Тя́говая подста́нция — электроустановка, предназначенная для понижения электрического напряжения и последующего преобразования (выпрямления) тока (для подстанций постоянного тока) с целью передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов, электропоездов, трамваев и троллейбусов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.
Тяговые подстанции железной дороги Тяговая подстанция железной дороги предназначена для распределения, преобразования электроэнергии, питания тяговых (электроподвижного состава) и нетяговых железнодорожных потребителей. Тяговые подстанции железной дороги получают электроэнергию от энергосистем через систему внешнего электроснабжения, после чего энергия распределяется между тяговыми (через систему тягового электроснабжения) и нетяговыми потребителями.
Классификация По способу присоединения к системе внешнего электроснабжения: Опорная (узловая) — получает питание от сети внешнего электроснабжения по трём и более линиям электропередачи напряжением 110 или 220 кВ, и служит источником питания для других тяговых подстанций. Тупиковая (концевая) — получает питание по двум радиальным ЛЭП от соседней подстанции. Промежуточная — получает питание по вводам от двух соседних подстанций.
Промежуточные в свою очередь делятся на: Транзитная (проходная) — включается в рассечку ЛЭП. Отпаечная — подключается к отпайкам или ответвлению ЛЭП. По системе электрической тяги: Постоянного тока 3,3 кВ Переменного тока 27,5 кВ Переменного тока 2×25 кВ Переменного тока 2×27,5 кВ Стыковые По типу преобразователей: Выпрямительные Выпрямительно-инверторные По значению питающего напряжения:
6, 10, 35, 110, 220 кВ
По системе управления: Телеуправляемые Нетелеуправляемые По способу обслуживания: Без дежурного персонала С дежурством на дому С постоянным дежурным персоналом По типу: Стационарные Передвижные
Схемы питания тяговых подстанций Максимальное расстояние между соседними тяговыми подстанциями: 15 км на постоянном токе и 50 км – на переменном.
Каждая тяговая подстанция получает питание от двух независимых источников, так как электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории.
Питание тяговых подстанций может осуществляется по одноцепной ЛЭП, двухцепной ЛЭП на общих и на раздельных опорах.
При питании от одноцепной линии между опорными подстанциями располагаются не более трёх транзитных подстанций.
При питании от двухцепной линии на общих опорах: для ЛЭП-220 кВ — не более пяти транзитных при электрической тяге как на переменном, так и постоянном токе; для ЛЭП-110 кВ — не более пяти транзитных при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе. При питании от двухцепной линии на раздельных опорах: для ЛЭП-220 кВ — не более пяти подстанций (2 транзитные 3 отпаечные) при электротяге как на постоянном, так и на переменном токе; для ЛЭП-110 кВ — не более пяти подстанций (2 транзитные 3 отпаечные) при электрической тяге на постоянном и трех (2 транзитные 1 отпаечная) — на переменном токе.
Структура тяговых подстанций Ввод
На тяговые подстанции железной дороги поступает энергия напряжением 110, 220 кВ, на некоторые старые тяговые подстанции постоянного тока может поступать напряжение 35 кВ.
Тяговые подстанции имеют от 2 (на транзитных, отпаечных, тупиковых подстанциях) до 6 (на опорных подстанциях) вводов.
Распределительное устройство высокого напряжения
Обычно это РУ 110 или 220 кВ, от них через понижающий трансформатор энергия поступает на РУ 6 (10), 35 кВ, а также на тяговое РУ 27,5 кВ.
На некоторых подстанциях постоянного тока РУ высокого напряжения может быть 35 кВ, в этом случае от него питаются: через преобразовательный агрегат тяговое РУ 3,3 кВ, трансформаторы собственных нужд, РУ 6 (10) кВ, а также нетяговые потребители.
Схемы РУ высокого напряжения различаются в зависимости от типа подстанции.
