Лекции

•питание собственных нужд постоянного тока должно осуществляться от аккумуляторной батареи, работающей в режиме постоянного подзаряда;

•на тяговых подстанциях постоянного тока для облегчения работы выключателей 3 кВ должны быть установлены разрядные устройства, шунтирующие реакторы сглаживающего устройства при отключении токов контактной сети.

Охарактеризовав основные положения, связанные с тяговыми подстанциями, далее рассмотрим структурные схемы тяговых подстанций переменного и постоянного тока.

Структурные схемы тяговых подстанций переменного и постоян-

ного тока.

Как известно, структурная схема в общем определяет основные функциональные части устройства (установки), их назначение и взаимосвязи. Составление структурной схемы предшествует разработке схем других типов.

Применительно к тяговым подстанциям структурная схема должна включать в себя главные функциональные части – распределительные устройства и основные элементы.

Пример структурной схемы тяговой подстанции переменного тока 27,5 кВ приведен на рис. 1.6. Охарактеризуем данную структурную схему.

Электрическая энергия от СВЭ через ввода тяговой подстанции поступает на ОРУ ВН 110 кВ. Далее напряжение с ОРУ ВН подается на первичные обмотки трехобмоточных понижающих трансформаторов ТП. От одной из вторичных обмоток ТП напряжение поступает на ОРУ-27,5 кВ, от которого получают питание фидера контактной сети, линейные нетяговые железнодорожные потребители системы «два провода-рельс» (ДПР) и трансформаторы собственных нужд (ТСН).

От третьей обмотки ТП напряжение подается на ОРУ 35 кВ, от шин которого получают питание посторонние (районные) потребители.

От шин собственных нужд переменного тока 0,4 кВ напряжение поступает на маломощный повышающий трансформатор, служащий для питания фидеров ВЛ СЦБ.

Таким образом, тяговая подстанция переменного тока представляет собой по сути дела понижающую одноступенчатую подстанцию. При этом принципиальным отличием тяговой подстанции от электроэнергетических подстанций является наличие распределительного устройства тягового электроснабжения, от которого получает питание электроподвижной состав.

Ввод 1

Ввод 2

ОРУ – 110 кВ

		кВ
ТП 1	ТП 2	–35
ных		ОРУ
би-

ОРУ – 27,5 кВ

	ДПР 1	Фидера		ДПР 2
ТСН 1		к/сети			ТСН 2
	0,4 кВ

10 кВ

ВЛ СЦБ

Фидера район-

потре-

телей

Рис. 1.6 Структурная схема тяговой подстанции переменного тока напряжением 110/27,5/ 35 кВ

Пример структурной схемы тяговой подстанции постоянного тока приведен на рис. 1.7.

Рис. 1.7 Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока.

Охарактеризуем данную структурную схему. Электрическая энергия от СВЭ поступает на РУ ВН (110 или 220 кВ). Далее напряжение с ОРУ ВН подается на первичные обмотки трехобмоточных главных понижающих трансформаторов ГТП. От одной из вторичных обмоток ГТП напряжение поступает в РУ-10 кВ, от шин которого получают питание преобразовательные агрегаты ПА (блок из преобразовательного трансформатора и полупроводникового выпрямителя), трансформаторы собственных нужд (ТСН) и нетяговые потребители 10 кВ.

Выпрямленное напряжение с преобразовательных агрегатов ПА поступает на РУ – 3,3 кВ, с которого напряжение через фидера (питающие линии) подается в контактную сеть.

Питание нетяговых потребителей напряжением 35 кВ осуществляется от шин РУ-35 кВ, получающих питание от третьей обмотки главного по-

нижающего трансформатора ГПТ. Если нетяговые потребители 35 отсутствуют, то главные понижающие трансформаторы выполняются двухобмоточными.

Рассмотрев общие сведения о тяговых подстанциях и их структурные схемы, далее кратко охарактеризуем оборудование, применяемое на тяговых подстанциях постоянного и переменного тока.

