2.2. Схемы главных электрических соединений тяговых подстанций

При выборе схемы главных электрических соединений тяговой подстанции необходимо учитывать следующие общие требования: надежность работы, экономичность, удобство эксплуатации, безопасность обслуживания и возможность расширения.

Требование надежности является основным. Под надежностью тяговой подстанции понимается свойство (способность) выдавать мощность в контактную сеть и нетяговым потребителям в соответствии с заданным графиком (для тяговых нагрузок – с заданным графиком движения поездов), обеспечивая при этом качество электрической энергии в соответствии с действующими нормами [5].

Количественная оценка надежности схемы главных электрических соединений тяговой подстанции является основной задачей вследствие большого числа влияющих факторов (технологических, конструктивных, схемных, оперативных). Поэтому при выборе схемы главных электрических соединений осуществляется отбор вариантов на основе качественного анализа надежности и пригодности схемы для заданных конкретных условий. При этом следует иметь к виду, что повышение надежности может быть достигнуто:

дублированием силовых трансформаторов, выпрямителей, токоведущих частей и другого электротехнического оборудования;

секционированием сборных шин с помощью разъединителей или высоковольтных выключателей, снабженных соответствующими автоматическими устройствами;

устройством обходных цепей с резервными выключателями для замены основных выключателей, находящихся в работе, на время ремонта.

Другим важным требованием, предъявляемым к схеме главных электрических соединений, является их экономичность, то есть требование минимальных затрат материальных ресурсов и времени при сооружении тяговой подстанции.

Экономическая целесообразность варианта схемы оценивается приведенными затратами, включающими в себя затраты на сооружение электрической установки, ее эксплуатацию и возможный ущерб, обусловленный недоотпуском электрической энергии при нарушении схем электроснабжения.

Удобство эксплуатации и безопасность обслуживания основного оборудования схемы главных электрических соединений обеспечиваются простотой и наглядностью схемы, обеспечением минимального объема переключений, связанных с изменением режима работы, доступностью оборудования для ремонта.

В целях повышения качества проектных работ и сокращения сроков проектирования научно-исследовательскими и проектными институтами разрабатываются типовые проекты тяговых подстанций и постов секционирования. Основная цель типовых проектов — обеспечение индустриализации строительно-монтажных работ, унификация отдельных элементов и узлов тяговой подстанции. Использование высокотехнологичного надежного оборудования на тяговых подстанциях определило устойчивую тенденцию к увеличению их периода эксплуатации, сокращению продолжительности и трудоемкости обслуживания, постепенному переходу к использованию безлюдных технологий.

Модульный принцип построения системы электроснабжения, при котором элементами являются функционально и конструктивно оформленные блоки, позволяет упростить обслуживание, повысить степень заводской готовности оборудования за счет возможности поблочной наладки, а также повышает сроки функционирования электрооборудования. За счет повышения надежности коммутирующих и защитных аппаратов и сокращения времени их обслуживания существенно снижается и влияние человеческого фактора на надежность электроснабжения.

Проектные, конструктивные и технические решения широко используются на предприятиях «НИИЭФА – ЭНЕРГО» при разработке и создании нового оборудования и блочно-модульных подстанций. Модули могут использоваться для усиления существующих систем тягового электро-снабжения при реконструкции существующих, а также при строительстве новых ТП.

Модульное функционально-блочное исполнение предполагает применение новых схемных и конструктивных решений при реализации компонентов в виде отдельных блоков. Функциональный блок включает в себя необходимые опорные конструкции, силовое оборудование, оборудование управления, защит, автоматики и т.п. Функциональные блоки поставляются под монтаж на месте в полностью смонтированном виде, причем их устанавливают как в зданиях, так и в отдельных контейнерах, стыкуемых друг с другом для построения ТП.

Тяговые подстанции нового поколения снабжаются автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП), обеспечивающими возможность дистанционного управления оборудованием с одного пульта энергодиспетчерского круга.

Открытое распределительное устройство (ОРУ) 110 (220) кВ комплектуется элегазовыми выключателями серии ВГТ, разьединителями серии SGF, элегазовыми трансформаторами тока серии TG, трансформаторами напряжения СРА, ограничителями перенапряжений EXLIM, при этом в целях унификации и удобства обслуживания все разъединители оборудованы электродвигательными приводами. Технические характеристики оборудования ОРУ 110; 220 кВ приведены в [10].

