книги из ГПНТБ / Маринов, И. А. Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта учеб. пособие

И. А. МАРИНОВ

УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ

ПОДСТАНЦИЙ

ГОРОДСКОГО

ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

И З Д А Н И Е 2-е,

ПЕРЕРАБО Т АН Н О Е

ИД О П О Л Н Е Н Н О Е

Одобрено Ученым советом Госу дарственного комитета Совета Министров С С С Р

по профессионально-техническому образованию

в качестве учебного пособия для учащихся профессиональнотехнических учебных заведений

иподготовки рабочих на производстве

М О С К В А «ВЫ СШ АЯ Ш К О Л А » 1974

Щ -/ЗШ

М26

Маринов И. А.

М26 Устройство и эксплуатация преобразова­ тельных подстанций городского электротран­ спорта. Учеб, пособие для проф.-техн. учебных заведений и подгот. рабочих на произв. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Высш. школа», 1974.

ЗЭ1 с. с ил.

В книге приведены краткие сведения об устройстве, принци­ пах работы и эксплуатации оборудования и аппаратуры, схем коммутации, релейной защиты, автоматики и телемеханики тяго­ вых преобразовательных подстанций наземного городского элект­ ротранспорта.

Во 2-м издании книги дано описание новой техники, внедрен­ ной на подстанциях в последние годы.

Книга является учебным пособием для учащихся профес­ сионально-технических учебных заведений и подготовки рабочих на производстве и может быть использована для повышения ква­ лификации персонала, обслуживающего тяговые подстанции.

6П2.11

№ 31804—642

----------------- 116—74 052(01)—74

Все замечания и предложения по улучшению книги просим на­ правлять по адресу: Москва, К-51, Неглинная ул., 29/14, издатель­ ство «Высшая школа».

© ИЗДАТЕЛЬСТВО «ВЫСШАЯ ШКОЛА», 1974

ВВЕДЕНИЕ

История развития электрической тяги начинается с 1873 г., ког­ да Российская Академия наук образовала комиссию по испытанию предложенного русским профессором Б. С, Якоби способа передви­ жения судов с помощью электродвигателя.

25 сентября 1838 г. впервые в мире была осуществлена перевоз­ ка людей электрической тягой. По реке Неве было пущено судноэлектроход, гребное колесо которого приводилось в движение элек­ тродвигателем, питаемым от батареи гальванических элементов. Имея на борту до 14 человек, электроход достигал скорости 4 вер­ сты * в час. Испытания электрохода продолжались до 1842 г. и были прекращены ввиду непригодности гальванических элементов для длительного питания электродвигателей.

В 1874 г. инженер Ф. А. Пироцкий предложил способ передачи электроэнергии по двум рельсам, как по двум проводам разной полярности. В 1876 г. это предложение было опробовано.

3 сентября 1880 г. Ф. А. Пироцкий осуществил пуск первой в мире опытной линии электрического трамвая в Петербурге. Для этого был использован вагон конной железной дороги. К кузову вагона подвесили электродвигатель, от которого движение переда­ валось на ось с помощью зубчатой передачи. Вагон имел деревян­ ные колеса с металлическими ободами, использовавшимися для токосъема. Питание электроэнергией электродвигатель получал от ходовых рельсов, имевших разную полярность, изолированных друг от друга шпалами и толстым просмоленным полотном, проложен­ ным под подошвы рельсов.

Первая линия трамвая в России была открыта в 1892 г. в Киеве. Постепенно трамвай завоевывал все новые и новые города. Откры­ лись трамвайные линии в Казани, Нижнем Новгороде (Горьком), Орле, Курске, Екатеринославле (Днепропетровске) и других го­ родах.

В Москве первая линия трамвая была открыта в 1899 г. от Страстной площади (пл. Пушкина) до Петровского парка. В Пе­ тербурге первая линия трамвая была открыта в 1907 г., хотя уже зимой 1895—1896 гг. была проложена временная линия по льду реки Невы. Позднее открытие трамвайной линии связано с проти­ водействием акционерного общества хозяев конной железной до­ роги.

* Верста равна 1,0668 км.

3

Вслед за городским транспортом встал вопрос о переводе на электрическую тягу железных дорог. В 1913 г. был составлен проект и начаты работы по сооружению пригородной электрифицирован­ ной железной дороги Петербург — Ораниенбаум — Красная Горка. Однако из-за начавшейся первой мировой войны работы так и не были закончены.

Первый участок пригородной электрической дороги в СССР

Баку — Сабунчи — Сураханы был открыт 6 июля 1926 г. Все обо­ рудование, примененное на этой дороге (за исключением системы управления вагонами), было отечественного производства.

На Московской железной дороге первым был переведен на электрическую тягу участок Москва — Мытищи (1929 г.).

Питание вагонов трамвая в Москве вначале осуществлялось от специальной электростанции. По мере увеличения протяженности трамвайных путей были построены специальные преобразователь­ ные подстанции, оборудованные одноякорными преобразователями (умформерами), с помощью которых переменный ток напряжением 6 кв и частотой 25 гц преобразовывался в выпрямленный ток на­ пряжением 600 в.

