Электроснабжение городского электротранспорта

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

Белорусский национальный технический университет

Энергетический факультет

Кафедра Электрических систем

Гр. 106222

Индивидуальное задание

по теме: Электроснабжение городского электротранспорта

Выполнил: Костевич А.А.

Проверил: Фадеева Г.А.

Минск 2006

Общие характеристики электрического транспорта

В городах электрический транспорт представлен следующими видами: трамвай, троллейбус, метрополитен.

Трамвай - вид городского рельсового транспорта с электрической тягой, получающий электроэнергию от контактной сети. При этом рельсовый путь является частью тяговой сети, так как по нему электрический ток возвращается к тяговым подстанциям по отсасывающим линиям.

Трамвай имеет кузов, опирающийся на двухосные тележки. В передней части кузова располагается кабина водителя, в остальной части - места для размещения пассажиров. Тяговые электродвигатели располагаются на тележках, обычно их число равно числу осей вагона. Остальное электрическое и другое необходимое оборудование располагают под кузовом или на крыше. Кроме моторных трамвай может иметь прицепные вагоны, один или два, для увеличения вместимости при большом числе пассажиров. Несколько моторных вагонов также могут соединяться в один поезд, управляемый из одной кабины. В последнее время появились сочлененные трамваи, состоящие из 2-3 вагонов, имеющих общий пассажирский салон и две кабины водителей с двух сторон. Число осей таких трамваев может быть 6, 8 или 10. Обмоторенными могут быть все оси или часть из них.

Для питания трамвая используется система постоянного тока с напряжением в контактном проводе 550...750 В (в Российской Федерации применяется напряжение 550 В). Мощность тяговых электродвигателей составляет 45...80 кВт. Обычно применяются двигатели постоянного тока, но в последнее время появились системы тягового электропривода для трамваев с бесколлекторными асинхронными двигателями. Трамваи оборудуются механическими, электромагнитными тормозами и системами электрического торможения. Максимальная скорость трамвая в России - 75 км/ч, в других странах может быть до 90 км/ч.

В конце XX в. в отдельных странах получил развитие скоростной трамвай, эксплуатирующийся на относительно протяженных линиях, зачастую связывая город и пригороды или обслуживая перевозки пассажиров между районами в больших городах и мегаполисах. Хотя максимальную скорость трамвая при этом не увеличивают или увеличивают незначительно, за счет высоких ускорений и замедлений достигается заметное увеличение скорости сообщения. Линии скоростного трамвая прокладываются обособленно от других видов транспорта, частично под землей или в выемках, без пересечения в одном уровне с другими дорогами. На наземных линиях скоростного трамвая используют ограждения для предотвращения попадания на рельсы животных и людей.

Скоростной трамвай значительно дешевле метрополитена, но имеет меньшую (примерно в 2 раза) провозную способность. На окраинах городов, где пассажиропотоки меньше, чем в центре, скоростной трамвай может быть удобным продолжением линий метрополитена. Чаще всего для скоростного трамвая применяют специальный подвижной состав из шарнирно-сочлененных трех-четырех секций с общим салоном для пассажиров по всей длине поезда. Поскольку получение высоких ускорений и замедлений для скоростного трамвая очень важно, стремятся к тому, чтобы все оси (шесть или восемь) были обмоторенными. В качестве тяговых используются двигатели постоянного тока или асинхронные. В СССР первая линия скоростного трамвая открылась в Киеве в 1978 г., затем скоростной трамвай появился в Волгограде и ряде других городов. В Москве и Санкт-Петербурге скоростной трамвай может быть очень удобным при сочетании с другими видами городского пассажирского транспорта.

Троллейбус - вид электрического безрельсового транспорта, предназначенный для движения по дорогам общего пользования. Троллейбус оборудован колесами с резиновыми пневматическими шинами, контактная сеть троллейбуса в отличие от трамвайной имеет два провода. По одному электроэнергия подается от тяговой подстанции к подвижному составу, по другому возвращается к подстанции. Устройство токоприемника троллейбуса, состоящее из двух штанг, позволяет троллейбусу отклоняться от оси контактной подвески для объезда возможных препятствий. Поэтому по маневренности троллейбусы превосходят трамваи, хотя и уступают автобусам.

В городах Российской Федерации контактная сеть для троллейбусов питается постоянным током напряжением 550 В. Тяговый электродвигатель располагается под кузовом троллейбуса и через карданный вал и коническую зубчатую передачу приводит во вращение ведущие колеса, конструктивно объединенные в ведущий мост. Для прохождения поворотов ведущий мост снабжен дифференциалом. Кузов троллейбуса имеет большое сходство с автобусным: в передней части расположена кабина водителя, в остальной части кузова - места для пассажиров. Электрическое и механическое оборудование располагают под кузовом, частично на крыше. Поскольку под кузовом электрическое оборудование подвергается сильному воздействию влаги, грязи, пыли, в современном троллейбусостроении проявляется тенденция размещения электрооборудования на крыше. В отличие от трамвая, имеющего постоянное заземление через стальные колеса и рельсы, троллейбус от земли изолирован резиновыми шинами. Поэтому при нарушении изоляции электрического оборудования троллейбуса от его металлического кузова существует опасность поражения пассажиров электрическим током во время их посадки в троллейбус или при выходе из него. Для предотвращения этого стремятся повысить надежность изоляции электродвигателя, электрических аппаратов, применяют специальные приборы, контролирующие возможное появление электрического потенциала на кузове троллейбуса. В процессе эксплуатации регулярно проводится проверка состояния изоляции токоведущих частей оборудования троллейбусов.

Тяговые электродвигатели троллейбусов имеют мощность 90... 170 кВт. Они являются коллекторными машинами постоянного тока. Появились также для троллейбусов тяговые электроприводы с асинхронными электродвигателями. Максимальная скорость троллейбусов до 70 км/ч. В больших городах применяются сочлененные троллейбусы с общим салоном для пассажиров.