Распределительное устройство 27,5 кВ представляет собой одинарную, секционированную разъединителями систему шин (главные и запасная шины), и рассчитано на подключение шести фидеров контактной сети с запасным выключателем, фидера плавки гололеда на ВЛ 110 кВ и регулируемого устройства поперечной компенсации реактивной мощности. Размещение силового оборудования в РУ 27,5 кВ выполнено для открытого и закрытого РУ. ОРУ 27,5 кВ разработано с применением 17 блоков (два блока вводов от понижающего трансформатора, два блока трансформаторов напряжений с секционными разъединителями, два блока трансформаторов собственных нужд, два блока фидеров системы «два провода – рельс» (ДПР), блок компенсирующего устройства, блок фидера плавки гололеда на питающих ЛЭП, шесть блоков фидеров контактной сети и блок запасного выключателя с разъединителями запасной шины). Блоки ОРУ (ЗРУ) 27,5 кВ комплектуются - выключателями со встроенными трансформаторами тока серии ВБЭТ, трансформаторами тока серии ТОЛ-35; разъединителями серии РД(З)-35 с электродвигательными и ручными приводами; трансформаторами напряжения ЗНОМ-35; ограничителями перенапряжений ОПН-27,5.

Распределительное устройство 10 кВ разрабатывается для двух схем питания – с питанием от двух понижающих трансформаторов с одинарной. секционированной выключателем системой шин с подключением нагрузки для питания фидеров нетяговых железнодорожных потребителей (линий продольного электроснабжения, станции) и для питания фидеров районных потребителей; - с питанием от одного понижающего трансформатора с одинарной несекционированной системой шин с подключением нагрузки только для питания фидеров нетяговых железнодорожных потребителей. Ячейки оборудуются вакуумными выключателями серии ВВЭ-М или ВБЭК-30-10, трансформаторами тока ТЛК-10 и трансформаторами напряжения НАМИТ-10, ограничителями перенапряжений ОПН-10.

Распределительное устройство 3,3 кВ тяговой подстанции постоянного тока состоит из ряда ячеек фидеров контактной сети. Каждая ячейка содержит: каркас блока разъединителей; выключатели автоматические быстродействующие ВАБ-49-5000/30-Л-УХЛ4 (ВАБ-49-3200/30-Л-УХЛ4), установленные на платформе; однополюсные разъединители РВРЗ-16-10-4000 УЗ, РВР-10-4000 УЗ.

Технические характеристики оборудования распределительных устройств 220; 110; 27,5; 35; 10,5; 3,3 кВ приведены в [10, 11]. Схемы главных электрических соединений ТП при напряжениях 110 – 220; 10,5 и 35; 27,5 и 3,3 кВ, которые определены действующими в настоящее время типовыми проектами, представлены на рис. 2.1 – 2.7.

При выполнении курсового (дипломного) проекта рекомендуется при выборе схемы главных электрических соединений тяговых подстанций ориентироваться на принятые типовые решения.

На опорных тяговых подстанциях при напряжении 110 - 220 кВ рекомендовано применять одиночную, секционированную выключателем, и обходную системы сборных шин (см. рис. 2.1). При такой схеме каждый ввод и понизительный трансформатор подключается к соответствующей секции сборных шин через выключатель и два разъединителя, каждое присоединение может быть также подключено к обходной системе сборных шин через свой обходной разъединитель, а сама обходная система сборных шин (первая и вторая секции) при помощи обходных высоковольтных выключателей Q3-Q6. Секции рабочей системы сборных шин соединяются между собой секционным высоковольтным выключателем Q7 и разъединителями QS19-QS20.

Рис. 2.1. Схема главных электрических соединений РУ 110 – 220 кВ

опорной тяговой подстанции

В нормальном режиме работы тяговой подстанции обходная система шин находится без напряжения, а разъединители QS1-QS2, QS7-QS8, QS13-QS14, QS23, соединяющие линии и понижающие трансформаторы Т1-Т2 с обходной системой шин, отключены. Важным преимуществом рассматриваемой схемы является возможность вывода в ремонт высоковольтных выключателей всех присоединений без перерыва электроснабжения, так как обходные выключатели могут заменить любые другие выключатели. При ремонте любой секции системы сборных шин, а также шинных разъединителей, все присоединения, подключенные к ней, отключаются на все время работы. Установка в цепях присоединений разъединителей с заземляющими ножами позволяет обеспечить безопасные условия работы обслуживающего персонала при ремонте высоковольтных выключателей.

На транзитных тяговых подстанциях при напряжении 110 – 220 кВ рекомендована схема мостикового типа с рабочей и ремонтной перемычками (см. рис. 2.2). В нормальном режиме работы тяговой подстанции линейные разъединители QS3-QS4, высоковольтный выключатель Q1, разъединители QS5- QS6 включены, а разъединители QS1-QS2 – разомкнуты. При необходимости ремонта выключателя Q1 включается ремонтная перемычка (включаются разъединители QS1 и QS2).

Рис. 2.2. Схема главных электрических соединений РУ 110 – 220 кВ

транзитной тяговой подстанции

Рис. 2.3. Схема главных электрических соединений РУ 110 – 220 кВ

отпаечной тяговой подстанции

На отпаечных тяговых подстанциях напряжением 110 – 220 кВ применяется упрощенная мостиковая схема без рабочей перемычки (см. рис. 2.3). Ремонтная перемычка обеспечивает присоединение обоих трансформаторов к одной ЛЭП внешнего электроснабжения.

