Лекция 1

Лекция №1

Тема: Введение. Общие сведения о тяговых подстанциях

1. Общие сведения о тяговых подстанциях

2. Назначение подстанций, классификация тяговых подстанций и их особенности

Введение

Электростанции предназначены для производства электрической энергии. По роду первичной энергии, преобразуемой специальными агрегатами в электрическую энергию, электростанции подразделяются на: тепловые, гидравлические и атомные.

Рисунок 1.- Классификация электростанции

Тепловые электростанции. Тепловые электростанции (ТЭС) преобразуют химическую энергию топлива в электрическую энергию и тепло. К ТЭС относятся конденсационные электростанции (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), газотурбинные, с МГД - генераторами и дизельные.

КЭС - это тепловая электростанция, оборудованная паровыми турбинами, работающими по конденсационному циклу. На КЭС пар, отработавший в паровых турбинах, поступает в конденсаторы, где он, охлаждаясь, конденсируется в воду. Затем эту воду подают в паровые котлы, в которых из воды создают пар, поступающий в паровую турбину. Получается замкнутый цикл: вода - пар - турбина - вода. Потери воды в этом цикле пополняются из специальных водоемов. На КЭС устанавливают турбогенераторы (турбогенератор - это блок из паровой турбины и генератора трехфазного переменного тока) большой мощности - 200, 300, 500, 800, 1200 МВт. к. п. д. КЭС, работающей на твердом топливе, составляет 25-28%, а на пылеугольном топливе - от 34 до 40%.

тэц - это тепловая электростанция с комбинированным производством электрической энергии и тепла в теплофикационных паротурбинных установках ТЭЦ, вырабатывающие как электрическую, так и тепловую энергию (пар, горячая вода), сооружают обычно возле производственных и бытовых тепловых потребителей. В отличие от конденсационных электростанций ТЭЦ оборудуют специальными теплофикационными турбинами, в которых часть пара проходит не все ступени. Отбираемый на промежуточных ступенях турбины пар используют для производственных и бытовых нужд - центрального отопления, пропарочных цехов, сушилок фабрик и заводов. Количество отбираемого пара можно регулировать в зависимости от спроса тепловых потребителей на пар и горячую воду. Чем больше спрос на пар и горячую воду, тем выше к. п. д. тепловой части ТЭЦ, так как меньше тепла уносится из конденсатора охлаждающей водой. Полный к. п. д. ТЭЦ, характеризующий использование топлива при комбинированном отпуске электрической и тепловой энергии, достигает 60-70% и выше.

Газотурбинная электростанция - это тепловая электростанция, преобразующая химическую энергию топлива в электрическую с помощью газовых турбин. Образование рабочей газовой смеси высокого давления осуществляется в специальной камере сгорания турбины. К.п.д. электростанции с газовыми турбинами ниже, чем с паровыми турбинами, что объясняется следующим: водяные пары являются лучшим теплоносителем, чем продукты сгорания органического топлива, на котором работает газовая турбина; на приведение в действие компрессора расходуется более половины мощности, развиваемой турбиной. Основной недостаток газовой турбины состоит в том, что она может работать только на очень чистых продуктах сгорания в виде природного газа или специально очищенного и поэтому дорогого жидкого топлива. На электростанциях же с паровыми турбинами используется преимущественно низкосортное топливо.

Магнитогидродинамический генератор (МГД - генератор) позволяет получить электрическую энергию непосредственно из плазмы. МГД - генератор не имеет котла, турбины, ротора и вообще каких-либо подвижных частей. Он представляет собой резервуар, заполненный газами. Газы, разогретые до температуры 2600-2700⁰С, образуют плазму, обладающую хорошей проводимостью. Плазма перемещается мощным магнитным полем, под действием которого в ней, как в проводнике, наводится э. д. с. Таким образом, тепло непосредственно превращается в электричество. Тепло продуктов сгорания, выходящих из канала МГД -генератора, используют для получения пара в парогенераторе. Пар направляют в паровую турбину. Сочетание МГД - генератора о паровой турбиной позволяет на такой электростанции достигнуть к. п. д. 50-55%, что выше к. п. д. тепловых электростан­ций с турбинами конденсационного типа.

