План-конспект урока № 11Н Урок: Тема: Цель урока: по предмету «Электроснабжение электроподвижного состава» Тяговые подстанции постоянного тока. 1. Познавательная: Изучить с учащимися тяговые подстанции постоянного тока. 2. 2.Развивающая: Развивать и совершенствовать профессиональные знания учащихся. 3.Воспитывающая: Воспитывать ответственность за обеспечение безопасности движения поездов. Оснащение урока: Тип урока: Метод: 1. Раздаточный материал 2. Видиоматериал Комбинированный Объяснительно-иллюстративный Ход урока 1. Организационная часть Приветствие, проверка присутствующих учащихся, мотивация, озвучивание темы и целей учебного занятия Повторение предыдущего материала: Изучение схемы тягового электроснабжения на переменном токе 2*25 кВ. Изучение нового материала: Тяговые подстанции постоянного тока. 90 мин Тяговые подстанции постоянного тока Тяговые подстанции железной дороги Тяговая подстанция железной дороги предназначена для распределения, преобразования электроэнергии, питания тяговых (электроподвижного состава) и нетяговых железнодорожных, а также нежелезнодорожных потребителей. Тяговые подстанции железной дороги получают электроэнергию от энергосистем через систему внешнего электроснабжения, после чего энергия распределяется между тяговыми (через систему тягового электроснабжения) и нетяговыми потребителями. Классификация По способу присоединения к системе внешнего электроснабжения: Опорная (узловая) – получает питание от сети внешнего электроснабжения по трём и более линиям электропередачи напряжением 110 или 220 кВ, и служит источником питания для других тяговых подстанций. Тупиковая (концевая) – получает питание по двум радиальным ЛЭП от соседней подстанции. Промежуточная– получает питание по вводам от двух соседних подстанций. Промежуточные в свою очередь делятся на: Транзитная (проходная) – включается в рассечку ЛЭП. Отпаечная – подключается к отпайкам или ответвлению ЛЭП. По системе электрической тяги: Постоянного тока 3,3 кВ Переменного тока 25кВ Переменного тока 2х25 кВ Стыковые По типу преобразователей: Выпрямительные Выпрямительно-инверторные По значению питающего напряжения: 6, 10, 35, 110, 220 кВ По системе управления: Телеуправляемые Нетелеуправляемые По способу обслуживания: Без дежурного персонала С дежурством на дому С постоянным дежурным персоналом По типу: Стационарные Передвижные Схемы питания тяговых подстанций Максимальное расстояние между соседними тяговыми подстанциями: 15 км на постоянном токе и 50 км – на переменном. Каждая тяговая подстанция получает питание от двух независимых источников, так как электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории. Питание тяговых подстанций может осуществляется по одноцепной ЛЭП, двухцепной ЛЭП на общих и на раздельных опорах. При питании от одноцепной линии между опорными подстанциями располагаются не более трёх транзитных подстанций. При питании от двухцепной линии на общих опорах: для ЛЭП-220 кВ — не более пяти транзитных при электрической тяге как на переменном, так и постоянном токе; для ЛЭП-110 кВ — не более пяти транзитных при электрической тяге на постоянном и трех — на переменном токе. При питании от двухцепной линии на раздельных опорах: для ЛЭП-220 кВ — не более пяти подстанций (2 транзитные 3 отпаечные) при электротяге как на постоянном, так и на переменном токе; для ЛЭП-110 кВ — не более пяти подстанций (2 транзитные 3 отпаечные) при электрической тяге на постоянном и трех (2 транзитные 1 отпаечная) — на переменном токе. Структура тяговых подстанций Ввод На тяговые подстанции железной дороги поступает энергия напряжением 110, 220 кВ, на некоторые старые тяговые подстанции постоянного тока может поступать напряжение 35 кВ. Тяговые подстанции имеют от 2 (на транзитных, отпаечных, тупиковых подстанциях) до 6 (на опорных подстанциях) вводов. Распределительное устройство высокого напряжения Обычно это РУ 110 или 220 кВ, от них через понижающий трансформатор энергия поступает на РУ 6 (10), 35 кВ, а также на тяговое РУ 27,5 кВ. На некоторых подстанциях постоянного тока РУ высокого напряжения может быть 35 кВ, в этом случае от него питаются: через преобразовательный агрегат тяговое РУ 3,3 кВ, трансформаторы собственных нужд, РУ 6 (10) кВ, а также нетяговые потребители. Схемы РУ высокого напряжения различаются в зависимости от типа подстанции. Распределительные устройства низкого