Одно из перспективных направлений совершенствования трамваев и троллейбусов - создание подвижного состава с низким уровнем пола, получившего название низкопольного. Трамваем и троллейбусом с низким полом считается экипаж с высотой пола от дорожного полотна 280...350 мм (у трамвая высота пола считается от уровня головки рельсов). Низкопольный пассажирский транспорт создает значительные удобства для пассажиров, уменьшает время для посадки и выхода пассажиров. Поскольку большая часть электрооборудования располагается под полом, создание низкопольного транспорта связано с некоторыми трудностями. Поэтому иногда применяют кузов с разным уровнем пола: низким в зоне входа и выхода пассажиров и более высоким в других зонах кузова, что дает возможность разместить тяговое электрооборудование. Для уменьшения габаритных размеров электродвигателей уменьшают их мощность, соответственно увеличивая их число. Применяют также конструкции моторколесной компоновки. Для снижения уровня пола также стремятся больше оборудования разместить на крыше.

Основные преимущества трамвая и троллейбуса перед автобусом - отсутствие выбросов в атмосферный воздух вредных загрязняющих веществ и возможность экономии электрической энергии за счет ее частичного возвращения при торможении. Управление электрическим транспортом проще, чем автомобильным. Достоинства наземного электрического транспорта послужили причиной его широкого использования в разных странах мира, особенно в странах Западной Европы, в России и странах СНГ, в некоторых странах Азии и Латинской Америки. В Европе после некоторого спада в использовании трамваев в середине XX в. отмечается его возрождение. Строительство новых путей и реконструкция старых трамвайных линий начаты в Германии, Франции, Бельгии, Швейцарии, Италии, Португалии, Канаде.

Наиболее совершенным и комфортабельным видом общественного пассажирского транспорта в настоящее время является метрополитен - внеуличная железная дорога для массовых перевозок пассажиров. Экономически выгодно использование метрополитенов при пассажиропотоках более 20 тыс. человек в час, что обычно наблюдается в городах с населением 1 млн. человек и больше. Исторически название этого вида транспорта произошло от французского metropolitain - столичный. Чаще всего линии метро прокладываются под землей, хотя бывают и участки наземных линий или на эстакадах. Первая подземная железнодорожная линия, построенная в Лондоне в 1863 г., была с паровозной тягой. Широкое развитие метрополитен получил после применения на нем электрической тяги, избавившей тоннели от дыма и копоти при применении паровой тяги.

Эффективность работы метрополитена во многом зависит от используемого подвижного состава. Электропоезда метро состоят из моторных или прицепных вагонов или только из моторных. Как и у пригородных электропоездов, в метро электропоезда составляются из отдельных секций, что позволяет менять число вагонов в поезде в зависимости от величины пассажиропотока.

Электроэнергия для питания поездов метро поступает через тяговую сеть. При этом токосъем может осуществляться от контактного рельса или от контактного провода. Из-за ограниченных размеров тоннеля сооружение контактной сети над движущимся поездом затруднительно, такой способ используется на наземных участках метрополитена. Поэтому наибольшее распространение получил способ подвода энергии к поезду через третий, так называемый, контактный рельс, проложенный сбоку вдоль основного рельсового пути на некоторой высоте от него (в Российской Федерации и странах СНГ - на 160 мм выше головки ходовых рельсов). Нагонный токоприемник, расположенный на тележке моторных нагонов и скользящий при движении поезда по третьему рельсу, прижимается к нему снизу пружинами и снимает ток высокого напряжения. На всем протяжении контактный рельс должен быть закрыт электроизоляционным коробом таким образом, чтобы оставался доступ для токоприемника лишь снизу. Воздушную контактную сеть в метро можно использовать в тех случаях, когда на конечных станциях поезд переходит на обычные железнодорожные пути и продолжает по ним движение по территории транспортной агломерации. Так работает метрополитен в некоторых городах Японии и Южной Кореи. Для электроснабжения метрополитенов до настоящего времени используется только система постоянного тока напряжением 600...1000 В при наличии контактного провода - напряжением 1 500 В. Для тягового электропривода поездов метро используются двигатели постоянного тока. Приводы с асинхронными электродвигателями пока не получили широкого распространения, хотя поезда московского метро последних серий оборудованы ими. Мощность тяговых электродвигателей поездов метрополитена составляет 100 кВт. Максимальная скорость поезда обычно 80...90 км/ч, в некоторых странах - до 100 км/ч. Полная обособленность метрополитена от других видов транспорта позволяет организовать движение поездов с очень малыми интервалами между ними - до 20...30 с, что требует высокого уровня автоматизации.

На электромобилях используют электродвигатель, получающий Возможно также использование одновременно с бортовым источником энергии накопителей, которые могут запасать энергию при торможении, а затем расходовать ее при разгоне, экономя таким образом энергию источника. В качестве накопителей перспективным представляется использование конденсаторов большой емкости с большими допустимыми токами заряда и разряда. Применение в качестве накопителей маховиков в настоящее время не признается целесообразным. Еще один вариант совершенствования электромобилей - применение на них гибридных силовых установок, сочетающих бортовой источник электроэнергии и тепловой двигатель относительно небольшой мощности с электрическим генератором. Такое сочетание позволяет значительно повысить запас хода транспортного средства. При эксплуатации подобного гибридного транспорта выброс выхлопных газов в атмосферу происходит, но количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ в несколько раз меньше, чем у автомобилей. Удачной иллюстрацией гибридного транспорта могут служить троллейбусы-автобусы, выполненные по схеме дуобуса (DUO-BUS). На базе автобусного кузова устанавливается тяговый привод троллейбуса с электродвигателем постоянного или переменного тока, получающий энергию от двухпроводной контактной сети. Имеется также дизель, обычно размещенный в задней части кузова, с синхронным электрическим генератором на общем валу. При отсутствии контактной сети водитель запускает дизель, и тяговый двигатель получает питание от синхронного генератора. Для приема энергии рекуперации при торможении дуобуса и улучшения динамики разгона при пуске устанавливается аккумуляторная батарея. Таким образом экологическая чистота троллейбуса сочетается с маневренностью и автономностью автобуса.