Дизельная элекmросmанция (ДЭС) - это тепловая электростанция, преобразующая химическую энергию жидкого топлива в электрическую с помощью дизельных агрегатов. Мощность ДЭС колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт. Основное преимущество ДЭС - быстрый пуск, поэтому они нашли широкое применение в качестве передвижных электростанций на стройках, удаленных от электрических сетей, для питания электрифицированного инструмента при выполнении ремонтных работ в путевом хозяйстве, выполнение ремонтных работ в коммунальном хозяйстве, городов и т. п. ДЭС применяют также для электрификации небольших поселков, удаленных от государственных электрических сетей, а также в качестве источников резервного питания устройств СЦБ. К. п. д. ДЭС составляет 30-32%.

Гидроэлектростанции. На гидроэлектростанциях преобразуется механическая энергия водного потока в электрическую. Гидроэлектростанции делятся так: ГЭС - приплотинные, плотинные, деривационные; ГАЭС - гидроаккумулирующие; ПЭС - приливные. Приплотинные и плотинные ГЭС строят на многоводных реках, деривационные и гидроаккумулирующие - на немноговодных реках с боль­шим перепадом воды, приливные - на побережьях морей и океанов.

На ГЭС устанавливают гидрогенераторы (гидрогенератор - это блок из гидравлической турбины и генератора трехфазного переменного тока) большой мощности: 225, 500, 640 МВт и более. Например, на Саяно-Шушенской ГЭС установлено 10 гидрогенераторов мощностью по 640 МВт ГЭС строят в местах наилучшего использования рек, так как мощность ГЭС зависит от разности бьефов (уровней воды до и после турбины) и количества воды, проходящей через турбину в единицу времени.

Преимущества ГЭС: высокий к. п. д. использования энергии падающей воды, который с учетом потерь в гидротехнических сооружениях, гидротурбинах и генераторах составляет 80-90%; самая низкая себестоимость 1 кВтч электроэнергии (по данным за 1979 г., себестоимость электроэнергии составляла на ТЭС - 0,752 коп., на АЭС - 0,786 коп., на ГЭС - 0,149 коп); сохраняются при­родные энергетические ресурсы, которые можно использовать для других технических целей; освобождается транспорт от лишних перевозок.

ГАЭС - это электростанция, работающая на воде, перекаченной из нижнего бьефа в верхний. ГАЭС применяют для покрытия остропиковой части графика нагрузок в утренние и вечерние часы суток. В ночное время воду из нижнего бьефа в верхний перекачивают гидроагрегатами, питаемыми от электрической системы. Этим достигается улучшение экономических показателей ТЭС, загружаемых в периоды спада нагрузок для наполнения бассейнов суточного регулирования ГАЭС.

ПЭС создается отсечением плотиной морского залива или бухты от моря. Волна прилива, движимая космическими силами, дважды в сутки наступает на берег океана. Общая мощность прилива составляет 1 млрд. кВт. Энергия прилива оказывалась до недавнего времени не использованной ввиду ее зависимости от ритма движения Луны (остановка, падение и нарастание через каждые 6 ч 50 мин, уменьшение мощности при убывании видимости лунного диска в течение месяца).

Атомные электростанции (АЭС). На АЭС преобразуется энергия расщепления ядер атомов химических элементов в электрическую энергию и тепло. В АЭС на тепловых нейтронах используется тепловая энергия распада атомного ядра изотопа 235 урана (содержание U²³⁵ в природном уране 0,712%) или тория. Чтобы получить тепловую энергию распада атомного ядра длительно (а не в виде взрыва) и управлять ею, применяют атомные реакторы со специальными замедлителями. По существу, АЭС является тепловой, так как тепловая энергия распада атомного ядра через специальные теплоносители передается воде, преобразуемой в пар, который приводит в движение турбогенератор. Однако вследствие интенсивного радиоактивного излучения требуется сооружение специальных средств для защиты от него, что существенно отличает АЭС от ТЭС. К. п. д. АЭС на тепловых нейронах составляет 25-30%.