Распределительные устройства низкого напряжения
На тяговых подстанциях переменного тока РУ 6 (10) и 35 кВ используются только для питания нетяговых потребителей. Для питания тяговых потребителей, а также трансформаторов собственных нужд используется РУ 27,5 кВ.
На тяговых подстанциях постоянного тока РУ 6 (10) кВ используются для питания: через преобразовательный агрегат РУ 3,3 кВ, трансформаторов собственных нужд, а также нетяговых потребителей. РУ 35 кВ используется только для питания нетяговых потребителей, за исключением случаев, когда РУ 35 кВ является основным.
Преобразовательные агрегаты
Выпрямители и инверторы используются на тяговых подстанциях постоянного тока для питания РУ 3,3 кВ выпрямленным током и для возврата энергии, вырабатываемой при рекуперативном торможении из контактной сети в общую сеть переменного тока.
Фидеры
Фидеры используются для присоединения к распределительным устройствам тяговой подстанции контактной сети и других потребителей электроэнергии.
Тяговые подстанции постоянного тока Тяговые подстанции постоянного тока в России строятся вдоль полотна железной дороги на расстоянии 10—15 км одна от другой. Это расстояние зависит как от объёмов движения поездов, так и от профиля пути. Получают электроэнергию от подстанций ФСК «ЕЭС России» по воздушным и кабельным линиям электропередачи напряжением 6—220 кВ. Электроэнергия поступает в первичное открытое или закрытое распределительное устройство.
Далее электроэнергия поступает на понижающий трансформатор, откуда подаётся на преобразовательный агрегат (выпрямитель). С преобразовательного агрегата выпрямленный ток подаётся на основную и резервную системы шин и распределяется в контактную сеть через быстродействующие выключатели.
В связи с широким использованием на современном электротранспорте рекуперативного торможения на тяговых подстанциях (в основном железнодорожных) начинают использоваться инверторы, передающие энергию из контактной сети в общую сеть переменного тока. Выключение выпрямителя и включение инвертора производится автоматически при повышении напряжения контактной сети выше номинального.
В Российской Федерации номинальное напряжение тяговой сети железных дорог установлено на уровне 3300 В Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. В тяговых сетях трамваев и троллейбусов используется напряжение 600 В, метрополитена — 825 В.
Тяговые подстанции наземного электротранспорта Тяговые подстанции трамваев и троллейбусов служат для преобразования трехфазного переменного тока (обычно напряжением 6 или 10 кВ) в постоянный ток. Напряжение постоянного тока для городского электротранспорта в большинстве городов мира принято: на токоприёмнике трамвая и троллейбуса 550 В, на шинах тяговых подстанций 600 В.
Питание тяговых подстанций электроэнергией производится по воздушным или кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ от энергосистемы.
Классификация По способу работы и обслуживанию: С обслуживающим персоналом (автоматизированные и нет) Автоматические, без обслуживающего персонала Телеуправляемые, без обслуживающего персонала
Обслуживающий персонал на тяговых подстанциях используется в основном в небольших городах, где количество подстанций малое и системы телеуправления не рациональны, либо на важных подстанциях в больших системах электротранспорта. Кроме того, часто пункты управления подстанциями размещаются на одной из них, поэтому такая подстанция становится обслуживаемой.
Но, даже при наличии персонала на подстанции, управление на ней может быть автоматизировано, и человек выполняет лишь наблюдение (кроме аварийных ситуаций)
Автоматические подстанции редко могут использоваться без персонала и не имея никакого внешнего управления. Но они имеют самую низкую надёжность электроснабжения, поэтому используются лишь для малозначимых линий с низкой интенсивностью движения.
В средних и крупных системах электротранспорта подстанции управляются дистанционно, по системе телеуправления. Персонал на них не используется, оперативные переключения выполняются из районных центров управления.
