1. Анализ тягового электроснабжения с применением тяговых подстанций модульного типа
1.1. Системы тягового электроснабжения
Система тягового электроснабжения электрифицированной железнодорожной дороги складывается из внешней части системы электроснабжения, которая включает в себя устройства выработки, распределения и передачи электроэнергии к тяговым подстанциям.
Тяговое электроснабжение — снабжение электрической энергией электроподвижного состава. В целях реализации тягового электроснабжения на электрических железных дорогах работают электрические установки и устройства, которыми являются тяговые подстанции с тяговыми сетями, связанные с железной дорогой или другими транспортными и промышленными предприятиями.
Создаваемая в системе тягового электроснабжения, электроэнергия идет преимущественно на электрическую тягу, кроме этого, она используется для питания различных технических средств эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте электроподвижного состава (далее – ЭПС) и электроустановок службами дорог и дистанциями электроснабжения или другими функциональными подразделениями. Системы тягового электроснабжения классифицируются по роду и частоте тока, номинальному напряжению на токоприёмниках ЭПС. Нормируются также наименьшее и наибольшее напряжения на токоприёмнике, наибольшее напряжение на шинах тяговых подстанций [9].
Внедрение электрической тяги в России началось в 30-е годы 20 века с применением систем постоянного тока напряжением 1,5 кВ на пригородных и 3 кВ на магистральных участках железных дорог. Это было связано с хорошими тяговыми характеристиками коллекторных электродвигателей постоянного тока, до сих пор, широко использующихся, на ЭПС и постоянного, и переменного тока. Установленный в настоящее время уровень напряжения в контактной сети 3 кВ представлял собой компромиссное решение, определяемое стоимостью потерь энергии в системе электроснабжения и стоимостью ее устройств.
Но увеличение мощности ЭПС железных дорог, из-за необходимости обеспечения растущих объемов перевозок, развитием высокоскоростного и тяжеловесного движения, приводило к возрастанию рабочих токов при заданном напряжении, увеличивая потери напряжения и электрической энергии в системе тягового электроснабжения (далее – СТЭ). Поэтому, в настоящее время, в силу указанных обстоятельств, существующая система тяги постоянного тока является уязвимым местом, ограничивающим эффективность железнодорожных перевозок [8]. Вследствие этого, электрификация новых участков в нашей стране по данной системе тяги практически перестала осуществляться.
Выход из сложившейся ситуации, переводом действующих участков постоянного тока на переменный ток, возможен только в некоторых обоснованных случаях. Часто смена систем электротяги с постоянного на переменный ток и с экономической, и с технической точки зрения нецелесообразна. Это объясняется тем, что максимальные затраты (70-80%) по переводу электрифицированных участков с постоянного на переменный ток непременно потребуются для усиления изоляции контактной сети, которая при постоянном токе рассчитана на напряжение порядка 12?15 кВ. Не нужно забывать и о том, что для обеспечения электромагнитной совместимости СТЭ переменного тока и смежных линий, потребуется относ, а в некоторых случаях и кабельное исполнение таких линий. Это делается так, из-за того, что система тяги переменного тока вызывает не только мешающие, но и опасные влияния на смежные линии. Поэтому при переводе на переменный ток потребуется увеличение полосы отвода железных дорог, что весьма проблемно для таких крупных полигонов постоянного тока, как Московская и Октябрьская железные дороги, расположенные в основном среди плотно застроенной инфраструктуры городов и других населенных пунктов.
Именно из-за этого необходима модернизация нынешней системы тяги постоянного тока напряжением 3 кВ, с целью улучшения ее энергетической эффективности и повышения пропускной способности.
Необходимость модернизации системы тяги постоянного тока понимают отечественные и зарубежные ученые, которые ищут наиболее правильные пути совершенствования. Энергетическая эффективность электрической тяги, как и любой энергосистемы, напрямую зависит от величины напряжения передачи электроэнергии к ЭПС (потребителю). Поэтому в основном все сводится или к повышению напряжения в самой контактной сети, или строительством дополнительной питающей линии с промежуточными преобразовательными пунктами, понижающими напряжение до необходимого уровня.