Монорельсовый бесколесный транспорт может обеспечить очень высокие скорости при сообщениях между городами и странами, обеспечивая при этом высокую безопасность движения и комфортабельность. Для этого используется принцип магнитного подвешивания подвижного состава над специально спроектированной эстакадой. Движение состава обеспечивается применением линейных электродвигателей. Применение такого типа электрического транспорта требует очень высокого уровня автоматизации с применением микропроцессорных систем управления режимами движения. Эксплуатируемых монорельсовых дорог с магнитным подвешиванием в мире в настоящее время нет, хотя действуют экспериментальные полигоны для отработки практических вариантов их создания. Наиболее совершенным является экспериментальный полигон Transrapid в ФРГ, на котором достигнута скорость поезда 482 км/ч.

Тяговое электроснабжение

Тяговое электроснабжение представляет собой часть системы электроснабжения транспорта, служащую для передачи электрической энергии от шин тяговой подстанции к подвижному составу. Элементы тягового электроснабжения составляют в совокупности тяговую сеть, являющуюся разновидностью электрических распределительных сетей, включающую в себя контактную сеть, питающие кабельные или воздушные линии, рельсовую сеть.

Контактная сеть служит для подведения электрической энергии непосредственно к подвижному составу через контакт с его токоприемником. Она делится на электрически изолированные один от другого участки - секции, присоединяемые к шинам тяговых подстанций питающими линиями (фидерами). Секционирование контактной сети осуществляется посредством секционных изоляторов - устройств, обеспечивающих проход токоприемников подвижного состава через электрический разрыв контактной сети, выполняемый в виде воздушных промежутков и нейтральных вставок. Нейтральная вставка представляет собой участок контактного провода или шины между двумя воздушными промежутками, на котором отсутствует напряжение. Нейтральные вставки исключают возможность электрического соединения смежных секций контактной сети при проходе токоприемника подвижного состава. Соединение или разделение смежных секций контактной сети осуществляется секционными разъединителями или выключателями. Коммутация секций контактной сети разъединителями может выполняться только при отсутствии токов тяговой нагрузки или короткого замыкания.

Электрические схемы питания секций контактной сети должны обеспечивать необходимый уровень надежности питания подвижного состава и приемлемые энергетические показатели. По степени надежности питания электрический транспорт относится к первой категории потребителей, для которых перерыв питания допускается лишь на время автоматического включения резерва. Однако в полной мере указанное условие не может быть выполнено, так как контактная сеть является нерезервируемым элементом тяговой сети.

Упрощенные схемы тяговой сети двухпутных участков (движение в двух направлениях) применительно к рельсовым видам электротранспорта приведены на рис. 1.

Рис. 1

В разомкнутых тяговых сетях используют одностороннее питание секций контактной сети (рис. 1, а, б, г), а в замкнутых сетях- двустороннее (рис. 1, в, д, ё). Контактные сети каждого пути могут получать независимое питание через собственные быстродействующие выключатели (см. рис. 1, а, д) и могут работать совместно (рис. 1, б, г, ё). На рис. 1, в показана узловая схема питания, при которой в средней части участка устанавливают по сх. секционирования 1, оборудованный автоматическими выключателями, соединяющими контактную сеть двух путей, что облегчает защиту сети от аварийных режимов и улучшает энергетические показатели. Схемы электроснабжения типа приведенных на рис. 1, г, е, характерны для наземного городского электротранспорта; на рис. 1, д - для метрополитена и на рис. 1, в - для магистральных железных дорог.

Схемы тягового электроснабжения могут выполняться по централизованному и децентрализованному принципам. Эти термины имеют некоторое различие применительно к тяговым сетям метрополитенов и наземного городского электротранспорта. Централизованный принцип использовался на начальных этапах развития транспортных систем. На метрополитенах централизованное питание осуществлялось от наземных тяговых подстанций. По условиям защиты тяговой сети и минимально допустимого уровня напряжения у подвижного состава расстояние между ними не превышало 3... 3,5 км, а расстояния от подстанции до трассы достигали 0,5...0,8 км.

При децентрализованном питании метрополитена тяговые подстанции выполняют подземными и размещают, как правило, в местах возникновения наибольших тяговых нагрузок у каждой пассажирской станции. Значительную долю энергии потребляют силовые нагрузки (эскалаторы, вентиляторы, насосы) и освещение. Понизительные подстанции, используемые для их питания объединяют с тяговыми в общие тягово-понизительные подстанции. Реальная схема децентрализованного электроснабжения метрополитена приведена на рис. 2.

Тяговые подстанции ТП1-ТПЗ размещены соответственно на станциях Ст.1-Ст.З. Питающие линии соединены с положительными шинами подстанций быстродействующими выключателями (например, БДВ1, ВДВ4). Каждая питающая линия (фидер) оборудована линейным разъединителем QS с дистанционным управлением. Промежуточные секции контактной сети получают питание от смежных подстанций по двум линиям (см., например, Л13 и Л21; Л14 и Л22), т.е. реализуется двустороннее питание. Концевые секции могут иметь одностороннее питание.

Рис. 2

На подстанции ТПЗ имеется резервная линия ЛЗО (Л30(1) и Л30(2)), оборудованная своим БДВ. Контактные рельсы секционированы неперекрываемыми воздушными промежутками длиной 14 м. Короткозамыкатели QK при отсутствии на них напряжения позволяют заземлять секции контактного рельса на сеть ходовых рельсов через путевые дроссель-трансформаторы LI1-L12, L21-L22, используемые для разделения сети ходовых рельсов на блок-участки, обеспечивающие работу системы безопасности движения поездов, работающей на переменном токе.