В начальный период электрификации тяги как на городском транспорте, так и на железных дорогах применялась только систе­ ма постоянного тока. Питание двигателей подвижного состава по­ стоянным током осуществлялось от тяговых подстанций, оборудо­ ванных двигатель-генераторами или одноякорными преобразова­ телями.

В 1927 г. на заводе «Электросила» (Ленинград) был изготов­ лен первый серийный (300 кет) металлический ртутный выпрями­ тель на напряжение 600 в. По мере улучшения конструкции ртут­ ных выпрямителей, увеличения их серийного выпуска, а также раз­ работки и освоения других видов оборудования (например, быстродействующих поляризованных автоматических выключате­ лей), дальнейшее развитие электроснабжения электрического транспорта как в городе, так и на железных дорогах осуществля­ лось с помощью тяговых подстанций, оборудованных ртутными вы­ прямителями, которые вследствие лучших технико-экономических показателей постепенно вытеснили одноякорные преобразователи и двигатели-генераторы. Однако первый электрифицированный участок магистральной железной дороги Хошури — Зестафони За­ кавказской ж. д. на постоянном токе напряжением 3000 в, откры­ тый в 1932 г., был оборудован тяговыми подстанциями с двигателя­ ми-генераторами. Это объяснялось тем, что на этом горном участке предусмотрена возможность использования рекуперации электро­ энергии от двигающихся под уклон поездов. В то время рекупера­ цию возможно было осуществить только при наличии на подстан­ циях двигатель-генераторов.

Одновременно с развитием электроаппаратостроения начались разработки вопросов автоматизации электроснабжения. В 1932 г. на Московском трамвае (Богородская трамвайная подстанция) бы* ла смонтирована и включена в эксплуатацию первая в Советском

4

Г Л АВ А I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

§ 1. СИСТЕМЫ ТОКА. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФ ИКАЦИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИИ.

ИСТОЧНИКИ И СХЕМ Ы ПИТАНИЯ

По рекомендации комиссии Академии наук СССР, которая про­ вела технико-экономические сравнения различных систем электри­ ческой тяги, в Советском Союзе приняты две системы: система по­ стоянного тока и система однофазного переменного тока промыш­ ленной частоты (50 гц) с установкой выпрямителей на подвижном составе.

Основные преимущества системы постоянного тока следующие: двигатели постоянного тока имеют хорошие тяговые характеристи­ ки, позволяющие сравнительно просто регулировать скорость по­ движного состава; электрооборудование подвижного состава имеет небольшой вес; контактные сети практически не оказывают влия­ ния на расположенные вблизи линии связи и другие сооружения; подстанции постоянного тока представляют собой симметричную нагрузку для энергосистемы. К недостаткам системы постоянного тока относятся большая стоимость тяговых подстанций и электро­ коррозия подземных сооружений от блуждающих токов.

Система переменного тока позволяет применить более высокое напряжение в тяговой сети и в связи с этим уменьшить сечение про­ водов, а также существенно упростить устройство тяговых подстан­ ций и снизить их стоимость, однако делает необходимым усложне­ ние конструкции и, следовательно, увеличение веса и удорожание подвижного состава. Вследствие появления индуктивной составляю­ щей сопротивления контактной сети потери энергии (при одинако­ вом напряжении) значительно возрастают. При применении пере­ менного тока необходимо считаться с вызываемой тяговыми тока­ ми асимметрией нагрузки энергосистемы, а также с индуктивным влиянием контактной сети на линии связи.

На железнодорожном транспорте применяются обе системы электротяги, причем система однофазного переменного тока напря­ жением 27,5 кв получила широкое распространение в последние го­ ды для грузонапряженных магистралей.

На городском электрическом транспорте применяется система постоянного тока при следующих номинальных напряжениях: на токоприемнике трамвая и троллейбуса 550 в, на токоприемнике подвижного состава метрополитена 750 в. Номинальное напряже­

6

ние на шинах тяговых подстанций трамвая и троллейбуса принято равным 600 в, для метрополитена — 825 в. Повышение напряжения дает возможность сократить необходимое количество подстанций, однако в условиях города это лимитируется соображениями без­

опасности.

В 1963 г. в Москве проводились испытания опытной линии трол­ лейбуса напряжением 1200 в постоянного тока при сохранении по­ тенциала между каждым полюсом и землей 600 в. Однако напря­ жение 1200 в не получило распространения.

Тяговые подстанции служат для преобразования электрической энергии трехфазного переменного тока напряжением 6 или 10 кв, получаемой с питающего центра (электростанции, энергосистемы), в электрическую энергию постоянного тока напряжением 600 в и передачи этой энергии на контактную сеть для питания трамвая и троллейбуса.

