Передача электроэнергии

Электроэнергия, вырабатываемая генератором, отводится к повышающему трансформатору по массивным жестким медным или алюминиевым проводникам, называемым шинами. Шина каждой из трех фаз изолируется в отдельной металлической оболочке, которая иногда заполняется изолирующим элегазом (гексафторидом серы).

Трансформаторы повышают напряжение до значений, необходимых для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния.

Генераторы, трансформаторы и шины соединены между собой через отключающие аппараты высокого напряжения – ручные и автоматические выключатели, позволяющие изолировать оборудование для ремонта или замены и защищающие его от токов короткого замыкания. Защита от токов короткого замыкания обеспечивается автоматическими выключателями. В масляных выключателях дуга, возникающая при размыкании контактов, гасится в масле. В воздушных выключателях дуга выдувается сжатым воздухом или применяется «магнитное дутье». В новейших выключателях для гашения дуги используются изолирующие свойства элегаза.

Для ограничения силы токов короткого замыкания, которые могут возникать при авариях на ЛЭП, применяются электрические реакторы. Реактор представляет собой катушку индуктивности с несколькими витками массивного проводника, включаемую последовательно между источником тока и нагрузкой. Он понижает силу тока до уровня, допустимого для автоматического выключателя.

С экономической точки зрения, наиболее целесообразным, на первый взгляд, представляется открытое расположение большей части высоковольтных шин и высоковольтного оборудования электростанции. Тем не менее все чаще применяется оборудование в металлических кожухах с элегазовой изоляцией. Такое оборудование необычайно компактно и занимает в 20 раз меньше места, нежели эквивалентное открытое. Это преимущество весьма существенно в тех случаях, когда велика стоимость земельного участка или когда требуется нарастить мощность существующего закрытого распредустройства. Кроме того, более надежная защита желательна там, где оборудование может быть повреждено из-за сильной загрязненности воздуха.

Для передачи электроэнергии на расстояние используются воздушные и кабельные линии электропередачи, которые вместе с электрическими подстанциями образуют электросети. Неизолированные провода воздушных ЛЭП подвешиваются с помощью изоляторов на опорах. Подземные кабельные ЛЭП широко применяются при сооружении электросетей на территории городов и промышленных предприятий. Номинальное напряжение воздушных ЛЭП – от 1 до 750 кВ, кабельных – от 0,4 до 500 кВ.

2. Распределение электроэнергии

На трансформаторных подстанциях напряжение последовательно понижается до уровня, необходимого для распределения по центрам электропотребления и, в конце концов, по отдельным потребителям. Высоковольтные ЛЭП через автоматические выключатели присоединяются к сборной шине распределительной подстанции. Здесь напряжение понижается до значений, установленных для магистральной сети, разводящей электроэнергию по улицам и дорогам. Напряжение магистральной сети может составлять от 4 до 46 кВ.

Рис. 2 ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ПОДСТАНЦИЯ близ Бергена (Норвегия).

На трансформаторных подстанциях магистральной сети энергия ответвляется в распределительную сеть. Сетевое напряжение для бытовых и коммерческих потребителей составляет от 120 до 240 В. Крупные промышленные потребители могут получать электроэнергию с напряжением до 600 В, а также с более высоким напряжением – по отдельной линии от подстанции. Распределительная (воздушная или кабельная) сеть может быть организована по звездной, кольцевой или комбинированной схеме в зависимости от плотности нагрузки и других факторов. Сети ЛЭП соседних электроэнергетических компаний общего пользования объединяются в единую сеть.

2. Электроснабжение электрических железных дорог

Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем.

Энергосистема – это совокупность крупных электрических станций, объединены линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объ­единяют электростанции различных ти­пов: тепловые, где используются разно­образные виды органического топлива, гидравлические и атомные.

Рис. 3 Общий вид электрифицированной железной дороги постоянного тока и питающих её устройств

Следует отметить, что нагрузки элек­трической тяги отличаются большой равномерностью, а это способствует бо­лее стабильной работе энергосистем. От Единой энергетической системы нашей страны питаются электрические маги­страли европейской части страны, Ура­ла, Сибири. Питание от мощных энерго­систем обеспечивает бесперебойность снабжения электроэнергией потребите­лей, в том числе и электрического подвижного состава.