напряжения На тяговых подстанциях переменного тока РУ 6 (10) и 35 кВ используются только для питания нетяговых потребителей. Для питания тяговых потребителей, а также трансформаторов собственных нужд используется РУ 27,5 кВ. На тяговых подстанциях постоянного тока РУ 6 (10) кВ используются для питания: через преобразовательный агрегат РУ 3,3 кВ, трансформаторов собственных нужд, а также нетяговых потребителей. РУ 35 кВ используется только для питания нетяговых потребителей, за исключением случаев, когда РУ 35 кВ является основным. Преобразовательные агрегаты Выпрямители и инверторы, используются на тяговых подстанциях постоянного тока для питания РУ 3,3 кВ выпрямленным током и для возврата энергии, вырабатываемой при рекуперативном торможении из контактной сети в общую сеть переменного тока. Фидеры Фидеры используются для присоединения к распределительным устройствам тяговой подстанции контактной сети и других потребителей электроэнергии. Рис. 1.2 Принципиальная схема тяговой подстанции постоянного тока: Тяговая подстанция получает питание по двум вводам (рис. 1.2), если она транзитная, тупиковая или на отпайках, и через РУ питающего напряжения оно подается на первичные обмотки главных понижающих трансформаторов ГПТ-1 и ГПТ-2, которые понижают напряжение до 10 кВ и подают энергию в РУ-10 кВ, со сборных шин которого запитываются преобразовательные агрегаты ПА-1 и ПА-2 (блок из тягового трансформатора и выпрямителя), трансформаторы собственных нужд ТСН-1 и ТСН-2 и нетяговые потребители 10 кВ (количество питающих линий определяется числом потребителей и их категорией). От РУ-3,3 кВ осуществляется электроснабжение участка железной дороги по фидерам контактной сети, количество которых определяется схемой питания и секционирования контактной сети (в проектах задается). Рис. 1.2. Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока. Питание нетяговых потребителей напряжением 35 кВ осуществляется от сборных шин РУ-35 кВ, получающих питание от третьей обмотки ГПТ-1 и ГПТ2. Если нетяговые потребители 35 кВ отсутствуют, то главные понижающие трансформаторы выполняются двухобмоточными. Если подстанция постоянного тока получает питание от ЛЭП-35 кВ, тог да тяговые трансформаторы преобразовательных агрегатов ПА-1 и ПА-2 подключаются непосредственно к РУ-35 кВ (рис.1.3). Для питания негяговых потребителей 10 кВ предусматривается РУ-10 кВ, попучающее питание от двух трансформаторов Т1 и Т2, первичные обмотки которых подключены к двум секциям сборных шин РУ-35 кВ. В РУ-10 кВ предусмотрена установка двух трансформаторов собственных нужд (ТСН-1 и ТСН-2). Если на таких подстанциях отсутствует РУ-10 кВ, то трансформаторы собственных нужд подключаются к сборным шинам РУ-35 кВ. Рис. 1.3. Структурная схема тяговой подстанции постоянного тока 35/10/3,3 кВ 1.1.3. Структурная схема трансформаторной подстанции Трансформаторная подстанция предназначена для преобразования электрической энергии высокого напряжения в энергию низкого напряжения и ее распределения по потребителям. Для промышленного и железнодорожного электроснабжения применяют понижающие подстанции с двумя трансформаторами и РУ соответствующих уровней напряжения (рис. 1.4). Трансформаторные подстанции такого типа получают питание или от ЛЭП и так же, как и тяговые, бывают опорные, транзитные, на отпайках и тупиковые, или от шин вторичного напряжения других подстанций по двум вводам. От шин низшего напряжения (одного или двух уровней) получают питание потребители. Количество питающих линий определяется категорией потребителей. Трансформаторы собственных нужд обычно подключают к РУ-10 (6) кВ, если такое имеется на подстанции, В случае одного уровня вторичного напряжения на подстанции устанавливаются двухобмоточные трансформаторы. Рис. 1.4. Структурная схема трансформаторной подстанции высокого напряжения Тяговые подстанции Тяговые подстанции дорог постоянного и переменного тока значительно различаются по устройству. Однако и те и другие должны отвечать следующим требованиям: обеспечивать надежность электроснабжения локомотивов, быть по возможности несложными, безопасными в обслуживании. Желательно также, чтобы расходы на их монтаж и эксплуатацию были невелики. Познакомимся с устройством типовой тяговой подстанции постоянного тока (рис. 132). На ней установлено два силовых трансформатора Т1 и Т2 (их может быть и больше). Каждый из