Тяговые подстанции (ТП) являются одним из важнейших устройств системы тягового электроснабжения (СТЭ). Их питание осуществляется от системы внешнего электроснабжения (СВЭ), а потребителем преобразованной электроэнергии является электроподвижной состав (ЭПС) железных дорог. Применяются также тяговые подстанции для питания городского электрического транспорта (ГЭТ) и электропоездов метрополитена.
Тяговая подстанция — электрическая подстанция, предназначенная в основном для питания транспортных средств на электрической тяге через контактную сеть (согласно ПЭЭП). От ТП получают питание и другие железнодорожные нетяговые потребители, а также некоторые районные нежелезнодорожные потребители.
Тяговые подстанции принято классифицировать по ряду признаков (рис. 1). Приведенная на рис. 1 классификация тяговых подстанций может быть дополнена делением подстанций и по ряду других признаков: по способу управления (телеуправляемые и нетелеуправляемые); по способу обслуживания (с постоянным дежурным персоналом, с дежурством на дому, без дежурного персонала); по возможности перемещения (стационарные и передвижные).
Опорная ТП получает питание от СВЭ по трем и более линиям электропередачи напряжением 110 или 220 кВ.
Промежуточная проходная (транзитная) ТП получает питание по одной линии электропередачи, в рассечку которой она включена, от двух опорных или районных подстанций.
Промежуточная ответвительная (отпаечная) ТП получает питание по двум линиям (или цепям ЛЭП) напряжением 110 или 220 кВ, к которым она присоединена ответвлениями (отпайками).
Концевая (тупиковая) ТП получает питание по двум радиальным линиям от другой тяговой или районной подстанции.
При питании подстанций по одноценной ЛЭП от двух опорных подстанций между ними можно располагать до трех проходных ТП (рис. 2)
Рис. 1. Классификация тяговых подстанций
Рис. 2. Схема питания ТП по одноцепной ЛЭП
Рис. 3. Схемы питания ТП по двухцепной ЛЭП на общих опорах
От двухцепной ЛЭП (при подвешивании обеих цепей на общих опорах) с двусторонним питанием на участках между двумя опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединенных по схеме рис. 3 :
для ЛЭП-220 кВ — не более пяти при электрической тяге как на переменном так и постоянном токе;
для ЛЭП-110 кВ — не более пяти при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.
От двух одноцепных ЛЭП с двусторонним питанием на участке между опорными подстанциями рекомендуется обеспечивать питание следующего числа промежуточных подстанций, присоединяемых по схеме рис. 4:
для ЛЭП-220 кВ — не более пяти подстанций при электротяге как на постоянном, так и на переменном токе;
для ЛЭП-110 кВ — не более пяти подстанций при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе.
Как видно на схемах рис. 4 часть промежуточных подстанций может присоединяться к ЛЭП ответвлениями. Между двумя проходными (транзитными) подстанциями или между проходной и опорной к ЛЭП может быть подключена только одна ответвительная (отпаечная) подстанция.
Рис. 4. Схемы питания ТП по двум одноцепным ЛЭП
Если все тяговые подстанции электрифицированных железных Дорог принять за 100%, то примерное процентное содержание различных типов ТП следующее: опорных — 20%; проходных — 60%; ответвительных — 15%, концевых — 5%.
Тяговые подстанции служат для приема и преобразования энергии электроэнергетических систем в электроэнергию с необходимыми параметрами для функционирования электрической железной дороги.
В силу выполнения принципа комплексности электрификации, заложенного еще планом ГОЭЛРО, тяговые подстанции помимо основной решают сопутствующую задачу – снабжение электрической энергией прилегающих к ним сельских и промышленных потребителей. Поскольку потребители электроэнергии и, прежде всего, электрическая железная дорога являются ответственными потребителями, то предъявляются повышенные требования к надежности работы тяговых подстанций. Это достигается резервированием наиболее ответственных аппаратов. Тяговые подстанции для систем тяги постоянного тока 3 кВ выполняются, как правило, с двухступенчатой трансформацией понижая напряжения внешней ЛЭП со 110 (35 или 220) кВ до 10 кВ на первой ступени и с 10 до 3.02 (1.05) кВ (в зависимости от схемы выпрямления) на второй ступени. При этом промежуточное напряжение 10 кВ используется для питания, как собственных нужд подстанции, так и для питания районов, прилегающих непосредственно к тяговым подстанциям. Подстанции постоянного тока располагают на расстоянии 10-15 км друг от друга. Меньшее значение соответствует большей грузонапряженности электрической железной дороги. Тяговые подстанции переменного тока выполняют с однократной трансформацией. В общем случае тяговые подстанции выполняются по различным схемам. Наиболее распространенными являются подстанции, структура которых приведена на рис. 1, 42.
Рис. 1. Структурная схема тяговой подстанции переменного тока 25 кВ
а)
б)
Рис. 2. Возможные структурные схемы тяговых подстанций постоянного тока
РУ -110, РУ – 35, РУ – 27,5, РУ – 10, РУ -6, РУ- 3,3 — распределительные устройства 110, 35, 27,5 10, 6, 3.3 кВ (РУ — 3,3 — постоянного тока); СТ- силовой трансформатор; ПТ – понизительный трансформатор; ТСН – трансформатор собственных нужд; ПА- полупроводниковый агрегат; ТС – тяговая сеть
Тяговые подстанции, питая тяговую сеть, образуют так называемые межподстанционные и подстанционный зоны. Схемы таких образований приведены на рис. 3, 45.
Рис. 3. Схема питания тяговых подстанций от двухцепных линий электропередач
Рис. 4. Схема питания тяговых подстанций от одноцепных ЛЭП
На рис. 3, 44: 1- нейтральная вставка; 2-продольная двухцепная линия электропередач; 3-электроподвижной состав; 4- цепь обратного тока (рельсы); 5- опорная тяговая подстанция; 6-промежуточная тяговая подстанция
Рис. 5. Основные элементы системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ:
1- тяговая подстанция; 2- питающая линия контактной сети (фидер контактной сети); 3- рельсовый фидер (отсос); 4- контактная подвеска; 5- рельсы; 6- нейтральная вставка; ПЗ- подстанционная зона- зона питания одной подстанции ; МЗ- межподстанционная зона — подвеска между двумя смежными подстанциями; ЭПС – электроподвижной состав
На рис. 5 приведены основные элементы системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ. Экономически целесообразным оказывается расстояние между тяговыми подстанциями переменного тока (межподстанциая зона) равное порядка 40…50 км.