Природный уран содержит в себе 99,283% изотопа U²³⁸, т. е. примерно в 140 раз больше, чем изотопа U²³⁵. Мировые запасы урана содержат в 20-40 раз больше энергии, чем разведанные запасы угля и нефти. Энергетические показатели изотопа урана U²³⁸ характеризуются следующими данными: 1 кг урана соответствует примерно 2000 т первосортного угля или 20 млн. кВтч электроэнергии; при распаде ядер атома из 1 г урана выделяется 2,310⁴ кВтч энергии, 90% которой превращается в тепло. Однако использование изотопов U²³⁸ до недавнего времени вызывало технические трудности, так как ядра U²³⁸ делятся только под действием быстрых нейтронов с энергией, превышающей 1 МэВ, тогда как ядра U²³⁵ эффективно делятся под действием нейтронов малой скорости с затратой небольшой энергии. В настоящее время в нашей стране и за рубежом строятся АЭС преимущественно с реакторами на быстрых нейтронах для использования U²³⁸.

Геотермальные электростанции. Они работают на принципе использования глубинного тепла Земли. Источниками глубинного тепла Земли являются радиоактивные превращения, химические реакции и другие явления, происходящие в земной коре. Температуры пород, а глубиной непрерывно увеличиваются и на глубинах 2-3 тыс. м превышают 100⁰С. Воды, циркулирующие на больших глубинах, нагреваются водосодержащими породами до значительных температур и могут быть выведены на поверхность буровыми скважинами. В вулканических районах глубинные воды часто подогреваются горячими газами, поднимающимися по трещинам земной коры от магматических очагов.

Солнечные электростанции. Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывают все электростанции мира. Задача состоит в том, чтобы научиться практически, использовать хотя бы ее небольшое количество. Разработка технологии использования энергии Солнца только начинается. В нашей стране исследования в области солнечной энергетики ведутся уже несколько десятилетий. Над проектами крупных солнечных электростанций работают в ряде стран Европы, в Японии и США. Некоторые из них будут введены в строй уже в самые ближайшие годы.

Общие сведения о тяговых подстанциях

На электростанциях 1 (рис. 1) генераторами вырабатывается трехфазный переменный ток промышленной частоты 50 Гц напряжением 10 кВ и выше и подается на повышающие подстанции 2. Переменный ток повышенного напряжения 35; 110 кВ и выше по линии электропередачи (ЛЭП) передается к потребителям через трансформаторы понижающей подстанции 3, понижающие напряжение до 10 кВ. Трансформаторы понижающей подстанции 4 понижают напряжение до 380/220 В. От шин пониженного напряжения энергия поступает к потребителям 5. Потребители 6 питаются от шин электростанции через понижающую подстанцию 7. Совокупность воздушных и кабельных линий электропередачи и подстанций, работающих на определенной территории, называются электрической сетью.

Рисунок 2- Схема электрической сети

Электрическая подстанция - это электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии. Подстанции бывают повышающие и понижающие.

Повышающие подстанции 2 (см. рис. 1) сооружают обычно непосредственно при электростанциях. Они служат для связи электростанции с электрической системой и передачи электроэнергии до потребителей высоким напряжением.

Понuжающuе подстанции 3 (см. рис. 1) предназначены для преобразования напряжения питающей сети в более низкое напряжение, при котором электроэнергия передается потребителям, при соединенным к данной подстанции. Они бывают с одним вторичным напряжением 10 (11) кВ и двумя вторичными напряжениями 10 (11) и 35 (38,5) кВ, как подстанция 2. На первых устанавливают двухобмоточные трансформаторы, а на вторых - трехобмоточные. Напряжение 35 кВ используют для питания удаленных от подстанций потребителей, а напряжение 10 кВ - для питания потребителей, расположенных вблизи подстанции.