На тяговых подстанциях применяется большое количество разнообразной низковольтной (до 1000 В) и высоковольтной (свыше 1000 В) аппаратуры. Далее рассмотрим только высоковольтную аппаратуру и оборудование напряжением свыше 1000В, которую можно разбить на следующие группы:

•основное высоковольтное оборудование;

•токоведущие части и изоляторы;

•коммутационные аппараты;

•измерительные трансформаторы тока и напряжения;

•защитная аппаратура;

•специальные устройства.

Кратко охарактеризуем каждую из групп оборудования.

Основное высоковольтное оборудование. К нему относятся понижающие и преобразовательные трансформаторы, полупроводниковые выпрямители.

Различают понижающие трансформаторы, назначение которых сводится к понижению напряжения, и преобразовательные трансформаторы, назначение которых состоит в понижении напряжения и увеличении числа фаз на вторичной обмотке. Преобразовательные трансформаторы питают выпрямители и инверторы.

На тяговых подстанциях в качестве понижающих трансформаторов используются, как правило, трехобмоточные трансформаторы с обмотками высокого (ВН), среднего (СН) и низкого (НН) напряжения. Существует определенный ряд номинальных мощностей трансформаторов, который можно выразить таким соотношением:

Sн = 1,6k · 10m

где значения k и m могут принимать значения 0, 1, 2, 3, 4. Таким образом, номинальная мощность Sн кратна числам: 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3.

На тяговых подстанциях нашей страны мощность понижающих трансформаторов составляет от 10000 до 63000 кВ·А (10÷63 МВ·А).

Применяемые на тяговых подстанциях понижающие трансформаторы имеют систему РПН, позволяющую регулировать напряжение под нагрузкой в пределах ± (10÷16) %.

Преобразовательные (тяговые) трансформаторы, питающие выпрямители и инверторы, имеют мощность от 3700 до 14300 кВ·А.

На тяговых подстанциях постоянного тока применяются многофазные схемы выпрямления: шестипульсовые – «звезда – две обратные звезды с уравнительным реактором», мостовая (трехфазная) и двенадцатипульсовые

(шестифазная). Наиболее распространенная мощность полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций составляет 10 МВт.

Токоведущие части и изоляторы. Соединение электрической аппаратуры на тяговых подстанциях осуществляется с помощью неизолированных проводов и шин, а также кабелей.

Шины выполняют круглого, трубчатого коробчатого или прямоугольного сечения. Шины круглого и трубчатого сечения чаще используют в ОРУ высоких напряжений, а в закрытых РУ обычно применяют шины прямоугольного сечения, так как они характеризуются лучшими условиями охлаждения.

Шины прямоугольного сечения при напряжениях выше 10 кВ не применяют, так как острые края их способствуют формированию неравномерного электрического поля и появлению коронного разряда. Коронный разряд, или корона, вызывает потери энергии, способствует образованию озона, окислов азота. Озон, будучи активнее кислорода, окисляет конструкции электроустановок. Окислы азота, соединяясь с влагой воздуха, образуют азотную кислоту, также разрушающе действующую на металл электроустановок. Медные шины обладают меньшим электрическим сопротивлением и большей механической прочностью, чем алюминиевые.

Стальные шины имеют наибольшее сопротивление, но их механическая прочность выше, чем алюминиевые.

Медные шины используют в особых случаях – при прокладке токопроводов на участках с агрессивной средой или при соответствующем тех- нико-экономическом обосновании.

В РУ напряжением до 10 кВ шины крепят на опорных изоляторах. Трехфазные токопроводы сооружают так, что шины фаз монтируют в вертикальной, горизонтальной, наклонной плоскостях или вершинах равностороннего треугольника. Наиболее рационально шины фаз устанавливать на ребро, так как при этом лучшие условия охлаждения, вследствие чего допустимый ток на шины на 5-8% выше, чем при монтаже шин плашмя.

При токе до 2000 А жесткие шины – однополосные, а при большем токе применяют пакет из 2÷3 шин, однако допустимая нагрузка на пакет снижается, так как ухудшаются условия охлаждения.

Фазы жестких шин окрашивают эмалевой краской определенного цвета: фаза А – желтый цвет, фаза В – зеленый, фаза С – красный. Окраска помогает оперативному персоналу различать фазы и, кроме того, при этом увеличивается теплоотдача в окружающую среду и как следствие допустимая нагрузка на шины. В распределительных устройствах постоянного тока 3,3 кВ шины положительной полярности окрашивают в красный цвет, отрицательной – в синий.

В ОРУ, т.е. при напряжении выше 27,5 кВ , для снижения напряженности электрического поля и предотвращения коронирования применяют круглые сталеалюминевые провода марки АС или алюминиевые шины

марки АТ. Гибкие шины (провода) не окрашивают, а на фазных проводах подвешивают кружки, окрашенные в соответствующие цвета.

Широко на тяговых подстанциях применяют силовые (высоковольтные) и контрольные (низковольтные) кабели различных типов.

Для крепления токоведущих частей и их изоляции от заземленных частей в распределительных устройствах применяют изоляторы, подразделяющиеся на опорные, подвесные и проходные.

Жесткие шины крепятся на опорных изоляторах, а гибкая ошиновка – на гирляндах из изоляторов подвесного типа. При этом число изоляторов в гирлянде при напряжении 27,5 кВ – 3÷4 шт., 35 кВ – 4÷5 шт., 110 кВ - 7÷8 шт., 220 кВ – 14÷15 шт.

Проходные изоляторы служат для прохода токоведущих частей через поверхности в распределительных устройствах наружной и внутренней установки.

Коммутационные аппараты. Эта аппаратура предназначена для включения и отключения цепей под нагрузкой и без нагрузки. К коммутационной аппаратуре высокого напряжения относятся: разъединители, отделители, короткозамыкатели, выключатели нагрузки, высоковольтные выключатели переменного и постоянного тока.

Разъединители предназначены для включения и отключения цепей высокого напряжения без нагрузки с целью создания видимого разрыва цепи. Конструкция разъединителей различных типов отличается главных образом характером движения подвижных контактов. Их выпускают для внутренней и наружной установки, одно- и трехполюсные, с вертикальным или горизонтальным расположением контактов.

Для внутренних установок применяют разъединители рубящего типа, а в открытых распределительных устройствах – разъединители колонкового типа.

В обозначениях разъединителей отражаются его конструктивные особенности, номинальное напряжение и ток.

Отделители предназначены для быстрого отключения высоковольтной цепи без нагрузки. Отделитель по конструкции аналогичен разъединителю колонкового типа и дополнен пружинным приводом, позволяющим отключать обесточенную цепь (и ток холостого хода) понижающего трансформатора за время 0,4÷0,5 с. Включение отделителя производится вручную.

Короткозамыкатели предназначены для создания искусственного короткого замыкания с целью вызвать отключение выключателя, установленного на питающем конце линии. Включается короткозамыкатель от релейной защиты за счет пружин привода, а отключается вручную. Конструктивно короткозамыкатель выполняется в виде однополюсного разъединителя рубящего типа.

Выключатели нагрузки предназначены для коммутации высоковольтных цепей (10 кВ) под нагрузкой до 800 А. Для отключения токов коротко-

го замыкания в таких цепях используются высоковольтные предохранители типа ПК с кварцевой засыпкой.

Высоковольтные выключатели переменного тока предназначены для включения и отключения цепей высокого напряжения в нормальных и аварийных режимах (при к.з.). Высоковольтные выключатели – наиболее важные и ответственные электрические аппараты тяговых подстанций. Они выпускаются в трехфазном и однофазном исполнении.

Конструкция высоковольтного выключателя определяется средой и способом гашения электрической дуги, возникающей при разрыве электрической цепи. С этой точки зрения высоковольтные выключатели подразделяются на:

•масляные, в которых гашение электрической дуги происходит в трансформаторном масле. В многообъемных масляных выключателях масло используется как для изоляции токоведущих частей от заземленных, так и для гашения дуги, а в малообъемных – масло служит только для гашения дуги, а изоляция токоведущих частей от заземленных осуществляется с помощью изоляторов. Эти выключатели получили довольно большое распространение в электроустановках, однако в последние годы они вытесняются выключателями других типов (вакуумными и элегазовыми);

•воздушные, в которых гашение электрической дуги осуществляется струей сжатого воздуха, выдувающего дугу из-под размыкающихся контактов. Основным недостатком этих выключателей является необходимость иметь довольно сложные и громоздкие компрессорные установки. В связи с этим воздушные выключатели не нашли применения на тяговых подстанциях, а применяются на ЭПС переменного тока и в энергетических системах при напряжении 220 кВ и выше;

•вакуумные, в которых разрыв электрической дуги происходит в высоком вакууме давлением 1÷10 МПа. В связи с этим в таком выключателе отсутствуют условия ионизации воздуха и дуга гаснет практически за 1÷2 полупериода. Основу вакуумных выключателей составляют сменные вакуумные колбы, в которых находятся подвижный и неподвижный контакты. В настоящее время вакуумные выключатели являются основным типом выключателей для электроустановок 6÷35 кВ;

•элегазовые, в которых в качестве дугогасительной среды используется специальный электротехнический газ – элегаз (шес-

тифтористая сера F6S), находящейся в выключателе под давлением. В настоящее время эти выключатели находят широкое применение при напряжении 35, 110 и 220 кВ;

•электромагнитные, в которых гашение электрической дуги осуществляется при помощи магнитного дутья в специальных дугогасительных камерах. Такие выключатели используются при напряжении 6÷10 кВ и ввиду их небольшой коммутационной мощности они получили небольшое распространение.

Высоковольтные выключатели постоянного тока – быстродействующие выключатели - предназначены для включения и отключения цепей высокого напряжения постоянного тока в нормальных и аварийных режимах (при к.з.) на фидерах контактной сети и полупроводниковых выпрямителей.

Так как токи к.з. на стороне выпрямленного напряжения тяговых подстанций могут достигать весьма больших значений – до 30 кА, то они могут вызвать разрушения оборудования, Поэтому отключение тока должно произойти тогда, когда он еще не достиг установившегося значения, т.е. выключатели постоянного тока должны быть быстродействующими (время срабатывания не более 0,005 с).

Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Для подключения в высоковольтных цепях тяговых подстанций измерительных приборов, реле защиты и автоматики применяются измерительные трансформаторы тока (TA) и напряжения (TV). При этом TA и TV обеспечивают изоляцию цепей высокого напряжения от вторичных низковольтных цепей.

Трансформаторы тока выпускаются в однофазном исполнении, а трансформаторы напряжения – в одно- и трехфазном исполнении.

Номинальный первичный ток TA, выпускаемых в нашей стране, составляет от 5 до 15000 А. Вторичный номинальный ток TA – 5А (редко – 1А).

Первичное номинальное напряжение TV достигает сотен киловольт, а вторичное номинальное напряжение у всех TV равно 100 В.

Защитная аппаратура. К ней можно отнести высоковольтные предохранители и разрядники.

Высоковольтные предохранители применяются в неответственных высоковольтных цепях 6-10-35 кВ для защиты от токов к.з. и перегрузки. В них используется кварцевый песок и плавкая вставка.

Разрядники предназначены для защиты электрооборудования при атмосферных и коммутационных перенапряжениях. На тяговых подстанциях применяются вентильные разрядники, состоящие из искровых (воздушных) промежутков и нелинейного резистора из вилита или тервита. При перенапряжениях искровые промежутки пробиваются, а сопротивление нелинейного резистора значительно уменьшается и волна перенапряжения замыкается на землю.