На наземном городском электротранспорте понятие централизованная система электроснабжения относят к схемам, в которых тяговая подстанция питает как удаленные, так и непосредственно примыкающие к ней секции контактной сети. Используется количественный принцип резервирования оборудования тяговой подстанции и кабельных линий.

При децентрализованной системе подстанции расположены вдоль транспортной линии вблизи секционных изоляторов. В нормальном режиме каждая подстанция питает только примыкающие к ней секции контактной сети. Предусматривается полное взаимное резервирование тяговых подстанций по мощности.

При возникновении аварийной ситуации на любой из подстанций отключаются ее выключатели QF1, QF2 и включается секционный выключатель QF3. Нагрузку аварийной подстанции принимают на себя смежные подстанции, имеющие необходимый резерв мощности. Система электроснабжения переходит в вынужденный режим работы, при котором обеспечивается нормальная работа подвижного состава, но значения показателей, характеризующих работу системы, ухудшаются, оставаясь в пределах норм, допустимых для вынужденного режима. При неблагоприятном сочетании отказов элементов системы соблюдение технических нормативов может стать невозможным. Такая ситуация носит название аварийного режима электроснабжения, при котором размеры движения сокращаются или движение полностью прекращается.

Принцип построения тяговой сети магистрального транспорта на переменном токе напряжением 25 кВ показан на примере схемы питания участка однофазного тока (рис. 3).

Рис. 3

Приведен участок, получающий питание от трех подстанций ТП1-ТПЗ. Высоковольтные вводы подстанций связаны с общей линией 1 электропередачи (ЛЭП), три фазы которой - А, В, С. Используются трехфазные трансформаторы 2 со схемой обмоток. Контактная сеть 3 секционирована с использованием нейтральных вставок 5, рельсовая сеть 4 не секционируется и является вторым полюсом тяговых нагрузок. Питание мощных однофазных тяговых нагрузок от трехфазной системы приводит к неравномерности загрузки фаз первичного (внешнего) электроснабжения. На подстанции ТП1 наименее загруженной оказывается фаза Ь, на подстанции ТП2 - фаза с, на подстанции ТПЗ - фаза а. При одинаковом соединении первичных обмоток тяговых трансформаторов с фазами ЛЭП соответственно по ним перемещается разгруженная фаза, что приводит к некоторому выравниванию нагрузок в системе первичного электроснабжения.

Для обеспечения двустороннего питания секций контактной сети необходимо, чтобы фаза напряжения, подаваемого от смежных подстанций, к концам секции совпадала. Для этой цели используют трансформаторы 11-й и 1-й групп соединения обмоток. Векторы напряжения, прикладываемого к секциям контактной сети, 1-2, 2-3 и 3-4, показаны в нижней части рисунка под соответствующими секциями. Смежным секциям соответствуют векторы напряжения со сдвигом 60 эл. град., т.е. необходимо использовать секционные изоляторы с нейтральными вставками.

Материалы, используемые в тяговых сетях, и их электрические и механические характеристики

Основным элементом контактной сети являются контактные провода. Материал контактных проводов должен обладать высокими механическими и электрическими свойствами: прочностью, износо- и термостойкостью, электропроводностью. В качестве основного материала используют твердотянутую медь марки Ml с содержанием примесей не более 0,1%, из которой изготовляют фасонные контактные (общей марки МФ) и фасонные овальные (МФО) провода. Наряду с медными используют бронзовые контактные провода (БрФ и БрФО), а также провода из низколегированной меди (общих марок НлФ и НлФО).

Легирующими элементами являются магний, цирконий, олово, кадмий, их процентное содержание указывается в расширенных обозначениях бронзовых проводов и проводов из низколегированной меди. Например, марка НлЦр0,05Ф-85 обозначает провод фасонный сечением 85 мм² из низколегированной меди с содержанием 0,05% циркония. По номинальному сечению контактные провода образуют ряд: 65; 85; 100; 120; 150 мм². На наземном городском электротранспорте преимущественно используют провода сечением 85, реже 100 мм². На магистральном транспорте обычно используемые провода имеют сечение 100 мм² и больше.

В качестве контактных проводов троллейбуса иногда используют сталеалюминевые провода типа ПКСА-80/180 для исполнения которых применяют биметалл, получаемый механическим соединением алюминия (верхняя часть) и стали (нижняя токосъемная часть). К недостаткам проводов этого типа следует отнести подверженность стальной их части коррозии, ухудшающей токосъем, а также возможность механического расслоения в процессе эксплуатации из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения стальной и алюминиевой частей.

Точные значения сопротивлений бронзовых проводов зависят от содержания легирующих примесей. Превышение их сопротивления в сравнении с медными соответствующего сечения может достигать 24%. Для низколегированных медных это превышение составляет около 4%.

Механическая прочность низколегированных медных проводов (временное сопротивление при растяжении, о_в) на 2...3% превышает прочность медных. Для медных проводов с_в = 370... 350 МН/м, большие значения соответствуют проводам сечением 65, меньшие - 150 мм². Для бронзовых проводов о_в = 430...400 МН м². Напряжения от механических нагрузок растяжением и напряжения при натяжении контактных проводов в контактных сетях трамваев и троллейбусов принимают в соответствии с СНиП 2.05.09 - 90.

В процессе эксплуатации под действием нагревания тяговыми токами и растягивающих усилий провода разупрочняются. В результате длительной эксплуатации сопротивление разрыву и твердость могут снизиться до 80% начальных значений. Разупрочнение становится заметным уже при нагреве провода до 100°С, особенно при приложении к нему растягивающей силы. Снижение механической прочности провода при этой температуре достигает 5%. В связи с этим необходим контроль, чтобы температура нагревания медных контактных проводов не превышала 95 "С. При нагревании до 180... 230°С происходит процесс рекристаллизации меди, в результате которого механические свойства проводов резко снижаются. Допустимая температура низколегированных и бронзовых проводов с учетом возможного их нагревания в течение всего срока службы по ГОСТ 2584-86 составляет соответственно 110 и 130°С.