Рисунок 3- Схема электрической сети

Кроме однофазных и трехфазных двух- и трехобмоточных трансформаторов, применяют однофазные и трехфазные автотрансформаторы, а также трансформаторы с расщепленными фазами на стороне низшего напряжения.

Рисунок 4- Устройство трехобмоточного трансформатора

У трансформаторов с расщепленными фазами обмотка низшего напряжения разделена на две по мощности равные части и каждая часть имеет отдельные выводы на крышке бака трансформатора. Такие трансформаторы позволяют уменьшить токи КЗ на стороне низшего напряжения и применить в РУ-6 или 10 кВ более дешевое оборудование, так как каждая часть обмотки может работать на отдельную систему или секцию сборных шин.

Режим работы, для которого машины и аппараты спроектированы и изготовлены, называется номинальным. Номинальный режим работы трансформатора характеризуется номинальными величинами, обозначенными на заводском щитке: мощностью, напряжением, током, испытательным напряжением короткого замыкания. ГОСТ 9680-77Е предусматривает следующие номинальные мощности трансформаторов и автотрансформаторов в кВА: 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300; 10000; 16000; 25000; 40000; 63000 и более. Номинальная мощность однофазного трансформатора, предназначенного для работы в трехфазной группе, должна составлять одну треть мощности, указанной выше. Например, однофазный трансформатор мощностью 10000 кВА должен работать в трехфазной трансформаторной группе мощностью 30000 кВА.

Номинальные напряжения электрических сетей и присоединяемых к ним источников приемников энергии до 1000 В общепромышленного назначения приведены в табл. 1, выше 1000 В - в табл. 2 (ГОСТ 721-77 и ГОСТ 21128-75). Кроме указанных в табл. 1 и 2, имеются следую­щие напряжения: 3; 150; 330; 500; 750 и 1150 кВ. Напряжения 3 и 150 кВ не рекомендованы для новых электроустановок. Для общепромышленного применения допускаются напряжения однофазного переменного тока 24 и 36 В и постоянного тока - 12, 24, 36, 48 и 60 В.

Номинальным током электрических машин, трансформаторов и аппаратов является наибольший допустимый ток, при прохождении которого сколь угодно длительное время температура нагрева токоведущих частей и изоляции не превышает установленной нормами величины при определенной расчетной температуре окружающей среды. Наиболее предпочтительными являются номинальные токи, кратные и дольные следующим значениям (ГОСТ 6827-76): 1,0; 1,6; 2,5; 4,0 и 6,3 А. Например, 0,1; 1,0; 10; 100; 1000; 10000 и 100000 А.

Иcnыmательное напряжение короткого замыкания зависит от мощности трансформатора, напряжения обмотки высшего напряжения, количества фаз и обмоток (одно- или трехфазные, двух- или трехобмоточные), способа регулирования напряжения. Буквы и цифры, обозначающие тип трансформатора или автотрансформатора, имеют следующие значения в порядке их написания.

Исполнение: А - автотрансформатор (трансформатор не имеет отличительного буквенного обозначения); Т - трехфазный; О - однофазный; Р - наличие расщепленной обмотки НН. Вид охлаждения обозначается одной или двумя буквами. Сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением: С - открытым, СЗ - защищенным, СГ - герметичным исполнением и СД - с воздушным дутьем. Масляные трансформаторы: М - естественная циркуляция масла и воздуха; Д - принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла; МЦ - естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла; ДЦ - принудительная циркуляция воздуха и масла; МВ - принудительная циркуляция воды и естественная циркуляция масла; Ц - принудительная циркуляция воды и масла. Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком: Н - естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком; НД - охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем. Количество обмоток: Т - трехобмоточный (двухобмоточный трансформатор не имеет специального буквенного обозначения). Наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) в одной из обмоток трансформатора - Н. В числителе дроби после буквенного обозначения типа указывается номинальная мощность трансформатора в кВА, в знаменателе - класс напряжения обмотки ВН в кВ. Пример обозначения трансформатора: ТРДН-25000/110 - трехфазный с расщепленной обмоткой НН, принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляцией масла, регулированием напряжения под нагрузкой мощностью 25000 кВА, напряжением 110 кВ обмотки ВН.