трансформаторов соединен со своим выпрямителем В, собранным по трехфазной мостовой схеме. Катоды выпрямителей быстродействующими выключателями БВ и разъединителями Р соединены с шиной <-(- > распределительного устройства РУ постоянного тока. Аноды выпрямителей соединены разъединителями с шиной <->. Шина <+ >, или, как еще ее называют, главная шина, соединена фидерами с контактной сетью. В фидер для защиты подстанций от коротких замыканий в контактной сети включены быстродействующий выключатель БВф и два разъединителя Рф. Отключив эти разъединители, можно производить в безопасных условиях ревизию или осмотр быстродействующего выключателя. Защита от коротких замыканий должна действовать избирательно (селективно) и не отключать контактную сеть в тяжелых рабочих режимах, например при одновременном пуске нескольких единиц электроподвижного состава, резком колебании нагрузок, связанных с перегруппировкой тяговых двигателей. Фидеров обычно бывает несколько (на рис. 132 показан один). Количество их зависит от числа электрифицированных путей на перегоне, путевого развития станций, наличия депо. Шину <-> (ее еще называют обратной) соединяют с рельсами отсасывающей воздушной или кабельной линией. Поясним особенности выпрямления переменного тока на тяговых подстанциях. Выше было отмечено, что выпрямленный ток на подстанциях является практически постоянным в отличие от пульсирующего на электровозах переменного тока. Объясняется это тем, что на тяговых подстанциях выпрямляется трехфазный ток в отличие от однофазного, который подводится к электровозам переменного тока. При однофазном токе для уменьшения пульсаций применяется двухпериодная схема выпрямления (см. рис. 62, б); по такой же схеме включают и все три фазы вторичной обмотки трансформатора, соединенные <звездой>. К обмоткам присоединены шесть групп вентилей, работающих поочередно. При этом обеспечивается шестифазное выпрямление. Кроме того, для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в шину <-> включают сглаживающий реактор СР. л Схема рис. 132 упрощена; на ней, например, не показаны запасная шина и запасной БВ, с помощью которых, не прерывая питание, можно заменить любой БВ фидера; не показан также ряд других устройств и аппаратов. Чтобы еще больше уменьшить колебания выпрямленного напряжения, можно применить параллельную работу двух преобразовательных агрегатов, каждый из которых имеет шестипульсовые схемы выпрямления. Пульсации выпрямленного напряжения каждой установки следуют со сдвигом 360°:6= = 60°. Если искусственно сделать дополнительный сдвиг на 30° при параллельной работе двух выпрямителей, то на выходных линиях подстанции будет выпрямленное напряжение с 12-фазной пульсацией. Отклонение этих колебаний от среднего значения выпрямленного напряжения меньше, чем при шестипульсовой схеме. Рис. 132. Принципиальная схема тяговой подстанции постоянного тока Для того чтобы можно было осуществить рекуперацию на электроподвижном составе, независимо от наличия потребителя на линии устанавливают инверторы или поглощающие устройства на подстанциях. Принцип инвертирования (преобразование постоянного тока в переменный) был рассмотрен применительно к установкам на электроподвижном составе. В отличие от рассмотренного инвертор, расположенный на подстанции, является многофазным: он преобразует постоянное напряжение в трехфазное. В СССР применяют в основном выпрямительно-инверторные установки, силовая схема которых рассчитана на работу в двух режимах: выпрямления и инвертирования. При наличии такой установки энергия рекуперации передается от тяговой подстанции в систему первичного (внешнего) электроснабжения. Поглощающие устройства состоят из резисторов. Поглощающие резисторы, в которых энергия рекуперации бесполезно рассеивается, целесообразно применять лишь тогда, когда количество энергии рекуперации, поступающее на подстанции, незначительно, и эта энергия в основном потребляется электровозами, находящимися в тяговом режиме. Это возможно на многопутных электрифицированных участках с интенсивным движением, на которых всегда в зонах питания имеются электровозы, потребляющие энергию. Однако в некоторые моменты времени на таких участках кратковременно могут отсутствовать электровозы - потребители энергии рекуперации. При отсутствии приемников этой энергии возможны срывы рекуперативного торможения поездов, движущихся с большой