Тяговые подстанции являются одними из важнейших устройств системы тягового электроснабжения [16]. Они отличаются многофункциональностью, так как должны одновременно и бесперебойно обеспечивать электроэнергией не только ЭПС, но и различных нетяговых и районных потребителей. На рисунке 1 приведена классификация тяговых подстанций.
Главный аргумент в пользу существующих систем электроснабжения на переменном токе напряжением 25 и 2х25 кВ – это их большая пропускная способность из-за более высокого напряжения, подводимого к ЭПС. Однако, перевести почти половину действующих электрифицированных железных дорог России на систему переменного тока будет весьма сложно и дорого. К тому же системы переменного тока не лишены своих существенных недостатков.
1.2. Схемы питания тяговых подстанций
Максимальное расстояние между ближайшими тяговыми подстанциями: 15 км на постоянном токе и 50 км – на переменном.
Любая тяговая подстанция запитывается от двух независимых источников, так как электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории.
Питание тяговых подстанций может осуществляется через одноцепную ЛЭП, двухцепную ЛЭП на общих и на раздельных опорах.
При питании от одноцепной линии, между опорными подстанциями находятся 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 при 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 на постоянном, также 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.
1.3. Способы совершенствования систем тягового электроснабжения
Технические решения, принимаемые при разработке трансформаторных подстанций (далее – ТП) постоянного тока, должны учитывать современные технологии и быть ориентированными на повышение энергетической эффективности, безопасности обслуживания ТП и надежности, а также, желательно, на снижение капитальных затрат их строительства и эксплуатации [12].
Далее рассмотрим известные решения и разработки, которые применяются при сооружении новых ТП:
1. Блочно-модульное исполнение подстанций, позволяет минимизировать отводимые площади и объемы зданий для размещения оборудования. Функциональные блоки должны поставляться на место строительства полностью смонтированными и испытанными на заводе. Их применение сильно снижает время и стоимость строительства. Эксплуатация блочно-модульных подстанций требует уменьшенных затрат, так как упрощается техническое обслуживание, благодаря использованию высоконадежного оборудования, а также автоматизирования его функционирования.
2. Одноступенчатая трансформация питающего напряжения для питания выпрямителей ТП, позволяет уменьшить потери электроэнергии и капитальные затраты на закупку и монтаж оборудования ТП, за счет отсутствия понижающих трансформаторов. На таких подстанциях напряжение энергосистемы подводится непосредственно на преобразовательные трансформаторы.
3. Применение многопульсовых схем выпрямления (с числом пульсаций 12 и более) продиктовано необходимостью повышения качества выпрямленного напряжения, снижения потребления реактивной электрической энергии, уменьшения высших гармонических токов и напряжений в питающей сети. Современное электротехническое производство позволяет реализовать любую схему многопульсового преобразователя, но выбор оптимального следует вести на основе простых и сложных трехфазных мостовых схем, так как нулевые явно неконкурентоспособны, так как имеют больший расход дефицитных материалов и больших потерь энергии.
4. Минимизация числа полупроводниковых приборов в плечах выпрямителей стала возможна с улучшением их качества параметров. Оптимизирована технология их производства, которая позволяет получать качественные приборы с высокой надежностью, большим ресурсом работы и низкими потерями в проводящем состоянии. Применение таких приборов с интенсивными системами принудительного воздушного или термосифонного охлаждения на ТП упрощает построение выпрямительных агрегатов, позволяя уменьшить число параллельных и последовательных соединений полупроводниковых приборов в плечах выпрямителей. Из-за этого, снижается масса и габариты самих выпрямителей, потери электроэнергии в них, упрощаются цепи защиты и контроля состояния полупроводниковых приборов.
5. Бесконтактная коммутационная аппаратура для фидеров постоянного тока на основе управляемых полупроводниковых приборов имеет отличные преимущества по основным техническим характеристикам в сравнении с традиционными дуговыми выключателями. Она имеет большее быстродействие и более высокий коммутационный ресурс.
6. Отказ от маслонаполненного оборудования и стремление к его замене оборудованием с «сухой» или с литой изоляцией, а также оборудованием с экологически чистыми негорючими жидкостями или элегазом. Это позволит избавиться от старого масляного хозяйства, пожароопасного, экологически вредного, требующего сложной системы диагностики и огромных затрат на обслуживание и хранение.