На рис. 3 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде об­щая схема электроснабжения электри­фицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции.

Трехфазный переменный ток напря­жением 6—10 кВ от генераторов элек­тростанции по кабелю проходит к повы­шающему трансформатору, здесь в за­висимости от различных условий напря­жение может быть повышено до 20. 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номиналь­ные значения напряжений предусмотре­ны действующими в СССР стандартами.

Затем ток по линии электоопередачи (ЛЭП) проходит к потребителям, в дан­ном случае к тяговой подстанции. Если произойдет короткое замыкание на ли­нии электропередачи или возникнут не­допустимые перегрузки, высоковольт­ный выключатель отключит ее от элек­трической станции. Этот же выключа­тель используют для снятия напряже­ния с линии, например, при ее осмотре.

Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первич­ную обмотку трансформатора тяговой подстанции, который понижает напряжение переменного трехфазного тока до значения, необходимого¹ для нормаль­ной работы электроподвижного состава (э. п. с).

Устройство и работа тяговых под­станций дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, резко различаются.

На тяговой подстанции постоянного тока, которая показана на рис. 2, пере­менный ток преобразуется в постоян­ный. Первоначально для этой цели ис­пользовали вращающиеся преобразова­тели, которые состояли из мощных дви­гателей переменного тока, установлен­ных на одном валу с генераторами по­стоянного тока. Затем вместо тяжелых и громоздких машинных преобразовате­лей стали применять ртутные выпрями­тели. В дальнейшем все ртутные вы­прямители были заменены полупровод­никовыми.

Выпрямленное напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий выключатель — и питающую линию (фидер) подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях электровоза ток от вторичной обмотки трансформатора проходит через выпрямитель, быстро­действующий выключатель, фидер, кон­тактную сеть, пускорегулирующие аппа­раты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электриче­скую цепь, рельсы соединяют отсасыва­ющей линией с нулевой точкой вторич­ной обмотки трансформатора.

Быстродействующий выключатель автоматически отключает фидер, а, сле­довательно, и контактную сеть в случае перегрузки и коротких замыканий по­следней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства ка­ких-либо работ, для чего также отклю­чают быстродействующий выключатель.

Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для по­нижения напряжения, подводимого от ЛЭП, преобразования переменного тока в постоянный и распределения электри­ческой энергии постоянного тока по уча­сткам контактной сети.

Если железная дорога электрифици­рована на переменном токе промышлен­ной частоты, то тяговая подстанция предназначена для понижения напря­жения, подводимого ЛЭП, и распреде­ления электрической энергии по участ­кам контактной сети. На линиях, элек­трифицированных на переменном токе, замкнутый контур тока образуется при­соединением одного конца первичной обмотки трансформатора, расположен­ного на электровозе, к контактной сети, а другого — к рельсу и далее через отсасывающую линию к подстанции. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, поскольку выпрямление напряжения для питания тяговых двигателей осу­ществляется на самом подвижном со­ставе.

Коэффициент полезного действия электрической тяги выражается произ­ведением к. п. д. отдельных звеньев сис­темы питания электрифицированной железной дороги: электростанции, ли­нии электропередачи, тяговой подстан­ции, контактной сети и самого элек­тровоза. Если энергия поступает от теп­ловой электростанции, к. п. д. которой примерно 35%, то полный к. п. д. элек­трической тяги составляет около 28%. С тем же примерно к. п. д. работают электрифицированные железные доро­ги, которые начали получать энергию от атомных электростанций. Гидроэлек­тростанции, к. п. д. которых достигает 85%, питают примерно одну пятую часть электрифицированных железных дорог; к. п. д. электротяги составляет при этом 60—62%.

3. Тяговые подстанции

Тяговая подстанция — в общем случае, электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии.

Электроустановка — совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены). Может быть предназначена для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования её в другой вид энергии.

Основным нормативным документом для создания электроустановок являются «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ), а при эксплуатации — «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» (ПТЭЭП).

Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только для подстанций постоянного тока 3,3 кВ) для передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.

Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 5—25 км для подстанций постоянного тока и 50—80 км для подстанции переменного тока. 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 электропередач напряжением 10—220 кВ. Электроэнергия поступает в открытое распределительное устройство, на понижающий трансформатор. С понижающего трансформатора 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 нормируется Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и установлено на уровне 3100 В.

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.

Исторически сложилось так, что тяговые подстанции в России иногда были единственными источниками электрической энергии приемлемого уровня напряжения для её последующего распределения, поэтому на всех тяговых подстанциях имеется распределительное устройство для распределения и дальнейшей транспортировки электрической энергии напряжением 35—0,4 кВ как железнодорожным, так и нежелезнодорожным потребителям.

Страницы: ← предыдущая следующая →

Тяговые подстанции преобразующие переменный ток высокого напряжения в постоянный ток более низкого напряжения 850 В (750-900 В) применяются и в метро.

1. Тяговые подстанции для электрификации железных дорог
постоянного и переменного тока

Подстанции в модульном исполнении собираются из типовых модулей-контейнеров, содержащих готовые функциональные блоки. Подстанции в капитальных зданиях монтируются из укрупненных функциональных блоков (ФБ), собранных в заводских условиях.

Рис. 7 Схема основных цепей типовой тяговой подстанции постоянного тока

Таблица 1 Основные технические параметры

Напряжение входное	220 (110, 35, 10) кВ
Напряжение выходное	3,3 кВ
Мощность преобразования	до 10 МВт
Количество фидеров постоянного тока	4 - 8 шт.

Рис. 8 Тяговая подстанция переменного тока "Олехновичи" (Белоруссия)

Рис. 9 Схема основных цепей типовой тяговой подстанции переменного тока

Таблица 2 Основные технические параметры

Напряжение входное	110 (220) кВ
Напряжение выходное	27,5 кВ
Количество фидеров контактной сети	4-8 шт.
Количество фидеров ДПР	2. шт.

2. Комплекты функциональных блоков тяговых подстанций

Все распределительные устройства на напряжение 6 / 10 / 27,5 кВ выполнены в виде комплектных распредустройств (КРУ) внутренней установки и поставляются вместе с токопроводами, кабелями вторичных цепей и с сухими трансформаторами собственных нужд 10 / 0,4 кВ и ВЛ СЦБ 0,4/10 кВ.

Рис. 10 Машинный зал тяговой подстанции "Полтава" Южной железной дороги Украины

Комплект ФБ общего применения (как для ТП постоянного тока, так и для ТП переменного тока) включает в себя следующие базовые блоки: блок РУ-10 кВ, блок РУ-10 кВ ВЛ СЦБ с сухим трансформатором, блок ОПС, блок ОПУ-110 (220) кВ, блок собственных нужд постоянного и переменного тока, блок аккумуляторов, блок дизель-генератора, сухие трансформаторы собственных нужд.

В комплект ФБ для ТП постоянного тока, помимо выше упомянутых блоков общего применения, входят: ячейки фидеров РУ-3,3 кВ; ячейка запасного выключателя РУ-3,3 кВ; блок фильтрустройства; блок заземляющего разъединителя шин РУ-3,3 кВ; блок тягового выпрямителя; камера реактора отсоса.

Рис. 11 Функциональный блок РУ-10 кВ, ПВА и сухой трансформатор на тяговой подстанции постоянного тока "Броневая" Октябрьской железной дороги

В комплект ФБ для ТП переменного тока помимо упомянутых выше блоков общего применения входят: блоки шкафов управления РУ-27,5 кВ; ячейка ввода 27,5 кВ; ячейка фидера КС 27,5 кВ; ячейка запасного выключателя 27,5 кВ; ячейка ДПР 27,5 кВ; ячейка трансформатора напряжения ТН 27,5 кВ; ячейка секционного разъединителя 27,5 кВ; ячейка компенсирующего устройства 27,5 кВ; блок конденсаторов комплектующего устройства 27,5 кВ.

Рис. 12 ЗРУ-27,5 кВ на тяговой подстанции переменного тока "Олехновичи" (Белоруссия)	Рис. 13 Ячейка ввода ЗРУ-27,5 кВ на тяговой подстанции переменного тока "Олехновичи" (Белоруссия)

3. Конструктивное исполнение блоков тяговых подстанций

Конструктивно блоки представляют собой сборку ячеек, шкафов и панелей КРУ, объединенных несущими рамами, общим токопроводом и вторичными цепями.

