Лекции

К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й

ПО КУРСУ

«ТЯГОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ

ПОДСТАНЦИИ»

СОДЕРЖАНИЕ КОНСПЕКТА ЛЕКЦИЙ

Лекции № 1, № 2

ТЕМА: Общие сведения о тяговых подстанциях. Схемотехника тяговых подстанций постоянного и переменного тока.

1.Назначение и классификация подстанций.

2.Требования, предъявляемые к подстанциям.

3.Структурные схемы подстанций переменного и постоянного тока.

4.Типовые схемы отдельных присоединений распределительных устройств тяговых подстанций постоянного и переменного тока.

5.Схемы главных электрических соединений РУ – 3,3 кВ.

6.Схемы главных электрических соединений ОРУ – 27,5 кВ.

7.Однолинейная схема подстанции переменного тока.

8.Функционально-блочное построение тяговых подстанций.

Лекции № 3, № 4

ТЕМА: Короткие замыкания и расчет токов к.з.

1.Короткие замыкания, цель расчета токов к.з. виды к.з.

2.Векторные диаграммы различных видов к.з.

3.Аналитическое выражение для тока к.з. Ударный ток к.з. Временные диаграммы процесса к.з.

4.Расчет токов к.з.

Лекции № 5, № 6

ТЕМА: Электродинамическое и термическое действии токов к.з. Проверка электрооборудования на действия токов к.з.

1.Электродинамическое действие токов к.з.

2.Термическое действие токов к.з.

3.Проверка электрооборудования на электродинамическую и термическую стойкость.

Ле к ц и и № 1, № 2

Вданных лекциях рассматривается первая обширная тема курса, связанная с общими сведениями о тяговых и трансформаторных подстанциях,

атакже со схемотехникой тяговых и трансформаторных подстанций, постов секционирования.

Начнем рассмотрение данной темы с назначения и классификации тяговых подстанций.

Назначение и классификация тяговых подстанций.

Как известно, электрическая тяга является неавтономной, в связи с чем электроподвижной состав (ЭПС) получает электрическую энергию от внешних источников – генераторов электростанций. Так как вырабатываемая на электростанциях электрическая энергия представляет собой переменное синусоидальное напряжение, передаваемое потребителям при высоком уровне (35-220 кВ), а электроподвижному составу требуется для питания постоянное (3 кВ) или переменное (25 кВ) напряжение, то необходимо иметь устройства преобразования электрической энергии.

Для получения электрической энергии от системы внешнего электроснабжения (СВЭ) и преобразования её в тот род тока и уровень напряжения, который необходим для питания ЭПС и служат специальные электротехнические устройства – тяговые подстанции. Также, кроме питания ЭПС, от тяговых подстанций получают питание железнодорожные нетяговые потребители (устройства СЦБ, депо, платформы и др.) и посторонние (районные) потребители.

Тяговые подстанции можно классифицировать по следующим признакам:

•по роду тока;

•по схемам присоединения к ЛЭП;

•по конструктивному выполнению;

•по видам управления и обслуживания.

Развернутое представление такой классификации приведено на рис.1.1.

Кратко охарактеризуем такую классификацию.

По роду тока тяговые подстанции подразделяются на подстанции постоянного тока 3,3 кВ и переменного тока – 27,5 кВ, 2х27,5 кВ, а также стыковые (3,3/27,5 и 3,3/2х27,5 кВ). В ряде стран Западной Европы (Германия, Швеция, Норвегия, Швейцария) для питания ЭПС применяются тяговые подстанции, от которых в контактную сеть подается напряжение 15 кВ, 16 и 2/3 Гц, а в ЮАР и Канаде имеются подстанции, от которых в контактную сеть подается напряжение 50 кВ, 50 Гц.

Рис. 1.1 Классификация тяговых подстанций

С целью повышения технико-экономических показателей системы тягового электроснабжения (СТЭ) в начале 1990-х годов на Октябрьской ж.д. сооружена тяговая подстанция постоянного тока повышенного напряжения (12 кВ), а на Забайкальской ж.д. на участке Карымская – Забайкальск начинается сооружение тяговых подстанций переменного тока повышенного напряжения 94 кВ. Следует отметить, что в СТЭ повышенного напряжения как постоянного, так и переменного тока сохраняется традиционный ЭПС 3 кВ постоянного тока и 25 кВ переменного тока, в связи с чем в межподстанционной зоне устанавливаются преобразовательные пункты для понижения напряжения и подаче его в контактную сеть.

В настоящее время на электрифицированных линиях Российской Федерации протяженностью 43 тыс. км. в эксплуатации находится 1397 тяговых подстанций, из них переменного тока 456 (32,8 %), совмещенных на два рода тока – 24. Имеется также 1210 постов секционирования (из них переменного тока 383), пунктов параллельного соединения – 882 (из них переменного тока 168) и 80 автотрансформаторных пунктов системы электрической тяги 2х25 кВ.

По схемам присоединения тяговых подстанций к ЛЭП они подразделяются на опорные, промежуточные (транзитные, отпаечные) и тупиковые.

Выбор схем присоединения тяговых подстанций регламентируется рядом нормативных документов – Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), ПУСТЭ ж.д. РФ, строительными нормами и правилами (СНиП), Ве

домственными нормами технологического проектирования электрификации железных дорог (ВНТП). В этих документах учитываются требования надежности электроснабжения, гибкости схемы, удобства оперативных переключений и выводов в ремонт оборудования, экономичности РУ.

В соответствии со СНиП и ВНТП, с точки зрения надежности и гибкости, схему электроснабжения выполняют так, чтобы обеспечить необходимый уровень напряжения на шинах подстанции в аварийных и нормальных режимах работы СВЭ. При этом, исходя также из того, чтобы на электрифицированном участке длинной 150-200 км при отключении ЛЭП или районной подстанции обесточивалась лишь одна тяговая подстанция. Для обеспечения необходимого уровня напряжения на шинах тяговых подстанций через каждые 150-200 км при ЛЭП 110 кВ и 250-300 км при ЛЭП 220 кВ сооружают опорные подстанции. Опорные подстанции служат для приема электрической энергии от СВЭ и распределение ее на другие подстанции. Опорная подстанция имеет не менее 3 высоковольтных вводов. Между опорными подстанциями включают промежуточные подстанции, которые в свою очередь делятся на транзитные и отпаечные. Транзитные подстанции включаются в рассечку ЛЭП 110-220 кВ через высоковольтные выключатели, т.е. через них проходит транзит энергии от одной до другой опорной подстанции. Подстанции, которые питаются глухими ответвлениями, отпайками от ЛЭП, называется отпаечными. Подстанции, питаемые двумя и радиальными линиями от другой подстанции, называются тупиковыми.

Схема внешнего электроснабжения электрифицированной железной дороги должна обеспечивать питание тяговых подстанций (кроме расположенных на слабозагруженных участках) от энергосистемы на условиях, предусмотренных для потребителя с электроприемниками категории I, т.е. выход из работы одной из подстанций (секции шин) энергосистемы или питающей линии не должен приводить к отключению тяговой подстанции. Для этого тяговые подстанции должны иметь, как правило, двустороннее питание от двух подстанций энергосистемы или по двум радиальным линиям от разных систем шин одной подстанции энергосистемы, имеющей не менее двух источников питания. По двухцепной тупиковой воздушной линии электропередачи (ВЛ) допускается питание не более одной тяговой подстанции.

При двустороннем питании подстанций по одноцепной ВЛ число промежуточных подстанций (в том числе подстанций не питающих тягу), включаемых в рассечку ВЛ между опорными подстанциями (рис. 1.2), как правило не должно быть более трех.

Присоединение тяговых подстанций к одноцепной ВЛ на ответвлениях не допускается.

Рис. 1.2. Схема питания тяговых подстанций по одноцепным ЛЭП

От двухцепной ВЛ (при подвешивании обеих цепей на общих опорах) с двусторонним питанием на участке между двумя опорными подстанциями рекомендуется обеспечить питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединяемых по схеме (рис. 1.3):

-для ВЛ 220 кВ – не более пяти при электрической тяге как на постоянном, так и на переменном токе;

-для ВЛ 110 кВ – не более пяти при электрической тяге на постоянном токе и трех – на переменном токе.

Рис. 1.3. Схема питания тяговых подстанций по двухцепным ЛЭП на общих опорах

От двух одноцепных ВЛ с двусторонним питанием на участке между опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединяемых по схеме рис. 1.4:

-для ВЛ 220 кВ – не более пяти на электрической тяге как на постоянном, так и на переменном токе;

-для ВЛ 110 кВ – не более пяти при электрической тяге на постоянном и трех на переменном токе.

Рис. 1.4. Схема питания тяговых подстанций по двум одноцепным ЛЭП

На слабозагруженных участках железных дорог допускается обеспечение надежности питания тяговых подстанций как потребителей с электроприемниками категории II: односторонее питание тяговых подстанций, питание тяговых подстанций от одной секционированной линии электропередачи при условии подключения смежных подстанций к разным секциям линии, подключение подстанций к питающей линии электропередачи отпайкой, с помощью одного ввода с выключателем.

Тип и число промежуточных тяговых подстанций между опорными, в том числе при строительстве дополнительных подстанций должны быть согласованы с энергоснабжающими организациями.

Воздушные линии электропередачи в особо гололедных и лавиноопасных районах независимо от принимаемых схем питания тяговых подстанций должны выполнятся на одноцепных опорах.

По конструктивному выполнению тяговые подстанции подразделяются на стационарные и передвижные. Основным видом на электрифицированных ж.д. РФ являются стационарные тяговые подстанции различного конструктивного исполнения. Для оперативной замены стационарных подстанций при их выходе из строя по причине аварии, стихийного бедствия и т.п., либо при плановом выводе их из работы для реконструкции или ремонта, а также для усиления СТЭ в периоды интенсивных перевозок грузов применяют передвижные подстанции.

По схеме и оборудованию они аналогичны стационарным подстанциям, но выполнены несколько проще: имеют по одному понижающему трансформатору и выпрямительному агрегату, минимальное число фидеров, отсутствует запасной выключатель. Понижающий трансформатор имеет специальную конструкцию, позволяющую вписаться в габариты подвижного состава.

Различное оборудование одного класса напряжения на тяговых и трансформаторных подстанциях образуют функциональные устройства – т.н. распределительные устройства (РУ). В зависимости от конструктивного выполнения РУ делятся на внутренние (закрытого типа - ЗРУ) и наружные (открытого типа – ОРУ). Аппаратура ЗРУ размещается в зданиях или комплектных распределительных устройствах (КРУ) и, следовательно, защищена от различных атмосферных воздействий. В ОРУ аппаратура устанавливается на вне зданий, поэтому она требует защитных корпусов и кожухов для защиты от внешних воздействий, а также электрического подогрева в зимнее время.

По видам управления и обслуживания тяговые подстанции подразделяются на нетелеуправляемые (с местным дистанционным управлением и автоматикой) и автотелеуправляемые. В настоящее время на подавляющем большинстве тяговых подстанций все операции по поддержанию необходимых режимов работы оборудования и обеспечению заданной последовательности переключения осуществляют устройства автоматики, а 95 % подстанций оборудованы различными системами телемеханики.

Методы оперативного обслуживания тяговых подстанций и количество персонала устанавливается начальником службы электроснабжения в зависимости от местных условий, типа подстанции, первичного напряжения, наличия районных потребителей, степени оснащенности оборудования автоматикой, блокировочными устройствами и стационарными заземляющими ножами, наличия телеуправления , а также от роли данной подстанции в схемах энергосистемы и электроснабжения тяги поездов.

Современная структура оперативного обслуживания тяговых подстанций представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5 Структурная схема оперативного обслуживания тяговых подстанций.

Рассмотрев назначение и классификацию тяговых подстанций, далее охарактеризуем основные требования, предъявляемые к тяговым подстанциям.

Требования, предъявляемые к тяговым подстанциям.

Основные требования, предъявляемые к тяговым подстанциям, изложены в 4-й главе ПУ СТЭ ж.д. РФ – «Тяговые подстанции». Данная глава довольно объемная (содержит 46 пунктов), поэтому кратко охарактеризуем основные положения этих требований.

В соответствии с ПУ СТЭ к тяговым подстанциям предъявляются следующие основные требования:

•тяговые подстанции следует располагать, как правило, на железнодорожных станциях;

•территория тяговой подстанции должна иметь сплошное ограждение высотой 2-2,5 м.;

•на тяговых подстанциях для маслонаполненного оборудования с массой масла более 1 т необходимо иметь систему стока масла и резервуар, не допускающие растекания и проникновения масла в почву;

•здания тяговых подстанций должны быть оборудованы автоматической охранной и пожарной сигнализацией, обеспечивающей передачу сигналов в щитовое помещение, в квартиру дежурного (при дежурстве на дому), энергодиспетчеру и в пожарную часть;

•все оборудование, на которое возможно попадание напряжения вследствие нарушения изоляции, должно быть надежно присоединено к внешнему или внутреннему контурам заземления;

•цепь отсоса тяговых подстанций переменного тока должна состоять из трех параллельно включенных элементов: воздушной

отсасывающей линии, рельсов подъездных путей и заземляющего устройства подстанции;

•цепь отсоса тяговых подстанций постоянного тока может состоять из одного элемента – воздушной или кабельной линии;

•оборудование тяговых подстанций должно быть защищено от атмосферных и коммутационных перенапряжений в соответствии с ПУЭ;

•бесперебойность питания нагрузок тяги должна обеспечиваться установкой на подстанциях:

-переменного тока напряжением 25 кВ и постоянного с двойной трансформацией – не менее двух понижающих трансформаторов;

-системы 2х25 кВ с однофазными трансформаторами – резервного трансформатора с возможностью подключения его к каждому плечу питания;

-постоянного тока – не менее двух выпрямительных агрегатов;

•сборные шины распределительных устройств 3 кВ, 25 и 2х25 кВ должны быть секционированы на три секции – две рабочие и одну (среднюю) соединительную. Каждая рабочая секция должна иметь: питающий ввод от разных трансформаторов, трансформатор напряжения, разрядники, трансформаторы собственных нужд;

•распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ выполняют, как правило, с одинарной системой шин, секционированной выключателем. При питании распределительного устройства одним вводом шины не секционируют;

•распределительные устройства 3 кВ, 25 и 2х25 кВ должны быть оборудованы запасной шиной с выключателем для замены любого из выключателей фидеров контактной сети;

•во всех цепях распределительных устройств должны быть установлены разъединители с видимым разрывом;

•все распределительные устройства тяговых подстанций должны быть оборудованы стационарными заземляющими ножами;

•все распределительные устройства тяговых подстанций должны быть оборудованы блокировками, предотвращающими возможность выполнения ошибочных операций разъединителями, отделителями, короткозамыкателями, выкатными тележками, заземляющими ножами;

•цепи собственных нужд (СН) переменного тока напряжением 380/220 В должны получать питание от трансформаторов собственных нужд (ТСН) с глухозаземленной нейтралью. На подстанциях переменного тока ТСН подключаются к шинам тяговой нагрузки, а на подстанциях постоянного тока – к шинам питания преобразовательных агрегатов;