По структуре: Одноагрегатные Многоагрегатные
Одноагрегатные подстанции предлагалось располагать для систем децентрализованого электроснабжения, на вылетных линиях. Но они не получили широкого распространения ввиду невысокой надёжности, так как агрегат может часто выходить из строя, кроме того, он требует частого обслуживания, которое ограничивается в таком случае режимом работы электротранспорта. Поэтому на таких линия более удобны двухагрегатные подстанции.
В централизованных системах электроснабжения, коих большинство, применяются 3-х агрегатные, а также 2-х и 4-х агрегатные, подстанции, которые обеспечивают достаточный резерв по мощности и по надёжности. Использование централизованной системы позволяет снизить суммарную мощность подстанций, их количество, а значит и затраты на их строительство, обслуживание.
По месторасположению: Наземные Открытые Закрытые Подземные
Структура подстанции
Ввод Электроэнергия на тяговые подстанций поступает как правило напряжением 6 или 10 кВ от энергосистемы. Через коммутационную аппаратуру она подаётся на распределительное устройство (РУ) 6/10 кВ.
Коммутационная аппаратура ввода состоит из линейного разъединителя, высоковольтного выключателя (маломасляного, вакуумного или др.) и шинного разъединителя.
Вводов у подстанции может быть до нескольких штук (1, 2, 3), но большинство подстанций на просторах СНГ имеют два: ввод α (основной) и ввод β (резервный). Переход с одного ввода может снабжаться автоматикой
Распределительное устройство высокого напряжения Схемы РУ ВН подстанций достаточно разнообразны. Это может быть одна секция шин, две секции с раздельным подключением к вводам, две секции с возможностью работы от всех вводов и др. Между секциями на мощных подстанциях используются схемы с двумя (возможно и более) секциями шин обеспечивающие высокую их надёжность в случае аварийных ситуаций (КЗ, отключение одной из секций) или ремонта без полного отключения подстанции.
От РУ ВН через коммутационную аппаратуру питаются трансформаторы собственных нужд и преобразовательные агрегаты
Преобразовательные агрегаты Количество преобразовательных агрегатов определяет мощность тяговой подстанции. Их может быть от одного и более, но наибольшее распространение на просторах СНГ имеют 2-х и 3-х агрегатные подстанции.
Преобразовательный агрегат тяговых подстанций трамвая и троллейбуса состоит из трансформатора и выпрямителя. Выпускавшиеся в СССР выпрямительные агрегаты ВАКЛЕ имели номинальный выходной ток 1000 А, 2000 А и, в редких случаях, 3000 А.
Трансформатор агрегата питается напряжением 6/10 кВ и на выходе имеет номинальное переменное напряжение в 565 В. Применяющиеся на тяговых подстанциях трансформаторы обычно имеют вторичную обмотку типа «звезда-обратная звезда» с уравнительным реактором, поэтому на выходе получается шестифазная система напряжения. Реактор соединяет нейтрали звёзд и имеет вывод со своей средней точки. Этот вывод — отрицательный полюс системы постоянного напряжения, поэтому он сразу подключается к РУ отрицательной полярности.
Трансформаторы современных агрегатов могут иметь и другие схемы вторичной обмотки (звезда, треугольник), так как что связано с применением более совершенных выпрямителей, например В-ТПЕД.
Выпрямитель ВАКЛЕ состоит из одного или нескольких блоков БВКЛЕ (номиналом 1000 А). Схема выпрямителя представляет собой двойную схему Миткевича. Выпрямленный ток имеет шестипульсную форму. Выход выпрямителя имеет положительный потенциал и подключается к РУ положительной полярности.
До 1970-х гг. широко использовались ртутные выпрямители
Распределительное устройство постоянного тока
Распределительное устройство (РУ) постоянного тока имеет две отдельных части РУ положительной шины (ПШ) и РУ отрицательной шины (ОШ).
РУ ПШ, как правило, имеет две шины, рабочую и запасную. На подстанциях большой мощности рабочая шина может быть разделена на секции, для повышения надёжности и ремонтопригодности.