Тяговые подстанции городского транспорта - Типы тяговых подстанций

Глава XXVII
КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ И ТИПЫ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ

§ 127. Общие сведения

Тяговые подстанции должны проектироваться с учетом целого ряда требований, которые можно сгруппировать по нескольким признакам.
Прежде всего тяговые подстанции должны соответствовать Правилам устройств электроустановок (ПУЭ), Правилам технической эксплуатации трамваев и троллейбусов, Правилам техники безопасности и Правилам пожарной безопасности.
Далее, при проектировании тяговых подстанций учитываются такие общие требования, как надежность и бесперебойность работы, экономичность и удобство эксплуатации, требования общей санитарии, а также общие затраты при строительстве.
Эти до некоторой степени противоречивые требования приводят к большому многообразию типов тяговых подстанций.
Рассмотрим более подробно основные характеристики тяговых подстанций.
Специфическими особенностями подстанций ручного управления являются следующие:

1. мощность подстанций относительно большая, что отчасти вызвано стремлением сократить общую численность дежурного персонала в системе энергоснабжения. В среднем расходы на содержание персонала таких подстанций составляют около 40% общей стоимости эксплуатации. На подстанциях малой мощности эта величина повышается до 60%. Мощные многоагрегатные подстанции принято называть подстанциями сосредоточенного или централизованного питания, так как они питают относительно большой район тяговой сети;
2. резервирование оборудования тяговых подстанций ручного управления производится поагрегатно. Это значит, что выход из строя любого из агрегатов или питающего ввода 6—10 кВ не должен приводить к снижению рабочей мощности подстанции;
3. ремонт оборудования на многоагрегатных подстанциях обычно производится на самих подстанциях, для чего они оборудуются соответствующими мастерскими (трансформаторная мастерская, общая мастерская, переборочная для ремонта ртутных выпрямителей);
4. поскольку подстанции питают большой район тяговых сетей, в эксплуатации всегда может возникнуть необходимость увеличения мощности подстанции. Поэтому подстанции ручного управления должны обладать возможностью увеличения рабочей мощности путем замены агрегатов или установки дополнительных агрегатов;
5. весьма существенными условиями для тяговой подстанции ручного управления являются наглядность и удобство управления. В связи с этим на подстанциях раньше сооружались центральные щиты управления и часто основное оборудование располагалось на одном этаже;
6. наличие обслуживающего и ремонтного персонала на подстанции вызвало необходимость в большом числе подсобных помещений. Такими помещениями являлись комната мастера или начальника подстанции, комната приема пищи, гардероб, душевая и санузел;
7. подстанции ручного управления требовали самостоятельной территории с подъездными путями. Это вызывало необходимость в отводе довольно больших земельных участков.

С 30-х годов в нашей стране начались работы по автоматизации и телеуправлению тяговыми подстанциями. Первой в Союзе автотелеуправляемой тяговой подстанцией, реконструированной на базе подстанции ручного управления, была подстанция № 19 Управления пассажирского транспорта Мосгорисполкома.
В настоящее время вопросы автоматики и телемеханики в области. тяговых подстанций полностью решены, поэтому повсеместно строятся исключительно автотелеуправляемые подстанции.
Специфическими особенностями автотелеуправляемых подстанций являются следующие:

1. подстанции могут строиться применительно к принципу распределенного питания. Иногда такие подстанции называют подстанциями децентрализованного питания. Отличительной особенностью их является наличие только непосредственных (коротких) питающих и отсасывающих линий. При распределенной системе питания количество тяговых подстанций возрастает, а мощность их уменьшается. Тем не менее распределенное питание в целом ряде случаев экономически оправдано вследствие уменьшения первоначальных затрат, уменьшения потерь электроэнергии в тяговой сети, снижения блуждающих токов и лучшего использования установленной мощности агрегатов;
2. компоновка оборудования подстанции децентрализованного типа может производиться не по принципу наглядности, а по однолинейной схеме, т. е. более рационально, с обеспечением соединительных кабелей минимальной длины;
3. поскольку управление подстанциями производится с диспетчерского пункта и со щитков местного управления на подстанции, щиты ручного управления в машинном зале могут не устанавливаться;
4. резервирование оборудования на подстанции децентрализованного питания небольшой мощности может быть произведено по принципу резервной мощности. Это значит, что обеспечение надежности работы подстанций распределенного питания в отличие от подстанций сосредоточенного питания может производиться не путем установки резервных агрегатов, а за счет резервной мощности в агрегатах. С точки зрения величины общей установленной мощности это не всегда дает большие преимущества, но зато упрощает систему резервирования и в отдельных случаях позволяет производить ремонт оборудования с полным снятием напряжения со всех аппаратов подстанции;
5. подстанции распределенного питания вследствие небольшой их мощности и объема могут эксплуатироваться без собственной территории и сооружаться во владениях других организаций, как это делается при установке трансформаторных подстанций энергосистем.

В отдельных случаях такие подстанции могут быть встроены в помещения иного назначения или располагаться под землей.
Особенно благоприятные условия для развития систем электроснабжения с одноагрегатными подстанциями были созданы с выпуском кремниевых полупроводниковых выпрямителей.
Несмотря на большие достоинства системы распределенного питания, она не могла найти применения при наличии ртутных выпрямителей разборного типа с водяным охлаждением, так как каждая подстанция представляла сложное сооружение с мощной вентиляционной системой и циркуляционными охладительными устройствами. Каждая такая подстанция нуждалась в дорогостоящих коммуникациях (водопровод, канализация и водосток). Совершенно ясно, что сооружение нескольких небольших подстанций вместо одной мощной было нецелесообразно.
Тяговые подстанции, оборудованные кремниевыми выпрямителями, несоизмеримо проще подстанций с разборными РВ, так как отпала необходимость в сложных и дорогих санитарно-технических устройствах. Простота управления и высокая надежность кремниевых выпрямителей способствовали тому, что системы электроснабжения с одноагрегатными подстанциями получают широкое распространение на вылетных и неразветвленных линиях.
К отмеченным выше достоинствам системы электроснабжения с одноагрегатными подстанциями следует отнести более высокую надежность работы, возможность создания комплексной автоматики, позволяющей перевести подстанции на режим автоуправления без телемеханических устройств. Это особенно важно в условиях острого дефицита телефонных проводов связи. Следует также отметить весьма ценное эксплуатационное преимущество одноагрегатных подстанций, заключающееся в том, что все осмотры и ремонты оборудования на подстанциях могут производиться в дневное время с полным снятием напряжения.
При сложной конфигурации тяговой сети, наличии большего числа перекрестков и больших транспортных узлов, вопросы выбора типа подстанции, типов и числа агрегатов, вида первичного питания могут быть правильно решены только в результате технико-экономического сравнения вариантов электроснабжения всей тяговой сети в целом.

Рис. 128-1. Компоновка оборудования одноагрегатной тяговой подстанции: 1 —  распределительное устройство 10 кВ; 2 —  санузел; 3 — отрицательная шина; 4 — распределительное устройство выпрямленного тока; 5 — кремниевый выпрямитель; 6 — щиты управления; 7 — щит собственных нужд; 8 — камеры преобразовательного трансформатора

§ 128. Типы тяговых подстанций

В настоящее время имеется большое разнообразие типов тяговых подстанций, поэтому ниже рассмотрены лишь наиболее характерные из них.
На рис. 128-1 представлен пример компоновки оборудования современной одноагрегатной тяговой подстанции. Все оборудование размещается в одном общем помещении и только силовой трансформатор (8) вынесен в отдельную камеру.
Распределительное устройство 6—10 кВ 1 позволяет присоединять подстанцию к энергосистеме по схеме линия — шина или по радиальной схеме.
Подстанция не имеет резервного оборудования и полностью разгружается по контактной сети.
Распределительное устройство 600 в состоит из двух линейных и одного секционного выключателей. Удельный объем здания такой подстанции составляет 0,3 м/КВт.
При работе подстанции в режиме автоуправления без телемеханики снаружи у входа предусматривается щиток управления основными коммутационными аппаратами. При необходимости производства работ на контактной сети со снятием напряжения бригада контактников специальным ключом открывает щиток и выключает подстанцию.
На рис. 128-2, а, б приведены примеры компоновки оборудования на двухагрегатных подстанциях. Двухагрегатная подстанция с двумя выпрямителями ВАК-2000 по существу применяется в системе децентрализованного питания. Обычно такая подстанция устанавливается либо на пересечении двух транспортных линий, либо используется для питания параллельно идущих трамвайных и троллейбусных линий.