Таблица 1

Напряжение постоянного тока, В		Напряжение переменного тока, В
Источники и преобразователи	Сети и приемники	Источники и преобразователи		Сети и приемники
		Однофазный ток	Трехфазный ток	Однофазный ток	Трехфазный ток
28,5 115 230	27 110 220	42 230 230	42 230 400	40 220 380	40 220 380

Таблица 2

Номинальное междуфазное напряжение, кВ				Наибольшее рабочее напряжение электрооборудования, кВ
Генераторы	Сети и приемники	Трансформаторы и втотрансформаторы (в числителе – без РПН, в знаменателе – с РПН)
		Первичные обмотки	Вторичные обмотки
6,3 10,5 - - -	6 10 35 110 220	6 и 6,3 10 и 10,5	6,3 и 6,6 10,5 и 11 38,5	7,2 12 40,5 126 252

Б~~И~~~А

I

f'.6!' [7

. ~

Энергетическая и электрическая системы

Электростанции объединены в Единую энергетическую систему, от которой питаются потребители тепловой и электрической энергии.

Энергетическая система представляет собой совокупность электрических станций, трансформаторных подстанций, линий электропередачи и тепловых сетей, приемников тепловой и электрической энергии, связанных между собой общностью процесса производства, распределения и потребления тепловой и электрической энергии.

Часть энергетической системы, состоящая из генераторов, повышающих и понижающих подстанций, линий электрической сети и приемников электроэнергии, называется электрической системой.

Районная электрическая сеть, состоящая из ТЭЦ, кэс, гэс, АЭС и ГАЭС (рис. 2), высоковольтных линий Л1-Л12 и трансформаторных подстанций П1-П4 обеспечивает надежное электроснабжение потреби­телей. Например, при повреждении двухцепной линии Л7 подстанция П4 имеет связь по Л8 с ГАЭС и соединенными с ней электростанциями и подстанциями. Поэтому у потребителей, питающихся от шин 35 и 10 кВ подстанции П4, не будет перерыва в электроснабжении. Рассматриваемая районная электрическая система линиями Л2 и Л6 напряжением 500 кВ связана с другой районной электрической системой.

В зависимости от положения в электрической сети подстанции подразделяют на тупиковые, транзитные и узловые. Тупиковой подстанцией является такая, которая принимает, преобразует и распределяет энергию пониженного напряжения по потребителям. Примером такой подстанции является подстанция П1, кoтopaя по двухцепной линии Л1 питается от шин 220 кВ кэс. Транзитной или проходной (П4) называется такая подстанция, через первичные шины (110 кВ) которой проходит энергия к другим подстанциям без изменения напряжения. Узловой (П2, ПЗ) называется такая подстанция, которая связывает электрические сети различного напряжения. Отличие П2 от П3 состоит в том, что П2 линиями Л3, Л4, Л9, Л10 и Л12 связывает сети напряжением 110, 220 и 500 кВ своей электрической системы, а П3 связывает данную сеть с сетями другой электрической системы.

Районные электрические системы имеют громадное народнохозяйственное значение. При совместной работе всех электростанций на общую электрическую сеть обеспечивается более надежное электроснабжение потребителей электроэнергии и достигается более экономное использование оборудования отдельных электростанций и энергетических ресурсов.. Известно, что потребность в электрической энергии в течение суток, месяца, года неодинакова. Максимум годовой нагрузки обычно бывает в вечерние часы зимних месяцев, а минимум приходится на ночные часы. При этом летом расход энергии меньше, чем зимой.

В настоящее время имеется около 60 районных электрических систем, от которых осуществляется централизованное снабжение электрической энергией железнодорожных, промышленных и сельскохозяйственных потребителей.