Наибольшее применение находят цепные контактные подвески, при которых контактные провода закрепляются на продольных несущих тросах. Эти тросы могут быть стальные оцинкованные сталемедные общей марки ПБСМ (ГОСТ 4775-75), медные общей марки М (ГОСТ 839-80Е). На железнодорожном транспорте несущий трос используют в качестве продольного проводника, работающего параллельно с контактными проводами. При необходимости увеличения электрической проводимости контактной подвески допускается в контактной сети трамвая использовать несущий трос из меди или биметалла (ПБСМ).

Усиливающие провода используют в основном на железнодорожном транспорте, соединяя их перемычками с контактными проводами. Обычно для этой цели используют алюминиевые многопроволочные провода общей марки А. На городском наземном электротранспорте усиливающие провода находят применение на отдельных вылетных линиях трамвая и на скоростном трамвае. Алюминиевые провода изготовляют из твердотянутых алюминиевых проволок с временным сопротивлением растяжению не менее 150 МН/м². Алюминий легче меди примерно в 3 раза, но его электропроводность меньше меди в 1,65 раза.

Системы тяги и тягового электроснабжения

тяговый электроснабжение транспорт подстанция

Система электроснабжения электрического транспорта, в состав которой входят тяговые подстанции, является частью электроэнергетической системы (далее - энергосистемы). Электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники объединены общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Тяговая подстанция - электрическая станция, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии для питания транспортных средств на электрической тяге через контактную тяговую сеть. От тяговой подстанции могут получать питание и другие потребители.

Тяговая подстанция, включающая в себя комплекс электротехнических устройств для приема электроэнергии от источника и получения необходимого напряжения, и тяговая сеть, обеспечивающая передачу его к электроприемникам подвижного состава, представляют собой с и с т е м у тягового электроснабжения.

В зависимости от системы тяги, т. е. от типа используемого подвижного состава, различают три вида систем тягового электроснабжения: систему постоянного тока с напряжением на шинах подстанции 3,3 кВ; 825 В и 600 В, систему однофазного переменного тока с напряжением 27,5 кВ и систему однофазного переменного тока с напряжением 2x25 кВ и промышленной частотой 50 Гц.

В системе тягового электроснабжения можно выделить три основные части:

- внешнее электроснабжение - включает в себя устройства от электрической станции до первичных шин тяговой подстанции, т.е. до шин, к которым подведено напряжение от внешнего источника переменного тока; в качестве внешнего источника может быть условно принята электрическая или распределительная подстанция;

- тяговая подстанция - состоящая из нескольких важных функциональных узлов, основными из которых являются распределительные устройства (РУ), трансформаторы, выпрямители и инверторы (для тяговых подстанций постоянного тока) и устройства собственных нужд;

- внутреннее (тяговое) электроснабжение - тяговая сеть, обеспечивающая питание электроэнергией подвижной состав от шин тяговой подстанции вторичного напряжения до токоприемников (фидеры - провода и кабели, соединяющие тяговую подстанцию с контактной и рельсовой сетью, собственно контактная и рельсовая сеть, включая и спецчасти - пересечения, стрелки и др.).

Системы внешнего электроснабжения

Системы внешнего электроснабжения определяются местоположением электрических станций, воздушными или кабельными линиями электропередачи, тяговых подстанций, характером и мощностью потребителей, в том числе нетяговых, и другими факторами. Выбор схемы диктуется также требуемой степенью надежности, планом транспортных линий и проводится на основе технико-экономических расчетов.

Наиболее типичными часто встречающимися на практике схемами присоединения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения являются кольцевая, магистральная двустороннего питания и одностороннего питания и радиальная.



Рис. 4

Кольцевая схема (рис. 4, а) применяется в тех случаях, когда две тяговые подстанции одной группы находятся вблизи источника питания, мощность которого определяется мощностью всех присоединенных к нему тяговых подстанций. Электрические станции 1 и тяговые подстанции 3 соединяются в кольцо линиями электропередачи 2, при этом тяговые подстанции имеют по два ввода. Отключение любого питающего источника (электрической станции или районной подстанции) или линии передач не вызывает прекращения питания подстанций.

Кольцевая схема надежна и экономична, однако при наличии в кольцевой схеме только одного источника при выходе его из строя прерывается электроснабжение всей группы тяговых подстанций.

Магистральные схемы (рис. 4, б, в, г, рис. 4.2, а) целесообразно использовать в тех случаях, когда тяговые подстанции располагаются вдоль линии транспортного пути. Питающие источники (см. рис. 4, поз. 1) соединяются с шинами тяговых подстанций, как правило, двухцепными линиями передач. Тяговые подстанции 3 на рис. 4, а, б, соединенные с источниками, носят название опорных или головных. Прочие тяговые подстанции в цепи называются транзитными (промежуточными), включенными в рассечку 4 или на отпайках 5. Из-за удвоения числа вводов межсистемной связи увеличивается надежность системы электроснабжения, но одновременно возрастает ее стоимость. Для уменьшения этих затрат применяют схемы с уменьшенным числом вводов или включают тяговые подстанции на отпайках.

Исходя из обеспечения надежности электроснабжения тяговых подстанций, к двухцепной линии передач с двусторонним питанием при напряжении 10; 110; 220 кВ разрешается присоединять не более пяти тяговых подстанций постоянного тока; пяти тяговых подстанций переменного тока при напряжении 220 кВ и трех подстанций при напряжении 110 кВ. Между двумя подстанциями, включенными в рассечку, может находиться не более одной отпаечной подстанции.