Двухагрегатная подстанция с выпрямителями ВАК-3000 может быть также использована для централизованного питания. Некоторой особенностью такой подстанции является наличие подвального помещения для прокладки силовых и оперативных кабелей.

Рис. 128-2. Компоновка оборудования двухагрегатной тяговой подстанции:
а — с двумя выпрямителями ВАК-2000; б — с двумя выпрямителями ВАК-3000 и с подвальным помещением: 1 — камера преобразовательных трансформаторов; 2 — отрицательная шина; 3 — кремниевый выпрямитель ВАК-2000; 4 — шкаф собственных нужд; 5 — шкафы управления и автоматики; 6 — распределительное устройство выпрямленного тока; 7 —  распределительное устройство 6—10 кВ; 8 — туалет; 9 — душевая; 10 —  пультовая; 11 — лестница в подвальное помещение; 12 — кремниевый выпрямитель ВАК-3000

Удельные кубатуры здания описываемых подстанций равны соответственно 0,3 и 0,48 м³/КВт.
Многоагрегатная подстанция (рис. 128-3) существенно отличается от .одноагрегатной как схемой первичной коммутации, так и конструктивным выполнением.
Предназначенная для электроснабжения крупных транспортных узлов и магистралей, она имеет развитое распределительное устройство 600 в, состоящее из нескольких линейных и одного запасного выключателей. Конструкция РУ 6—10 кВ предусматривает присоединение не менее двух вводов питающих центров.

Рис. 128-3. Компоновка оборудования многоагрегатной (трехагрегатной) тяговой подстанции: а — первый этаж; б — второй этаж; 1 — трансформаторные камеры; 2 — отрицательная шина; 3 — распределительное устройство 6—10 кВ; 4 — распределительное устройство 600 в; 5 — лестничная клетка; 6 — щиты управления; 7 —  кремниевые выпрямители; 8 — щиты собственных нужд; 9 — служебное помещение; 10 — санузел

На первом этаже размещаются распределительные устройства, трансформаторы и отрицательная шина, на втором — выпрямители, щиты управления и собственные нужды подстанции.
Конструкция подстанции позволяет при проектировании легко менять количество агрегатов в зависимости от необходимой мощности за счет изменения длины здания.
Двухэтажное здание удобнее для многоагрегатных подстанций, так как сокращаются размеры подстанции в плане, что очень важно при размещении ее в стесненных городских условиях и, кроме того, сокращаются внутриподстанционные кабельные коммуникации. Это позволяет также выполнять трансформаторные камеры высокими для удобства ремонта трансформатора с выемкой сердечника внутри камеры. Недостатком двухэтажных зданий является необходимость сооружения лестничной клетки.
Здание современных автотелеуправляемых подстанций, как правило, сооружается без окон, что облегчает их обслуживание в связи с редким посещением персонала и отсутствием охраны. Окно, необходимо лишь в служебном помещении, предусматриваемом только на многоагрегатной подстанции.
На современных подстанциях санитарный узел сооружается в тех случаях, когда его присоединение к городским сетям не требует больших затрат.
Некоторое применение получили также тяговые подстанции полуоткрытого типа. В отличие от вышерассмотренных подстанций закрытого типа, где все оборудование устанавливается внутри здания, полуоткрытыми называются такие подстанции, у которых главные трансформаторы устанавливаются снаружи.

Рис. 128-4. Компоновка оборудования полуоткрытой тяговой подстанции:
1 — трансформаторные камеры; 2 — шкафы защиты от перенапряжений; 3 — выпрямители; 4 —  служебное помещение; 5 — полукомплект телеуправления; 6 — шкафы автоматики; 7 — щит собственных нужд; 8 — распределительное устройство 600 в; 9 — мастерская; 10 — камера трансформатора собственных нужд; 11 — распределительное устройство 6—10 кВ

Такая установка трансформаторов позволяет заметно сократить строительный объем здания подстанции и соответственно снизить затраты на строительство. Однако такой способ установки трансформаторов имеет ряд существенных недостатков:

1. установка трансформаторов вне здания с открытыми токоведущими частями в городских условиях по соображениям безопасности недопустима. Трансформатор необходимо ограждать как забором, так и сеткой или другой конструкцией сверху. На рис. 128-4 показана полуоткрытая подстанция, на которой для размещения трансформаторов сооружаются большие металлические ячейки, равноценные по стоимости кирпичным камерам, но требующие значительного расхода металла;
2. в условиях большого города подстанции должны удовлетворять высоким архитектурным требованиям. Поэтому подстанции полуоткрытого типа размещают далеко от красных линий магистралей, что приводит к увеличению длины кабелей и росту потерь электроэнергии в эксплуатации;
3. условия обслуживания оборудования, размещенного вне здания, сложнее.

В энергохозяйствах большинства городов, кроме стационарных, применяются также передвижные тяговые подстанции. Передвижные подстанции предназначаются главным образом для питания новых линий трамвая и троллейбуса, когда строительство стационарных подстанций, задерживается. Благодаря этому в ряде случаев значительно сокращаются сроки сооружения новых линий городского электротранспорта.
Такие передвижные подстанции получили применение для усиления питания отдельных участков в связи с возросшими объемами движения.
Для сооружения передвижных подстанций иногда используются старые четырехосные трамвайные вагоны. Для установки такой подстанции на месте требуется строительство рельсового пути.

Рис. 128-5. Передвижная тяговая подстанция на двух платформах:
а — план и разрез платформы с трансформатором; б — план и разрез платформы с выпрямителем и распредустройством постоянного тока: 1 — трансформатор собственных нужд; 2 — выключатель типа ВМГ-133; 3 — главный трансформатор; 4 — помещение обслуживающего персонала; 5 — трансформаторы напряжения; 6 — трансформатор тока; 7 — кабельная воронка 6—10 кВ; 3 — выпрямитель типа БВК-1000; 9 — выключатели ВАБ-20; 10 — короб для анодных кабелей; 11 — анодные кабели; 12 — щиты управления выпрямителями; 13 — шкаф собственных нужд переменного тока

Рис. 128-6. Компоновка оборудования сборно-комплектной тяговой подстанции

Более предпочтительным является размещение подстанции на платформах, подобных трейлерам. Пример такой тяговой подстанции изображен на рис. 128-5.                  
Опыт эксплуатации передвижных подстанций показал, что ходовая часть ее используется весьма неэффективно. В подавляющем большинстве случаев подстанция устанавливается на одном месте на 4—5 лет, а иногда и на более продолжительный срок. За это время ходовая часть приходит в негодное состояние. Поэтому более целесообразным является изготовление не передвижных подстанций, а временных сборно-комплектных. Пример сборно-комплектной подстанции показаний рис. 128-6. Она состоит из трех транспортабельных блоков, в которых размещается все оборудование. Блоки перевозятся на трейлерах и устанавливаются на железобетонных плитах.
Сборно-комплектная подстанция дешевле передвижной и удобнее в эксплуатации, так как компоновка оборудования не ограничивается габаритами экипажа передвижной подстанции.
В первом блоке размещаются РУ 6—10 кВ 9, собственные нужды 8 и предусмотрено место для санузла 7. Во втором блоке — выпрямитель 5, щит управления 6 и РУ 600 в 4.
В третьем блоке — трансформатор 2, отрицательная шина 1 и шкафы защиты 3 от перенапряжений.