В настоящее время на тяговых подстанциях получили распространение ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), обладающие значительно лучшими защитными характеристиками. В ОПН отсутствуют искровые промежутки и применяются резисторы (варисторы) из оксида цинка (ZnO) с резко нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Специальные устройства, к которым можно отнести сглаживающие (фильтрустройства) и разрядные устройства тяговых подстанций постоян-

ного тока, а также конденсаторные установки подстанций переменного тока.

Сглаживающие устройства (фильтрустройства) служат для снижения пульсаций выпрямленного напряжения полупроводниковых выпрямителей с целью снижения мешающего действия на проводные линии связи. В сглаживающие устройства входят реактор и частотные фильтры, состоящие из резонансных и апериодических контуров.

Разрядные устройства (УР) служат для снижения коммутационных перенапряжений с целью уменьшения износа дугогасительных камер и контактов быстродействующих выключателей, а также для облегчения работы вентильных разрядников постоянного тока.

УР подключается параллельно реактору сглаживающих устройств и состоят из управляемых вентилей (тиристоров), гасящих резисторов, блока защиты.

Применение УР на подстанциях в 2÷3 раза уменьшает энергию, выделяемую в дугогасительннх камерах БВ, что увеличивает срок службы БВ, сокращает время отключения короткого замыкания ББ, уменьшает перенапряжения на шинах 3,3 кВ.

Для компенсации реактивной мощности, снижения потерь электроэнергии, улучшения режима напряжения и снижения несимметрии токов и напряжений на тяговых подстанциях переменного тока применяют конденсаторное установки. Они подразделяются на установки поперечной (КУ) и продольной (УПК) компенсации и отличаются схемами включения.

Рассмотрев структурные схемы построения тяговых подстанций постоянного и переменного тока, а также применяемую на тяговых подстанциях аппаратуру, далее можно перейти к конкретной схемотехнике тяговых подстанций. Вначале следует рассмотреть выполнение типовых схем отдельных присоединений тяговых подстанций постоянного и переменного тока, а затем – реализацию схем главных электрических соединений различных распределительных устройств.

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

Распределительные устройства тяговых подстанций постоянного и переменного тока комплектуются из типовых ячеек и камер заводского изготовления, которые разработаны на основании опыта проектирования и эксплуатации подстанций. Такие типовые схемы существуют для различных распределительных устройств – 110, 35, 10, 27.5, 2х27.5, 3.3 кВ.

Из большого количества типовых схем отдельных присоединений рассмотрим реализацию типовых ячеек и камер, используемых для распределительных устройств тягового электроснабжения – 3,3 кВ и 27,5 кВ.

Схемы отдельных типовых ячеек и камер заводского изготовления для РУ 3,3 кВ представлены на рис.1.8.

Рис.1.8. Схемы типовых ячеек, используемых в РУ 3,3 кВ

Кратко охарактеризуем каждую из ячеек рис. 1.8.

Ячейка 01 - ячейка катодного выключателя преобразовательного агрегата. В ячейке две цепи, с помощью которых катод и анод преобразователя соединяются соответственно с шинами «плюс» и «минус» 3,3 кВ. Первая цепь образована разъединителем 1 с заземляющим ножом 3 и выключателем 2, вторая цепь – разъединителем с заземляющим ножом 11 и шунтом 10 с амперметром. Также в ячейке 1 имеются вольтметры 9 со стандартными схемами подключения (резистор 8, предохранитель 7).

Ячейка 02 – ячейка фидера контактной сети. В нее входят шинный разъединитель 1, два последовательно включенных включателя 13, шунт 10 с амперметром, линейный разъединитель 14 и заземляющие ножи 3. К точке между линейным разъединителем и выключателем через плавкий предохранитель 15 подключается испытатель коротких замыканий (ИКЗ) и реле напряжение (РН). За линейным разъединителем со стороны контактной сети включен обходной разъединитель 12.