7. Создание и применение мощных накопителей энергии является достаточно важным направлением для электрифицированных железных дорог. Они позволяют оптимально использовать энергию рекуперации для тяговых нужд, улучшить качество электроэнергии, сглаживать суточную неравномерность потребления электроэнергии от энергосистем, оптимизируя себестоимость перевозок.
8. Релейной защите тяговых сетей должно уделяться особое внимание, так как ликвидация аварий в ней является тяжелой задачей. Необходимо иметь средства защиты, которые позволяют с высокой точностью выявлять характер процессов, протекающих в тяговой сети, и способные различать по множеству различных параметров степень аварийного воздействия коротких замыканий. В то же время современные средства защиты должны обладать высокой надежностью, должны быть удобными в эксплуатации и при их обслуживании. Также они должны выполнять дополнительные функции, связанные с работой элементов автоматики и, в некоторых случаях, осуществлять контроль над правильностью производимых действий при выполнении операций, связанных с переключениями устройств в системе электроснабжения. В основу такой защиты для тяговых сетей постоянного тока повышенного напряжения уместно заложить аналогичный алгоритм, который используется в многопараметрической микропроцессорной защите фидеров тяговой сети постоянного тока 3,3 кВ.
9. Автоматизированная система управления, мониторинга и диагностики оборудования ТП для осуществления непрерывного контроля за работой, автоматического распознавания и записи аварийных и предаварийных состояний, и извещении о них всех операторов. С помощью анализа накапливаемой информации, можно принимать решения об изменении режима работы подстанции и о проведении ремонтно-предупредительных работ. Таким образом, автоматизация управления, обслуживания и техническая диагностика позволят перейти от работы по регламенту к обслуживанию по фактическому состоянию оборудования [18].
1.4. Применение модульных тяговых подстанций.
Непрерывное развитие современной энергетики, промышленности, инфраструктуры, сельского и городского хозяйства влечет за собой и совершенствование электротехники. Важную роль теперь играет не только качество оборудования, но и скорость и удобство ввода в эксплуатацию, а также возможность использования с максимальной эффективностью для решения различных последовательно поставленных задач. Эти принципы используются для создания модульных подстанций.
Модульные тяговые подстанции предназначены для передачи электрической энергии в контактную сеть. Мобильные модульные тяговые подстанции (рисунок 2) могут быть использованы в случае выхода из строя стационарных подстанций, их ремонта или реконструкции, а также в качестве источника дополнительной мощности при росте тяговых нагрузок или для улучшения режима напряжения в сети. По схеме внешнего электроснабжения подстанции являются тупиковыми, то есть, подключаются к соседней подстанции с помощью одной линии электропередачи напряжением 110 кВ с односторонним питанием.
По конструктивному исполнению мобильные подстанции собираются из металлических модулей с габаритными размерами 1Т. Размер модуля зависит от мощности подстанции, количества силовых трансформаторов и отходящих линий. Подстанция может быть изготовлена в виде как одиночного модуля так и из двух-трех блоков. Габариты одного блока и его вес согласованы с существующими ограничениями при транспортировании автомобильным или железнодорожным транспортом. Блок бокс конструктивно представляет собой жесткую металлоконструкцию. Толщина панелей определяется в соответствии с климатическими условиями, в которых будет эксплуатироваться подстанция. Блокбокс имеет наружные ворота для вката и выката трансформаторов, одностворчатые двери для обслуживания.
Главное в этом то, что подстанции являются изделиями полностью заводской готовности, укомплектованные всем необходимым оборудованием, работающие в автоматическом режиме и не требующие присутствия постоянного обслуживающего персонала.
В настоящее время специалистами разработаны две современные модификации модульных мобильных тяговых подстанций: постоянного тока напряжением 3,3 кВ и мощностью до 16 МВА и переменного тока напряжением 25 кВ и мощностью до 40 МВА.
1.5. Общие сведения о модульных подстанциях
Условные обозначения комплектных трансформаторных подстанций несут в себе практически всю информацию об изделии. Их расшифровка позволяет получить сведения не только о буквенном наименовании комплекса, но, и о типах его исполнения и подключения, а также - количестве и мощности установленных трансформаторов. Указываются номиналы высокого и низкого напряжения на вводе и выводе с классификацией последних. Завершают код данные о категории размещения и климатической реализации (рисунок 3).
В конструкции КТПМ максимально учитывают все негативные стороны, которые имели место при эксплуатации кирпичных и железобетонных ТП [10].
В таблице 1 показано как классифицируются подстанции в зависимости от конструктивного исполнения.
Электрическая схема:
В РУВН 6 (10) кВ через выключатели нагрузки (вакуумные, элегазовые) вводных камер напряжение подается на сборные шины секции. Далее через шины напряжение подается на высоковольтный ввод силового трансформатора. Секции ВН соединяются между собой при помощи секционной камеры с двумя разъединителями или вакуумными выключателями. Камеры отходящих линий ВН проходных подстанций аналогичны камерам ввода и имеют в качестве коммутирующего аппарата выключатель нагрузки (вакуумный, элегазовый).
Заземление секций сборных шин осуществляется заземлителями, которые в зависимости от схемы применяемых камер могут быть расположены как в секционной камере, так и в камерах отходящих линий. Выводы 0,4 кВ силового трансформатора соединяются с шинами вводной панели РУНН. Через автоматический выключатель, трансформаторы тока и разъединитель напряжение подается на сборные шины НН. От сборных шин через рубильники и автоматические выключатели или предохранители линейных панелей обеспечивается подключение линий к потребителям электроэнергии.
Работа аварийного включения резерва:
В проходных, секционированных КТПМ реализуется схема автоматического включения резерва как на стороне высокого напряжения, так и на стороне низкого. Схема АВР предназначена для восстановления питания потребителей путем автоматического присоединения резервного источника питания при отключении основного источника питания.
В работе АВР задействуются панели ввода № 1, № 2, секционная панель и панель с аппаратурой АВР. В нормальном режиме оба вводных выключателя включены, секционный выключатель отключен. При исчезновении основного источника питания аппаратура панели АВР размыкает контакты реле контроля напряжения вводного аппарата и подает команду на отключение автоматического выключателя. При отключении выключателя подается команда на включение секционного аппарата через реле времени. При восстановлении питания происходит обратный процесс.
1.5.1. Модульная мобильная подстанция постоянного тока 3,3 кВ
Подстанция переназначена для установки на железных дорогах постоянного тока напряжением 3,3 кВ, подключается к источнику переменного напряжения с номинальными значениями на вводе высшего напряжения 10; 20; 35; 110 кВ частотой 50 Гц; номинальная мощность используемого преобразовательного трансформатора может быть до 16 МВА.
Конструкция подстанции постоянного тока представляет собой пять фитинговых платформ с размещенным на них электротехническим оборудованием:
1. Платформа преобразовательного трансформатора, где установлены один преобразовательный трансформатор с высшим напряжением 110 кВ (для подстанции с номинальным напряжением на вводе 110 кВ) и один вводной выключатель 110 кВ с элегазовой изоляцией;
2. платформа распределительного устройства 3,3 кВ для размещения модуля с одним статическим преобразователем (выпрямителем) с номинальным током до 5кА, распределительного устройства 3,3 кВ, предназначенного для подключения четырех присоединений (фидеров) контактной сети и сглаживающего устройства;
3. платформа СН-Аккумуляторная – для размещения модуля собственных нужд, аккумуляторной, общеподстанционного управления и сигнализации;
4. платформа служебная – для размещения служебного и служебно-бытового модуля;
5. платформа технологическая – для размещения составных частей подстанции и комплектов монтажных частей.
1.5.2. Модульная мобильная подстанция переменного тока 25 кВ
Подстанция переназначена для установки на железных дорогах переменного тока напряжением 25 кВ, подключается к источнику переменного напряжения с номинальными значениями на вводе высшего напряжения 110 или 220 кВ частотой 50 Гц, номинальная мощность используемого преобразовательного трансформатора может быть до 40 МВА.