Назначение подстанций, классификация тяговых подстанций и их особенности

Электрическая тяга относится к потребителям 1-й категории. Поэтому основным требованием к тяговым подстанциям является обеспечение надежной работы оборудования и бесперебойного электроснабжения электроподвижного состава. Из этого требования исходят при проектировании тяговых подстанций и им руководствуются во время монтажа и эксплуатации. Надежность работы тяговых подстанций и бесперебойность электроснабжения тяговых потребителей обеспечиваются правильным выбором схемы питания от электроснабжающей системы, типа и мощности преобразовательных агрегатов, схемы и аппаратуры распределительных устройств, системы резервирования, системы защиты от возможных нарушений нормального режима, системы управления.

Согласно Ведомственным нормам технологического проектирования электрификации железных дорог (ВНТП-81) тяговые подстанции должны обеспечиваться, как правило, двусторонним питанием; радиальное питание от одного источника допускается по двухцепной линии только одной тяговой подстанции. Источниками питания тяговых подстанций служат районные подстанции.

Тяговые подстанции подразделяют на подстанции постоянного и переменного тока. Тяговые подстанции постоянного тока различают (рис. 3): по первичному напряжению - 6 или 10 кВ (ТП8), 35 кВ (ТП7), 110 или 220 кВ (ТП1-ТП5); по роли и назначению в электрической схеме питающей энергосистемы - тупиковые (ТП7-ТП8), промежуточные, которые подразделяются на транзитные (ТП5) и отпаечные (ТП3), и опорные (ТП1). Опорные тяговые подстанции служат для распределения электроэнергии, поступающей от электрической системы; от их шин отходят линии электропередачи в разных направлениях для питания других тяговых подстанций. Опорной считается подстанция, к шинам 110-220 кВ которой присоединяется не менее трех питающих линий электропередачи.

Исходя из обеспечения надежности электроснабжения промежуточных тяговых подстанций к двух цепной ЛЭП с двусторонним питанием разрешается присоединять при напряжении 220 кВ не более пяти тяговых подстанций как при электрификации на постоянном, так и на переменном токе, включая подстанции для питания нетяговых потребителей, при напряжении 110 кВ - не более пяти при электрификации на постоянном и не более трех при электрификации на переменном токе. Между двумя подстанциями, включенными в рассечки ЛЭП-110 (220) кВ, может находиться не более одной отпаечной подстанции. При двухцепной' JIЭП, у которых обе цепи подвешены на общих опорах, применяют присоединение промежуточных подстанций только в рассечку ЛЭП. В этом случае повреждение даже обеих цепей на каком-либо участке ЛЭП не вызовет выпадение из работы ни одной подстанции после отключения поврежденного участка. Подстанции на от пайках не обладают этим качеством.

На подстанциях, включенных в рассечку ЛЭП (ТП5), выключатель 13 и разъединители 12 и 14 нормально включены, а разъединители 10 и 11 отключены и включаются только на время выведения в ремонт выключателя 13. Отделители 15 и 17 предназначены отделять от ЛЭП поврежденные трансформаторы Тр1 и Тр2, короткозамыкатели 16 и 18 - для создания искусственного однофазного КЗ для лэп при повреждении Тр1 или Тр2. На отпаечной подстанции (ТП3) отделители 6, 8 и короткозамыкатели 7, 9 имеют такое же назначение, что и на транзитной; разъединители 4 и 5 нормально отключены и включаются, когда оба трансформатора питаются от одной цепи ЛЭП. На подстанциях с первичным напряжением 110 (220) кВ (ТП1) преобразовательные агрегаты, состоящие из трансформатора 1 и выпрямителя 2, присоединяют к шинам 10 кВ. На подстанциях с первичным напряжением 35 кВ (ТП7) преобразовательные агрегаты присоединяют к шинам 35 кВ. Для подстанции ТП8 в качестве примера показана цепь выпрямленного тока от преобразовательного агрегата 22 через плюсовую шину, БВ 23, питающую линию 24, контактную сеть, токоприемник 25 к двигателю 26 электровоза. Ток через обмотки двигателей электровоза проходит в рельсы и затем через отсасывающую линию 27, реактор 28 и минусовую шину к нулевой точке трансформатора.