Рис. 14 РУ-10 кВ на тяговой подстанции постоянного тока "Яндеба" Октябрьской железной дороги

Разработано два варианта конструкции укрупненных функциональных блоков:

· собственно функциональные блоки, в которых все оборудование размещено на рамах (для удобства установки в капитальных или легковозводимых зданиях);

· модули, в которых функциональные блоки размещены в закрытых контейнерах, обеспечивающих установку на открытых площадках.

Конструкция контейнера представляет собой жесткий каркас, обшитый металлическими листами и утеплителем. Модуль укомплектован устройствами для освещения, подогрева и вентиляции, что обеспечивает необходимые условия для работы установленного оборудования.

Рис. 15 Модули преобразовательно - выпрямительных агрегатов на тяговой подстанции постоянного тока "Металлострой" Октябрьской железной дороги

Типовые модули выполняются двух типоразмеров: 4,8(6.0) L * 3,2 C * 3,9 Н м;

В обоих вариантах конструктивного исполнения в блоках обеспечен свободный доступ ко всем элементам оборудования, включая шинопроводы и изоляторы, для осмотра и проведения регламентных работ. Высоковольтные вводы осуществляются шинами или кабелем; низковольтные кабели подключаются к клеммникам шкафов.

Блоки устанавливаются в зданиях на кабельный канал или ровный бетонный пол. Климатическое исполнение блоков по ГОСТ 15150-69-УХЛ, категория размещения 4.

При этом:

· Диапазон рабочих значений температур окружающего воздуха +1^оС ÷ +35^оС

· Нижнее значение температуры окружающего воздуха при транспортировке и хранении -50^оС

Рис. 16 Машинный зал на тяговой подстанции постоянного тока "Мурманские Ворота" Октябрьской железной дороги

Модули (контейнеры) могут устанавливаться на рельсошпальную решетку или бетонный фундамент. Климатическое исполнение модулей по ГОСТ 15150-69-У, категория размещения 1.

При этом:

· Диапазон рабочих значений температур окружающего воздуха -40^оС ÷ +40^оС

· Нижнее значение температуры окружающего воздуха при транспортировке и хранении -60^оС

Блоки (в заводской упаковке) и модули (без упаковки) могут транспортироваться железнодорожным и автомобильным транспортом; условия транспортирования по группе С ГОСТ 23216-78.

4. Эксплуатационная готовность системы тягового электроснабжения

Длительная эксплуатационная готовность оценивается как вероятность того, что система при определенных условиях будет в полном объеме выполнять свои задачи.

На практике решающим фактором является длительность перерыва в подаче электроэнергии на электроподвижной состав. В связи с этим были проведены исследования, целью которых было определение влияния перерывов в питании от контактной сети на маршрутную скорость поезда. На основе этих исследований предложено в качестве допустимого считать 2-минутный перерыв в подаче напряжения из системы тягового электроснабжения на электроподвижной состав.

Структура системы д ля оценки надежности системы тягового электроснабжения железных дорог целесообразно представить структуру системы таким образом, чтобы были видны как взаимосвязи в системе, так и параметры отдельных ее элементов. Упрощенно ее можно рассматривать как последовательную систему, которая может быть полностью выведена из строя при отказе одной из составляющих. Таким образом, данные о выходах из строя отдельных частей и их элементов могут являться основой для оценки надежности всей системы в целом.

Система тягового электроснабжения рассчитана таким образом, чтобы в нормальных условиях был возможен режим движения с интервалом следования поездов Ј 2 мин. Основными критериями оценки при этом являются: допустимое падение напряжения, токовые нагрузки в контактной сети и мощность тяговой подстанции.

Элементы системы тягового электроснабжения после выхода из строя ремонтируются и затем используются дальше до достижения предельного срока, который, как правило, превышает нормативный. Такие элементы системы электроснабжения, как электростанции, линии электропередачи и распределительные устройства, всегда имеют резервы и поэтому обладают высокой эксплуатационной готовностью.

Страницы: ← предыдущая следующая →