Схему электроснабжения с односторонним питанием (см. рис. 4, г, д) применяют в тех случаях, когда вблизи тяговых подстанций имеется одна электрическая станция или районная подстанция. Надежность питания тяговых подстанций в этом случае ниже, чем в предыдущих схемах. Двухцепные межподстанционные линии передач обеспечивают более высокую надежность. Число тяговых подстанций, получающих питание от одного источника питания, определяется мощностью этого источника, мощностью тяговых подстанций и пропускной способностью головного кабеля.

Подобные схемы электроснабжения используются, как правило, для питания вылетных линий, находящихся в зоне слаборазвитой сети энергосистемы.

Радиальные схемы внешнего электроснабжения (см. рис. 4.1, д, е) могут быть однолучевые, а также с параллельной и раздельной работой линий передач. В радиальной однолучевой схеме тяговая подстанция получает питание по одному кабелю от одной питающей подстанции. Схема применима только для электроснабжения одноагрегатных тяговых подстанций городского электрического транспорта при децентрализованном внутреннем электроснабжении.

В схеме с параллельной работой линий передач питание тяговой подстанции осуществляется от источника с секционированными шинами. В случае повреждения на одной из секций питающей подстанции или на линии электроснабжение тяговой подстанции ведется от неповрежденной секции.

В схеме с раздельной работой питающих линий тяговая подстанция работает от двух независимых источников (см. рис. 4, е). Схема обладает высокой степенью надежности, так как при выходе из строя одного источника питание электроснабжения тяговой подстанции не прекращается. Наибольшее применение схема находит для питания мощных многоагрегатных тяговых подстанций, обеспечивающих электроснабжение разветвленной тяговой сети, а также тяговых подстанций метрополитена.

В последнем случае для осуществления дополнительного резервного питания используется межподстанционная перемычка.

Классификация и структурные схемы тяговых подстанций

Тяговые подстанции классифицируют по ряду признаков, в числе которых следующие:

* значение питающего (первичного) напряжения, т.е. напряжения в линии электропередачи, к которой подключена тяговая подстанция со стороны внешнего электроснабжения - 6; 10; 35; ПО; 220 кВ;

* род тока (постоянный или переменный) и напряжение на выходе: переменный ток напряжением 27,5 кВ, 2x25 кВ; постоянный ток напряжением 3,3 кВ, 1 650 В, 825 В, 600 В; постоянно-переменный ток (стыковые подстанции);

* схемы присоединения к сети внешнего электроснабжения - опорные, промежуточные, концевые (тупиковые);

* способ управления оборудованием тяговой подстанции - телеуправляемые и без телеуправления;

* способ обслуживания - без дежурного персонала, с дежурством на дому и постоянным дежурным персоналом;

* размещение оборудования - закрытые, открытые, смешанные тяговые подстанции;

* конструктивное исполнение - стационарные и передвижные (используемые при капитальных ремонтах оборудования стационарных подстанций или для усиления их мощности).

По первому признаку тяговые подстанции постоянного тока используют следующее питающее (первичное) напряжение:

* 6; 10 кВ для питания тяговых подстанций трамвая, троллейбуса и метрополитена:

* 6; 10; 35; 110; 220 кВ - для электроснабжения тяговых подстанций постоянного тока железнодорожного и промышленного транспорта;

* 110; 220 кВ - для электроснабжения тяговых подстанций переменного тока железнодорожного транспорта.

Дальнейшее рассмотрение классификационных характеристик и особенностей тяговых подстанций, питающих тяговые сети различного подвижного состава, целесообразно провести, используя как структурные схемы самих подстанций, так и совмещенные схемы подстанций внешнего и внутреннего электроснабжения. Под структурными понимают схемы, включающие в себя совокупность основных функциональных узлов электроустановок и отражающие принцип их взаимодействия.

Тяговые подстанции метрополитена

Метрополитен как электроприемник относится к потребителям I категории, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства и др. Этим определяются требования к системе внешнего электроснабжения тяговых подстанций метрополитенов, схемам питания и защиты тяговой сети, использованию пожаро- и взрывобезопасного оборудования, имеющих высокие показатели надежности. Перерыв в электроснабжении потребителей допускается лишь на время, необходимое диспетчеру для включений или переключений в распределительных устройствах 6...10 кВ подстанций по системе телеуправления или автоматического ввода резервного питания.

На отечественных метрополитенах применяют две системы электроснабжения тяговой сети: централизованная и децентрализованная. Первая из них получила распространение в начальный период развития метрополитенов. Электроснабжение тяговых сетей при централизованной системе питания осуществляется от наземных тяговых подстанций. Расстояние между ними принимается возможным по условиям обеспечения защиты тяговой сети и минимально допустимого напряжения на токоприемниках поезда (см. подразд. 4.2).

При децентрализованной системе электроснабжения подстанции размещают, как правило, у каждой пассажирской станции в местах приложения максимальных тяговых нагрузок.

Такая тяговая подстанция соединяется с понизительной, обеспечивающей питание силовых установок (эскалаторов, вентиляторов, насосов) и освещения, в одну совмещенную тяговопонизительную подстанцию (СТП).

Электроснабжение потребителей подземных линий метрополитена предусмотрено от подземных тяговых подстанций глубокого или мелкого заложения. Проектирование наземных подстанций допускается при обосновании необходимости подобного ее расположения.

Рис. 5

В настоящее время при проектировании тяговых подстанций предусматривают питание электроэнергией от двух независимых источников энергосистемы города через смежные подстанции метрополитена. В последнем случае одним из источников питания следует использовать электростанцию.