Тяговые подстанции могут быть классифицированы по следую­ щим техническим показателям:

по типу преобразователей — с вращающимися преобразовате­ лями (двигатель-генераторами); со статическими преобразователя­ ми (ртутными выпрямителями или кремниевыми полупроводнико­ выми выпрямителями);

по конструкции и компоновке оборудования — закрытые, когда все оборудование находится внутри здания; полуоткрытые, когда часть оборудования (трансформаторы, уравнительные реакторы, анодные делители) устанавливается открыто, вне здания. Кроме того, применяются еще передвижные и сборно-комплектные тяго­ вые подстанции (СКТП), которые, при необходимости, могут быть перемещены и установлены в районы, где требуется увеличение мощности или обеспечение питания новых линий до окончания строительства стационарных подстанций. Оборудование передвиж­ ных подстанций'монтируется на платформах, в автокузовах, кото­ рые с помощью тягачей или собственной двигательной установки могут перемещаться с места на место. Оборудование сборно-комп­ лектных подстанций, исключая силовой трансформатор, монтирует­ ся в двух смежных помещениях, изготовленных из металлических конструкций со стенками, утепленными стекловатой, каждое из ко­ торых перевозится к месту установки на трейлере. Силовой транс­ форматор перевозится отдельно и устанавливается за ограждением рядом с указанными помещениями;

по способу управления — подстанции ручного управления, на которых постоянно находится дежурный персонал; автоматические подстанции, на которых нет постоянного дежурного персонала и управление осуществляется аппаратурой автоматики. Автоматиче­ ские подстанции могут быть оборудованы телеуправлением, позво­ ляющим осуществить управление и контроль за работой подстанции на расстоянии, с диспетчерского пункта;

по количеству преобразовательных агрегатов — одноагрегатные и многоагрегатные.

Для обеспечения надежного электроснабжения каждая подстан­

7

ция, как правило, получает питание по двум линиями электропере­

дачи, т. е. по двум вводам.

Применяются различные схемы электропитания тяговых под­

схеме питающий центр (электростанция или подстанция энергоси­ стемы) питает две, максимум три тяговые подстанции, расположен­

вой схеме) в случае выхода из строя второго ввода. При кольцевой схеме для повышения надежности целесообразно осуществлять питание от двух разных источников энергосистемы. В этом случае на одной из подстанций масляный выключатель кабеля связи отключен и оборудован схемой аварий­ ного включения резерва.

При радиальной схеме оба ввода могут работать параллельно или один из них может быть рабочим, а другой — резервным. Пи­ тание подстанции по одному вводу без резерва допускается в том случае, когда при выходе из строя этого ввода нагрузка может быть передана на соседние подстанции.

Параллельная работа вводов позволяет снизить потери электро­ энергии в питающих кабелях, однако она связана с увеличением тока короткого замыкания, что требует установки более мощного оборудования и устройства более сложной релейной защиты.

Чтобы нагрузка между параллельно работающими вводами де­ лилась равномерно и между ними не протекал уравнительный ток, оба ввода должны иметь одинаковое сопротивление, определяющее равное падение напряжения в обеих линиях электропередачи и они должны быть подключены к источникам равных и совпадающих по фазам напряжений.

При схеме «линия — шина», если имеется возможность, одну из средних подстанций присоединяют к третьему источнику питания (на рис. 1 показано пунктиром).

8

§ 2. ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Нарушения изоляции токоведущих частей вызывают возникно­ вение коротких замыканий.

Короткое замыкание — это соединение между собой токоведу­ щих частей разной полярности (разных полюсов или фаз) через относительно малое сопротивление.

Нарушение изоляции токоведущих частей возможно вследствие механического повреждения, естественного старения, при перена­ пряжениях и т. д. К коротким замыканиям могут привести непра­ вильные действия обслуживаю­ щего персонала электроуста­ новки при нарушении им пра­ вил технической эксплуатации и техники безопасности.

Ток в цепи, в которой воз­ никло короткое замыкание, рез­ ко возрастает и может достиг­ нуть величины в несколько де­ сятков и даже сотен тысяч ам­ пер.

Токи короткого замыкания вызывают недопустимые элект­ родинамические (механичес­ кие) и термические (тепловые) нагрузки на элементы электро­ установок, через которые они протекают. Воздействие токов короткого замыкания может привести к разрушению обору­ дования, аппаратуры, шино­ проводов, кабелей и т. д., а так­ же к возникновению пожаров и несчастным случаям.

Короткие замыкания могут вызвать нарушения нормально­

го электроснабжения других потребителей, электрически связан­ ных с установкой, в которой произошло короткое замыкание, вслед­ ствие полного или частичного снижения напряжения. Непосред­ ственно в месте глухого короткого замыкания напряжение равно нулю.

Для уменьшения последствий коротких замыканий применяют­ ся релейная защита и выключатели или предохранители, с помощью которых отключается участок цепи, где произошло короткое замы­ кание.

В трехфазной системе различают три основных вида коротких замыканий: трехфазное, когда все три фазы соединяются между собой (рис. 2, а); Двухфазное, когда две фазы замыкаются между собой (рис. 2, б); однофазное, когда одна фаза соединяется с ну-

9