В схеме главных электрических соединений РУ 220 кВ, в отличие от схемы РУ 110 кВ (рис. 2.1-2.3.), нейтраль понижающего трансформатора заземлена наглухо.

При напряжениях 10 и 35 кВ рекомендуется применять одиночную, секционированную выключателем, систему сборных шин (см. рис. 2.4 и 2.7). Секционирование системы сборных шин позволяет ремонтировать их посекционно, т.е. отключать те присоединения, которые подключены к соответствующей секции. Секционный высоковольтный выключатель снабжается релейной защитой, поэтому при коротком замыкании на любой секции под действием релейной защиты отключается секционный выключатель и выключатель соответствующего ввода понижающего трансформатора. Таким образом, при секционировании сборных шин выключателем одна из секций всегда остается в работе, даже в случае короткого замыкания на сборных шинах тяговой подстанции. В РУ 35 кВ при количестве фидеров районной нагрузки меньше трех и без учета перспективы дальнейшего развития секционирование осуществляется секционными разъединителями QS7-QS8.

При напряжении 27,5 кВ целесообразно применять одиночную секционированную двумя разъединителями QS12-QS13 систему сборных шин (см. рис. 2.5), которые нормально включены и отключаются при выводе секции сборных шин в ремонт. Фаза С представляет рельс, соединенный с контуром заземления и рельсами подъездного пути. Воздушный отсасывающий фидер подключается к рельсу заземленной фазы С. Подключение обмотки понижающего трансформатора напряжением 27,5 кВ к сборным шинам осуществляется с помощью разъединителей QS1-QS2 и выключателей Q1-Q2 в трехфазном исполнении. Фидеры контактной сети присоединяются к шинам 27,5 кВ через разъединители и выключатель Q7 в однофазном исполнении. В схеме главных электрических соединений 27,5 кВ предусматривается запасная шина и резервный выключатель Q9. Наличие запасной шины и выключателя Q9 позволяет обеспечивать замену любого фидера высоковольтного выключателя в случае его ремонта без перерыва питания контактной сети. Питание нетяговых потребителей, расположенных вдоль электрической железной дороги, осуществляется фидерами ДПР.

Рис. 2.4. Схема главных электрических соединений РУ 10,5 кВ

тяговой подстанции постоянного тока

Рис. 2.5. Схема главных электрических соединений РУ 3,3 кВ

тяговой подстанции постоянного тока

Рис. 2.6. Схема главных электрических соединений РУ 27,5 кВ

тяговой подстанции переменного тока

Система сборных шин 3,3 кВ (главная «плюс» шина, запасная «плюс» шина и «минус» шина) выполняется одиночной, несекционированной (см. рис. 2.6). В цепь фидеров контактной сети устанавливают однополюсные разъединители и быстродействующие выключатели. Главная и запасная шины соединены между собой с помощью запасного быстродействующего выключателя QF2. Наличие в схеме запасного выключателя QF2 и запасной «плюс» шины позволяет выводить в ремонт любой фидерный быстродействующий выключатель без перерыва питания контактной сети. В цепи отсос, соединяющей «минус» шину с рельсами электрической железной дороги, никаких коммутационных аппаратов не устанавливается.

Рис. 2.7. Схема главных электрических соединений ОРУ 35 кВ

В заключение отметим, что на тяговых подстанциях переменного тока, а также на тяговых подстанциях постоянного тока с двойной трансформацией предусматривается установка двух понижающих трансформаторов. При отключении одного из понижающих трансформаторов на тяговых подстанциях постоянного и переменного тока и преобразовательного агрегата на тяговых подстанциях постоянного тока электроснабжение должно обеспечиваться за счет оставшихся в работе трансформатора или агрегата (агрегатов).

Мощность понижающих трансформаторов и преобразовательных агрегатов тяговой подстанции постоянного тока, мощность понизительных трансформаторов тяговой подстанции переменного тока, а также количество и мощность нетяговых потребителей определяются заданием на курсовой проект.

В настоящее время разработаны специальные симметрирующие трансформаторы для применения на вновь проектируемых электрифицированных участках, а также новая система электроснабжения с опорными подстанциями и прокладываемых на опорах контактной сети двухпроводных линиях напряжением 24 – 115 кВ с питанием от них промежуточных подстанций с однофазными трансформаторами, при этом расстояния между смежными опорными подстанциями с подключением их к системе ВЭС составляет до 300 – 350 км.

Схемы главных электрических соединений различных по напряжению РУ, планы, характерные размеры представлены в специальных альбомах, изданных типографским способом, подготовленных на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта».