Системы электроснабжения метрополитена и других видов электрического транспорта
1.5. Системы электроснабжения метрополитена и других видов электрического транспорта
В транспортном комплексе крупных городов основным звеном, решающим проблему массовых пассажирских перевозок, является метрополитен. Городской подземный транспорт – метрополитен – появился в 1890 г. в Лондоне, а затем – в Париже, Берлине, Гамбурге, Нью-Йорке и других крупных городах.
В России первый метрополитен построен в Москве и сдан в эксплуатацию в 1935 г. В настоящее время метрополитен имеется в Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Самаре, Казани, Екатеринбурге, Новосибирске. Строится метрополитен и в Омске.
1.5.1. Система электроснабжения метрополитена
Основными потребителями электрической энергии в метрополитене являются электропоезда, эскалаторы для спуска и подъема пассажиров на станции; осветительные устройства; оборудование, обеспечивающее функционирование станции, ремонтные работы, организацию движении поездов и др.
Электропотребление в течение суток по метрополитену неравномерно: имеются два периода с наибольшей суммарной нагрузкой, совпадающие с часами самого интенсивного движения поездов (утренние и вечерние часы «пик»). На это же время приходится наибольшая нагрузка от электропривода эскалаторов. Режимы других потребителей в течение суток также изменяются, но без непосредственного совпадения наибольших нагрузок с цикличностью графика движения поездов.
Электроснабжение потребителей метрополитена осуществляется от энергосистемы города трехфазным переменным током напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц. Электроприемники метрополитена в соответствии с правилами устройства электроустановок [2] относятся к первой категории потребителей. Их электроснабжение осуществляется от двух независимых источников питания. Для повышения надежности электропитания подстанции метрополитена подключены непосредственно к генерирующим источникам и основным (районным) подстанциям энергосистемы — линиями 6 или 10 кВ без захода к другим потребителям города. Независимыми источниками энергосистемы являются две раздельно действующие и питающиеся от отдельных источников секции шин распределительного устройства (РУ) напряжением 6 или 10 кВ одной и той же электростанции или районной подстанции.
Одним из условий нормальной работы потребителей метрополитена является стабильный уровень напряжения в электроснабжающей сети. Нормами допускаются отклонения напряжения в системе 6 – 10 кВ в пределах ± 5%.
Рекомендуемые материалы
Система питания тяговой сети может быть централизованной (сосредоточенной) или децентрализованной (распределенной). При централизованной системе питания применяют наземные тяговые подстанции и наземные или подземные понизительные подстанции (подстанции, от которых питаются нетяговые потребители). Питающие линии (вводы) напряжением 6 – 10 кВ от источника энергосистемы подводят к наземной тяговой подстанции, от которой электроэнергия поступает на понизительные подстанции. Таким образом, тяговые подстанции являются опорными распределительными пунктами электроснабжения метрополитена.
Для децентрализованной системы характерны совмещенные тяговопонизительные подстанции, которые чаще всего располагают под землей, вблизи от пассажирских станций, приближая источники питания к потребителям электроэнергии.
В системе метрополитена принято (с экономической точки зрения) централизованное питание – для линий глубокого заложения и открытых участков, а децентрализованное – для линий мелкого заложения. Расстояние между наземными тяговыми подстанциями при централизованной системе питания 3,0 – 3,5 км.
По условиям противопожарной безопасности на подземных подстанциях устанавливается оборудование без масляного заполнения.
На тяговых подстанциях осуществляется преобразование трехфазного переменного тока напряжением 6 – 10 кВ, получаемого от энергосистемы города, в постоянный ток номинальным напряжением на шинах тяговой подстанции 825 В и на токоприемнике (в контактной сети) – 750 В.
Понизительные подстанции классифицируют по их местоположению на трассе – основные (у станций), вестибюльные (возле машинных залов эскалаторов), тоннельные (на перегоне) и деповские (при депо). На понизительных подстанциях трехфазный переменный ток напряжением 6 – 10 кВ, получаемый от тяговых подстанций, трансформируется в трехфазный переменный ток напряжением 400 и 230/133 В для питания силовых и осветительных нагрузок, устройств СЦБ.
В качестве примера на рис. 1.19 приведена принципиальная схема первичного электроснабжения метрополитена. Более подробно с системой электроснабжения метрополитена можно ознакомиться в работе [8].
Другим наиболее распространенным видом электрического транспорта является наземный транспорт.
Рис.1.19. Принципиальная схема электроснабжения двух тяговых
подстанций метрополитена: а – питание по четырем радиальным линиям;
б – питание по линиям и перемычке
1.5.2. Система электроснабжения наземного электрического транспорта
К числу наземного электрического транспорта относят трамваи и троллейбусы, которые используются в основном как городские транспортные средства. Для питания этого вида транспорта системы электроснабжения могут быть централизованными и распределенными.
Централизованная система электроснабжения – это система, в которой каждая тяговая подстанция питает протяженный район контактной сети по многим кабелям, децентрализованная – система, как правило, с двумя плюсовыми и двумя минусовыми кабелями, выводимыми на контактную сеть, каждая секция которой питается с двух сторон от двух тяговых подстанций.
Питание тяговых подстанций производится по кабельным линиям напряжением 6 или 10 кВ, присоединяемым к распределительному устройству высшего напряжения. Современные тяговые подстанции служат для преобразования трехфазного тока напряжением 6 или 10 кВ, частотой 50 Гц в постоянный. Для городского электрического наземного транспорта принято напряжение постоянного тока: на шинах тяговой подстанции – 600 В, на токоприемнике трамвая и троллейбуса – 550. Структурная схема тяговой подстанции приведена на рис. 1.20.
Рис. 1.20. Структурная схема тяговой подстанции и тяговой сети
электрического транспорта
Классификация тяговых подстанций может быть проведена по нескольким показателям: по назначению подстанции бывают трамвайные, троллейбусные, трамвайно-троллейбусные; наибольшее распространение в практике получили наземные подстанции. Для централизованного электроснабжения трамвая и троллейбуса их строят трехагрегатными, а децентрализованного – одно и двухагрегатными. Подробно с системой электроснабжения трамвая и троллейбуса можно ознакомиться по источнику [9]. В последнее время все большее распространение получает новый вид электрического транспорта – монорельсовый транспорт.
1.5.3. Системы электроснабжения монорельсового транспорта
Монорельсовый транспорт – вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке – монорельсу, установленному на опорах или эстакаде на некотором расстоянии над землей.
В настоящее время широкое распространение получили две системы монорельсового транспорта: с колесным опиранием и магнитным подвесом.
Монорельсовый транспорт с колесным опиранием эксплуатируется во всех развитых странах, обеспечивая перевозки пассажиров по городским линиям. В 2004 г. в Москве пущена в опытную эксплуатацию Московская монорельсовая дорога (ММД) длиной 5 км в районе телецентра Останкино между Всероссийским выставочным центром (ВВЦ) и станцией метро «Тимиря-зевская».
Поезд ММД состоит из шести вагонов вместимостью 24 человека каждый. Московская монорельсовая дорога устроена следующим образом
(рис. 1.21): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на эстакаду 4 при помощи опорных катков 5. Катки 6 и 7 обеспечивают вертикальную и горизонтальную стабилизацию экипажа. Передвижение осуществляется за счет линейного асинхронного двигателя 8, обмотки которого расположены на тележке и взаимодействуют с реактивной шиной 9, закрепленной на эстакаде.
В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 10, взаимодействующих с токопроводами 11, закрепленными посредством кронштейнов 12 на эстакаде.
Отличием данной схемы от классической является то, что в качестве движителя используются не колеса, а электрический линейный привод, обеспечивающий эффективную тягу и заданные ускорения вне зависимости от коэффициента трения качения колеса по балке.
Рис. 1.21. Схема расположения подвижного состава ММД на эстакаде
Для монорельсовых транспортных систем характерны скорости движения до 60 км/ч, в отдельных случаях на скоростных трассах - до 100 км/ч. Потребляемый ток может составлять 200 - 250 А на один токоприемник при напряжении 500 - 600 В постоянного и 380 - 500 В переменного тока.
Система электроснабжения такого транспорта аналогична системам электроснабжения метрополитена и городского электрического транспорта.
Электромагнитный монорельсовый транспорт. Принципиальной отличительной особенностью монорельсового транспорта с подвижным составом на электромагнитном подвесе (ЭМТ) является отсутствие традиционного для наземного транспорта колеса, выполняющего функцию опоры, направления и тягового усилия за счет сцепления с путевым полотном. В новом виде транспорта эти функции выполняет магнитное поле, что дает ряд несомненных преимуществ, особенно в части снижения уровня вибрации и шума и устранения сопротивления движению.
Классификация систем электромагнитного рельсового транспорта приведена на рис.1.22.
Рис. 1.22. Структурная схема ЭМТ
Система электроснабжения ЭМТ зависит от того, где размещены обмотки линейного двигателя – в пути или на экипаже [10]. В первом случае эта система носит название «длинный статор» и не требует специальных устройств для передачи электроэнергии на экипаж. Такая схема реализована в системах Transrapid (Германия), ML (Япония) и др. К недостаткам данной системы можно отнести высокую стоимость и сложность управления движением.
Если обмотка двигателя размещена на экипаже, то такая система называется «короткий статор». Она реализована в системах HSST (Япония) и ТЭМП (Россия), имеющих гораздо более низкую стоимость, но требующих применения устройств токосъема.
В России работы по созданию ЭМТ были начаты в середине 70-х гг. В настоящее время головной организацией в этой отрасли является инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва), в состав которого входят экспериментальный комплекс и испытательная трасса в г. Раменское, где ведутся работы по созданию отечественных систем монорельсового подвижного состава с электромагнитным подвесом.
Условия работы контактной системы ЭМТ обусловлены особенностями конструкции экипажа и характером расположения его на эстакаде (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Особенности системы токосъема ЭМТ
Кузов вагона ЭМТ установлен на тележке 1, охватывающей Т-образную эстакаду, на которой размещены опорные рельсы 3. На тележке смонтированы посадочные упоры 4, элементы подрессоривания 5 кузова 6, активная часть линейного электродвигателя 7, взаимодействующая с реактивной шиной 8, закрепленной на эстакаде 2. С феррорельсами 9 взаимодействуют электромагниты 10, обеспечивающие подвес экипажа.
В нижней части узла крепления электромагнитов закреплены токоприемники 11, контактные элементы 12 которых обеспечивают токосъем с нижней поверхности контактного рельса, закрепленного на эстакаде с помощью изоляторов. Напряжение – 1500 В, род тока – постоянный.
Данная схема была принята за основу при создании первой отечественной линии ЭМТ Москва – Шереметьево-2.
Система электроснабжения электромагнитного монорельсового транспорта с линейным асинхронным двигателем. При скорости движения свыше 300 км/ч мощность линейного двигателя, необходимая для преодоления сопротивления движению, оценивается в несколько мегаватт, поэтому к устройствам передачи электроэнергии на борт экипажа предъявляются высокие требования. Наиболее целесообразным в этом случае является применение контактного токосъема с использованием токоприемников и жесткой контакт- ной сети.
Максимальное тяговое усилие, развиваемое ЛАД, реализуется при относительно низком напряжении на статорной обмотке. Вследствие этого передача энергии к двигателям поезда должна осуществляться при относительно низком напряжении (до 4000 В) и большом токе (до 8 кА). Пункты питания с преобразователями при этом необходимо располагать очень часто — менее чем через 0,1 км, что практически неосуществимо. Организация систем электроснабжения по такой системе весьма затруднительна из-за больших потерь напряжения в сети. Для увеличения протяженности зон питания необходимо использовать усиливающие линии, но они дают незначительный эффект при технически возможных сечениях проводов фаз. В этих условиях целесообразно передавать энергию по продольной питающей линии (ППЛ) более высоким напряжением, а контактной сети оставить в основном функцию токосъема. Связь между продольной питающей .линией и контактной сетью осуществить посредством согласующих трансформаторов. Конфигурации системы электроснабжения получаются существенно различными в зависимости от того, где расположены преобразователи в системе передачи электроэнергии от энергосистемы до поезда.
На рис.1.24 представлены варианты систем электроснабжения с тяговой сетью трехфазного переменного и постоянного тока.
На рис. 1.24,а преобразователи (ПН и ПЧ) расположены на тяговой подстанции.
Через продольную питающую линию и согласующие трансформаторы (СТ) в контактную сеть энергия передается трехфазным переменным током с изменяющимися напряжением и частотой. При этом уровень номинального напряжения в продольной питающей линии может быть выбран достаточно высоким для уменьшения сечения проводов фаз.
а
б
в
Рис.1.24. Схемы тягового электроснабжения ВСНТ с ЭМП и ЛАД:
а – система трехфазного переменного тока в контактной сети
с преобразователями на тяговых подстанциях; Тр1 – трансформатор
подстанции; ПЧ, ПН – преобразователи напряжения и частоты;
Ещё посмотрите лекцию "Shell" по этой теме.
ППЛ – продольная питающая линия; Тр2 (СТ) – согласующий трансформатор питающего пункта; к. с. – контактная сеть; б – система трехфазного
переменного тока в контактной сети с преобразователями на питающих пунктах; в – система постоянного тока в контактной сети с «разнесенными»
преобразователями
В целях уменьшения индуктивного сопротивления питающей линии и соответственно падения напряжения в ней можно передавать энергию при постоянной частоте 50 Гц. Для этого преобразователи ПН и ПЧ устанавливаются последовательно с согласующим трансформатором (рис.1.24,б) между продольной питающей линией и контактной сетью в так называемых питающих пунктах.
Подстанции конструктивно упрощаются, на них остаются только силовые трансформаторы. Зоны питания продольной питающей линии в этом варианте могут быть более протяженными, чем в предыдущем. Однако в этом случае увеличивается число преобразователей.
Каждый из указанных вариантов систем имеет свои преимущества и недостатки. Выбор целесообразного варианта может быть осуществлен после технико-экономической оценки каждого, сравнения результатов и выбора наиболее экономичного по затратам.