На рис. 5 представлены структурные схемы двух тяговых подстанций метрополитена ТП1 и ТП2, питающих смежные участки тяговой сети. Напряжение 10 (6) кВ от источников РП1 и РП2 подводится по вводам / к одной секции шины через распределительные устройства РУ 10 (6) кВ 2, которые выполняют с одинарной секционированной системой шин. К другой секции шин подключено питание от смежной подстанции по отходящей линии (перемычке) 4. В нормальном режиме секции шин работают раздельно. Для приема и распределения электроэнергии на тяговых подстанциях метрополитена применяют комплектные распределительные устройства (КРУ) типа К-104м, выполненные по типовым схемам главных цепей. РУ 10 кВ ввода и преобразовательного агрегата оборудуют вакуумными выключателями типа ВВЭ-М-10-630, трансформаторами тока для подключения комплектов защиты, измерительных приборов и устройств учета энергии.

Для обеспечения безопасности обслуживания оборудования с двух сторон выключателя располагают штепсельные разъединители, а со стороны ввода - заземляющий разъединитель с приводом и передаточным механизмом, представляющим систему тяг и рычагов.

Коммутационные аппараты, приборы, устройства автоматики и защиты, соединенные между собой в соответствии с электрической схемой, располагают в шкафу КРУ или КСО. На выдвижном элементе шкафа устанавливают выключатель и разъемные контакты цепи. В рабочем положении разъемные контакты замкнуты. При выполнении технического обслуживания выдвижной элемент с выключателем полностью извлечен из шкафа, контакты всех цепей разомкнуты. Неподвижные контакты, установленные в шкафу стационарно, закрываются специальными шторками, исключающими доступ к токоведущим частям. Заземляющий разъединитель включается при ремонтном положении выдвижного элемента.

Схема РУ 10 кВ, обеспечивающая подключение к шинам тягового трансформатора, отличается отсутствием трансформатора тока и элементов защиты от замыканий на землю.

Преобразовательные агрегаты 5 (тяговые трансформаторы Т2 и ТЗ и выпрямители), число и мощность которых определяют исходя из тяговой нагрузки, подключают к 1-й секции шин (см. рис. 5). На тяговых подстанциях предусматривают установку сухих трансформаторов, обладающих рядом преимуществ: повышенной электрической и механической прочностью, пожаробезопасностью, повышенным классом нагревостойкости (до 350°С), что позволяет рекомендовать их к применению в тяжелых условиях работы, особенно в закрытых и подземных помещениях. Трансформаторы серии ТСЗП выполнены по схеме соединения «звезда-треугольник» и предназначены для работы с мостовыми выпрямителями. Основные параметры трансформаторов серии ТСЗП и мостовых выпрямителей для тяговых подстанций метрополитена даны в таблицах.

Распределительное устройство, обеспечивающее присоединение выпрямителя к шине +825 В, оборудовано катодными быстродействующими автоматическими выключателями 7 типа ВАБ-43 и разъединителем с заземляющим ножом. Подключение выпрямителя к шине -825 В осуществляется через разъединитель 6. Ячейки 8 линейных выключателей РУ 825 В также оборудуются быстродействующими автоматическими выключателями с максимальной токовой защитой.

На совмещенных тяговопонизительных подстанциях питание силовых и осветительных электроприемников предусмотрено от двух трансформаторов для каждого вида приемников. Трансформаторы подключают к разным секциям шин 10 кВ. На рис. 5 обозначены Т01 и Т02 - трансформаторы освещения, ТС1 и ТС2 - трансформаторы собственных нужд подстанций. Каждый трансформатор в аварийном режиме обеспечивает потребную мощность с учетом допустимой перегрузки. В рабочем режиме электроснабжение потребителей происходит от Т02 и ТС2. Переключение на резервное питание происходит автоматически.

Питание устройств автоматики и телемеханики движения поездов (АТДП) осуществляется по двум питающим линиям от двух трансформаторов Т1, присоединяемых к разным секциям шин РУ 10 кВ подстанции.

Тяговые подстанции городского транспорта

Тяговые подстанции классифицируются по назначению - трамвайные, троллейбусные и смешанные; по системе электроснабжения - централизованного электроснабжения (многоагрегатные подстанции) и децентрализованного электроснабжения (одноагрегатные подстанции).

Внешнее электроснабжение, состав оборудования тяговой подстанции, система питания тяговой сети в значительной мере зависит от территориального расположения подстанции, трассы трамвайной и троллейбусной линии, требуемой мощности и выбора системы резервного электроснабжения контактной и рельсовой сети.

С учетом этих условий различают многоагрегатные тяговые подстанции ГЭТ (рис. 6).

Они характеризуются высокой надежностью за счет наличия резервного преобразовательного агрегата, большим районом питания контактных сетей (централизованная система электроснабжения), протяженными кабельными линиями 600 В.

На подстанции имеются рабочий и резервный вводы, рабочий TV1-UZ1 и резервный TV2-UZ2 преобразовательные агрегаты, линейные QF3- QF7, катодные QF1, QF2 и запасной (резервный) QF8 выключатели 600 В.



Рис. 6

Работу потребителей собственных нужд обеспечивают рабочий 7У7 и резервный TV8 трансформаторы собственных нужд и маломощный городской ввод. Резервный трансформатор TV8 включают на резервный ввод до высоковольтного выключателя. В зависимости от схемы внешнего электроснабжения резервный трансформатор собственных нужд может быть заменен резервным вводом от городской сети напряжением 220 или 380 В с понизительным трансформатором напряжения 380/220 В.

Распределительные устройства вводов выполнены по типовым схемам главных электрических соединений. Основным коммутационным аппаратом остается высоковольтный выключатель на напряжение 10 (6) кВ. На эксплуатируемых тяговых подстанциях используют выключатели маломасляные (горшковые) типа ВМГ или ВМП-10. При проектировании и введении в эксплуатацию новых тяговых подстанций используют комплектное распределительное устройство с вакуумными выключателями, устанавливаемыми в камерах РУ стационарно или на выкатных тележках. В последнем случае вместо разъединителей используют штепсельные разъемы.

Несколько проще по схемным решениям и конструкции РУ 10 кВ одноагрегатных подстанций.

Одноагрегатные тяговые подстанции не имеют резервного оборудования, за исключением устройств электропитания собственных нужд. Резервирование осуществляется по мощности установленного оборудования с учетом разгрузки в вынужденном режиме соседними подстанциями. Тяговые подстанции работают на системе децентрализованного электроснабжения контактной сети, секционированной вблизи подстанции (рис. 6). В вынужденном режиме, вызванном выводом из работы отдельных устройств внешнего электроснабжения или подстанции, секционный изолятор шунтируется включением секционного выключателя QF3. При этом в вынужденном режиме смежные подстанции обеспечивают нормальные размеры движения подвижного состава на линии. В упрощенном варианте распределительное устройство ввода может состоять из выключателя нагрузки или разъединителя.

Выпускаемые ранее отечественной промышленностью тяговые трансформаторы, предназначенные для «нулевой» схемы выпрямления и эксплуатируемые до настоящего времени, имеют естественное масляное охлаждение. Конструктивной особенностью преобразовательных трансформаторов по сравнению с силовыми трансформаторами общепромышленного назначения является размещение вторичных обмоток над первичными усиленным креплением. Такое решение связано с большими динамическими и термическими воздействиями на обмотки при коротких замыканиях. Преобразовательные агрегаты компоновались из тяговых трансформаторов типа ТМПУ-1000/10 и ТМПУ-2 000/10 с выпрямителями ВАКЛЕ-1 000-600Н и ВАКЛЕ-2 000-600Н.

Буквенные обозначения для трансформаторов:

М - масляный,

П - преобразовательный,

У - с уравнительным реактором;

- для выпрямителей:

ВА - выпрямительный агрегат,

К - кремниевый,

Л - на лавинных диодах,

Е - естественное охлаждение.

В последнее десятилетие произошли значительные изменения в области разработки и производства преобразовательных агрегатов. При разработке тяговых трансформаторов и выпрямителей использованы новейшие достижения в области отечественных и зарубежных технологий и материалов. Разработаны тяговые трансформаторы серии ТСЗП - для мостовых и ТСЗПУ - для нулевых схем выпрямления.

Трансформаторы этой серии различных заводов-изготовителей отличаются применяемыми изоляционными материалами. Например, в АО «Плутон» (г. Запорожье) используется материал типа «NOMEX», изготовляемый фирмой «Дюпон» (Швейцария). Этот изоляционный материал негигроскопичен, обладает высокими электрическими и механическими характеристиками, в чужом пламени не выделяет токсичных газов. Срок службы изоляции при рабочих температурах до 140°С оценивается в 280 лет, что соответственно увеличивает срок службы трансформатора в целом.

Сухие трансформаторы этой серии обладают высокой стойкостью к воздействию влаги, резким перепадам окружающей среды. Основные параметры трансформаторов серии ТСЗП и ТСЗПУ приведены в табл. 4.8.

На базе силовых полупроводниковых зарубежных фирм научно-производственным предприятием «Энергия», совместно с АО «Плутон» выполнены выпрямители ВТПЕД нового поколения. При разработке выпрямителей учитывались преемственность по отношению к предыдущим поколениям выпрямителей и совместимость применяемых силовых полупроводниковых приборов с отечественными.

Для тяговых подстанций городского электрического транспорта выпрямители серии ВТПЕД изготовляют как по нулевой, так и по мостовой схемам. Силовые полупроводниковые приборы, используемые в выпрямителях, обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с применяемыми ранее отечественными диодами и тиристорами: стабильностью параметров и меньшими потерями на протяжении всего времени эксплуатации выпрямителя, повышенный 25-й класс и меньшая рабочая температура перехода.

Эти и другие свойства приборов создают более благоприятный тепловой режим в шкафу выпрямителя и повышают его перегрузочную способность

Разработки сухих преобразовательных трансформаторов и выпрямителей нового поколения проведены на базе ОАО «Уралэлектротяжмаш». Трансформаторы обладают высокой электрической прочностью благодаря фирменной технологии изготовления термореактивной изоляции типа «Транстерм» с высокими изоляционными свойствами. Выпрямители серии ВТПЕД, предназначенные для работы с данными трансформаторами, имеют высокую надежность за счет последовательного соединения двух диодов в плече, каждый из которых рассчитан на полное напряжение выпрямителя.

Выпрямители выдерживают нагрузки 4 кА в течение 17 с (два раза с паузой 180 с).

Подключение выпрямителей к положительной шине 600 В осуществляется при помощи РУ 600 В с катодным выключателем и разъединителем. Ячейка РУ 600 В может не иметь катодного выключателя при использовании выпрямителей с мостовой схемой выпрямления.

В настоящее время внедряется в эксплуатацию выключатель ВАТ-46, имеющий меньшие габаритные размеры и массу при тех же электрических характеристиках. На рис. 4.59, Ј приведены сравнительные габаритные размеры выключателей ВАТ-43 и ВАТ-46 на напряжение 600 В и ток 1 600 А.

Комплектное распределительное устройство КРУ-600В с новым выключателем ВАТ-46 выполнено с выкатным элементом, на котором размещен выключатель с аппаратурой управления. В системе диагностики и управления ячейкой применен микропроцессорный контроллер, который обеспечивает следующее:

* местное и дистанционное управление линейного выключателя;

* непрерывный анализ токов и напряжений тяговой сети с фиксацией значений в энергозависимой памяти при аварийном отключении;

* токовременную защиту контактного провода с учетом температуры окружающего воздуха;

* управление переключателем запасной шины в соседних ячейках;

* выдачу сигналов в систему телемеханики релейными командами, а также по кодовой линии связи.

Ячейки с выкатным элементом содержат разъединитель отрицательной шины, т.е. ячейки КРУ совмещены с ячейками РУ отрицательной шины.

Размещено на Allbest.ru