия электропередач; 3-электроподвижной состав; 4- цепь обратного тока (рельсы); 5- опорная тяговая подстанция; 6-промежуточная тяговая подстанция

Рис. 5. Основные элементы системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ:
1- тяговая подстанция; 2- питающая линия контактной сети (фидер контактной сети); 3- рельсовый фидер (отсос); 4- контактная подвеска; 5- рельсы; 6- нейтральная вставка; ПЗ- подстанционная зона- зона питания одной подстанции ; МЗ- межподстанционная зона — подвеска между двумя смежными подстанциями; ЭПС – электроподвижной состав

На рис. 5 приведены основные элементы системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ. Экономически целесообразным оказывается расстояние между тяговыми подстанциями переменного тока (межподстанциая зона) равное порядка 40…50 км.

Все о тяговой подстанции и даже больше

Тяговая подстанция выполняет ключевую задачу по преобразованию электроэнергии с целью ее подачи в контактную сеть для питания электротранспорта (наземного и подземного). Это отдельное направление техники, главная функция которой заключается в понижении значения напряжения, а при необходимости и в выпрямлении тока, если предполагается эксплуатация установки, работающей на постоянном токе.

Где может использоваться

Тяговая подстанция – это отдельная разновидность оборудования, которое представляет собой источник электроэнергии для всех видов электротранспорта. Но для каждого направления предполагается особый вид подобной техники. Располагаться могут ТП по всей протяженности дороги с интервалом от 25 до 50 км. Периодичность, с которой монтируется тяговая подстанция, определяется несколькими факторами, среди них: профиль железной дороги, размеры и целевое назначение транспортного средства.

Смотрим видео, область применения и виды ТП:

В качестве основных направлений, которые подразумевают установку данного вида оборудования, выступают:

• Железнодорожный транспорт;
• Метрополитен;
• Наземный электротранспорт (трамваи, троллейбусы).

Тяговая подстанция может быть представлена разными исполнениями, отличными по техническим характеристикам. При этом целесообразность установки того или иного варианта определяется соответствием основных параметров уровню предполагаемой нагрузки, а также условиям эксплуатации.

Обзор видов ТП

Тяговая подстанция в первую очередь подразделяется на две группы:

1. Постоянного тока.
2. Переменного тока.

Первый из названных вариантов включает оборудование, рассчитанное на 6-220 кВ. При этом питание осуществляется по ЛЭП воздушного и кабельного типа. В случае когда напряжение ниже порога 110 кВ, требуется понижение, соответственно, электроэнергия сначала проходит этап понижения значения электрических параметров при участии трансформатора. В прочих ситуациях энергия направляется сразу в распред. устройство. Тяговая разнотипная подстанция переменного тока по большому счету сходна с оборудованием этого рода, функционирующим на постоянном токе, за единственным исключением, которое состоит в отсутствии преобразующего узла для выпрямления электрических характеристик.

Тяговая разнотипная подстанция встречается и в других исполнениях, разделение при этом осуществляется по целевому назначению транспорта:

1. Оборудование для железной дороги. Встречается в следующих вариантах:

• Опорная – может выступать в качестве источника питания для других установок;
• Тупиковая – получает электроэнергию от рядом стоящей подстанции;
• Промежуточная – питается от двух ближайших установок.

1. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса. Оборудование данного вида также существует в нескольких исполнениях:

• С необходимостью участия обслуживающего персонала;
• Полностью автоматизированные;
• ТП для трамвая и троллейбуса, которые не требуют участия в работе оборудования персонала и представляют телеуправляемую технику.

1. Установки для метрополитена. Различают следующие виды подобной техники:

• Тяговая;
• Понизительная;
• Тягово-понизительная.

В первом случае представлена тяговая распределительная подстанция, питание которой осуществляется посредством городских электросетей. Второй из названных вариантов предполагает получение тока больших значений от тяговой установки, который в дальнейшем понижается до уровня 400-230 В, чего достаточно для силовых и осветительных приборов.

Технические характеристики

Тяговые подстанции трамвая, метро и троллейбуса и железнодорожного транспорта имеют ряд параметров, по которым подбирается требуемый вариант. Кстати, если сравнивать их с таким оборудованием, как столбовые подстанции СТП, которые питаются переменным током и представлены исключительно лишь тупиковым вариантом конструкции, то ассортимент будет весьма широк, что несколько затрудняет выбор.

Смотрим видео, конструкция и устройство подстанции:

Для ориентации в большом количестве исполнений нужно четко представлять, какие нагрузки будут оказываться на технику данного вида, в соответствии с чем определяются параметры оборудования:

• величина сопротивления и напряжения на шинах, куда подается уже выпрямленный ток;
• тяговая подстанция метро, железной дороги и прочего электротранспорта характеризуется внутренним сопротивлением, а также сопротивлением отсасывающего фидера и сглаживающего узла, посредством данных величин можно получить значение сопротивления всей установки, суммировав их;
• тяговые подстанции метро и РЖД отличаются по количеству используемых в конструкции трансформаторов и распред. устройств;
• напряжение всей установки является расчетной величиной и определяется из формул;
• мощность короткого замыкания.

Для сравнения, определяющими параметрами для такого оборудования, как столбовые трансформаторные подстанции, являются: общая мощность, а также значения высшего и низшего напряжения.

Существует несколько исполнений такой техники, отличных по данным параметрам: с напряжением 6 или 10 кВ по высокой стороне, а также с напряжением 0,23 или 0,4 кВ по низкой стороне. По таким же критериям подразделяется и мачтовая трансформаторная подстанция.

Как выглядит структурная схема

Существует несколько наиболее распространенных способов подключения в зависимости от того, какие нагрузки планируется подавать, и какого типа объекты будут подключаться. В результате может меняться состав оборудования.

На рисунке изображен один из наиболее простых вариантов. Распределительное устройство включает в себя три ячейки, причем конструкцией предусмотрен всего один выключатель. На вводе устанавливается только один разъединитель, что также способствует упрощению схемы. Нет необходимости в использовании резервного оборудования. Учитывая отличия такого оборудования, как мачтовая трансформаторная подстанция, схема будет выглядеть несколько иначе.

Рекомендации по выбору

Основным критерием эффективности использования того или иного типа установки является соответствие параметров условиям эксплуатации, в частности, уровню подаваемой нагрузки. Если подбирается тяговая или столбовая трансформаторная подстанция, ее типовой проект подразумевает необходимость выполнения следующих действий:

• Выбор схемы подключения и соединения основных узлов;
• Определение наиболее подходящего варианта токоведущих аппаратов и узлов;
• По расчетным значениям электрических параметров подбираются основные узлы такого оборудования (распределительные устройства, трансформаторы, выключатели, разъединители, элементы защиты, зарядных аккумуляторов).

Аналогичные действия выполняются в случае, когда выбирается мачтовая трансформаторная подстанция типовой проект также будет в большей мере состоять из расчетной части.

Нюансы монтажа и нормативная документация

Основная особенность принципа установки техники, используемой для питания железнодорожного электротранспорта, заключается в том, что все работы выполняются при непосредственном участии электромонтажных поездов. В перечень ключевых задач входит непосредственно сам монтаж подстанции тягового типа, а вместе с тем и постов секционирования, телемеханического оборудования и контактной сети. Такое оборудование, как столбовые трансформаторные подстанции, подключаются несколько иным способом, учитывая, что все основные узлы монтируются на опоре.

СТН ЦЭ 12-00 «Нормы по производству и приемке строительных и монтажных работ во время электрификации железных дорог» определяют ряд требований, предъявляемых к монтажу подобного оборудования. Для сравнения мачтовая трансформаторная подстанция предполагает подготовку котлована для установки опоры, проверку точности установки по отвесам, монтаж основных узлов на опорной конструкции, подключение всех элементов.

Таким образом, тяговые установки отличаются многообразием исполнений, что, с одной стороны, несколько затрудняет выбор подобной техники, а с другой – позволяет подобрать наиболее подходящий вариант. А вот столбовые трансформаторные подстанции являются техникой более узкого целевого назначения и представляют собой тупиковый вариант конструкции определенного диапазона значений мощности и напряжений. При выборе любого из этих видов оборудования учитывается уровень выдерживаемой нагрузки, схема подключения, а также соответствие основных параметров условиям работы.

Тяговая подстанция

Тя́говая подста́нция — в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии. Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только 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.

Содержание

Тяговые подстанции железной дороги

Тяговые подстанции постоянного тока

Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 25—50 км [источник не указан 120 дней] . Это расстояние зависит, как от размеров движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций РАО «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередачи напряжением 6—220 кВ. Электроэнергия поступает в первичное открытое или закрытое распределительное устройство. При напряжении питающей сети 110 или 220 кВ электроэнергия поступает на понижающий трансформатор. С понижающего трансформатора (а при питающем напряжении 6-35 кВ — напрямую) электроэнергия поступает на тяговый 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 автоматы. В Российской Федерации номинальное напряжение выпрямленного тока железнодорожных тяговых подстанций нормируется Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и установлено на уровне 3300В.

Тяговые подстанции переменного тока

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 50-120 км. Номинальное напряжение, подаваемое в контактную сеть 27500 В. 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 подается 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 линиии 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 метрополитена

В метро тяговые подстанции выдают постоянное напряжение 825В.

Тяговые подстанции наземного электротранспорта

Тяговые подстанции трамваев и троллейбусов выдают постоянное напряжение 600В.

Тяговые подстанции

Предназначение тяговой подстанции следующее: преобразовывать и распределять электрический ток в целях обслуживания электротранспорта. 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.

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 напряжённости в движении составов, рельефа местности.

Тяговая подстанция запитывается от линий электропередач, проложенных по воздуху на опорах, или же через кабельные сети. Трансформатор снижает внешнее напряжение и передаёт его к выпрямителю, а далее электрический ток подаётся к контактной сети.

В настоящее время на электротранспорте 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. Он 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 подаёт ток непосредственно в контактную сеть.

Традиционно во многих местностях система электроснабжения железных дорог является единственной возможностью подвести напряжение к населённым пунктам. Поэтому тяговая подстанция не только используется для электротранспорта, но и снабжает электроэнергией населённые пункты, других потребителей, обеспечивая их потребности.

Тяговые подстанции в городе осуществляют обслуживание наземного электротранспорта – троллейбусов и трамваев. 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.

Тяговая подстанция может быть дистанционно управляемой, полностью автоматизированной, или же иметь персонал, который её обслуживает. Чаще всего персонал присутствует на небольших станциях в некрупных городах. Там, где создание автоматических систем управления экономически нецелесообразно.

Целиком автоматизированные станции используют там, где невелика интенсивность прохождения составов, и остановка не должна повлечь далеко идущих последствий в смысле безопасности. Наиболее надёжная 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.

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 неё 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.