скоростью по уклону. Это недопустимо как с точки зрения безопасности движения, так и вследствие возникновения в таких случаях чрезмерно высокого напряжения, опасного для тяговых двигателей. Поэтому на тяговых подстанциях устанавливают поглощающие резисторы, служащие резервным приемником энергии рекуперации в указанные моменты времени. Их включение должно производиться безынерционно как только напряжение в контактной сети превысит напряжение на выходе выпрямителя, установленного на подстанции. На подстанциях дорог переменного тока используют силовые трансформаторы различных типов с разными схемами соединения их обмоток в зависимости от величины нагрузок и условий электроснабжения тяговой подстанции. В случае питания тяговой подстанции от двух линий электропередачи (ЛЭП) первичные обмотки трансформаторов Т1 и Т2 (рис. 133) присоединяют к разным ЛЭП. В случае необходимости эти обмотки можно подключить к одной и той же ЛЭП, применив перемычку (на рис. 133 перемычка не показана). Две фазы вторичных обмоток трансформаторов, например А и С, соединены с шинами тяговой подстанции. Шины высоковольтными выключателями ВВ и фидерами соединены с контактными подвесками путей I и II двухпутного участка. Третья фаза (в нашем примере В) соединена с рельсами. Более или менее равномерная нагрузка фаз обеспечивается благодаря подключению контактной подвески I к фазам А и С. Так же подсоединена контактная подвеска II другого пути. Для предотвращения короткого замыкания между фазами А и С контактные подвески электрически разделены нейтральными вставками. Рис. 133. Принципиальная схема тяговой подстанции переменного тока Тяговые подстанции имеют также трансформаторы для питания собственных нужд (например, освещение, отопление и пр.), трансформаторы напряжения для питания релейной защиты, счетчиков и т. п. Эти присоединения на рис. 132 и 133 не показаны. От тяговых подстанций получают питание устройства железнодорожной сигнализации, связи, автоблокировки. Электрификация железных дорог одновременно способствует развитию централизованного снабжения электроэнергией промышленных предприятий и сельских районов, прилегающих к электрифицированным линиям. Для электроснабжения нетяговых потребителей трансформаторы тяговых подстанций дорог переменного тока имеют третью трехфазную обмотку, соединенную с шинами А', В', С'. На тяговых подстанциях дорог постоянного тока устанавливают отдельные трансформаторы ТЗ (см. рис. 132), питающие районные потребители. Многие тяговые подстанции превратились по существу в районные, нагрузки которых в значительной мере определяются нетяговыми потребителями. Электровоор^женность труда значительно повышает его производительность, улучшает условия быта и отдыха населения. Важную роль в решении этих задач играет электрификация железных дорог. Кроме того, в районах, через которые проходят электрифицированные железные дороги, оказывается возможным закрыть маломощные транспортные, промышленные и сельские электростанции, что дает значительный экономический эффект. МВ - масляный выключатель; ОД - быстродействующий отделитель; КЗ короткозамыкатель; Тр - понижающий трансформатор; HE - распределительное устройство;кВА - кремниевый выпрямительный агрегат; БВ - быстродействующий выключатель; Р - реактор; СУ - сглаживающее устройство. Ячейки представляют собой сборную конструкцию, состоящую из камеры разъединителей, щита с дверями и ограждения. Преобразователь тяговой подстанции постоянного тока состоит из преобразовательного трансформатора, выпрямительной или выпрямительноинверторной установки и вспомогательной аппаратуры - коммутационные аппараты, устройства управления и сигнализации, защиты от токов перегрузки, короткого замыкания, перенапряжений, устройства охлаждения. Выпрямительные агрегаты, осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный, выполняют на кремниевых силовых диодах (неуправляемых вентилях). На ТПС применяют выпрямители с различными видами охлаждения: УВКЭ-1, ПВЭ-2, ПВЭ-3, ПВК-6 с принудительным воздушным охлаждением, ПВК-2, ПВК-3, ПВЭ5АУ1 наружной установки с естественным воздушным охлаждением. Наиболее широко применяют преобразователи с естественным воздушным охлаждением в связи с простотой их обслуживания и высокими технико-экономическими показателями. Выпрямительные агрегаты указанных типов собраны по 6-пульсовой (3-фазной) схеме. Для повышения коэффициента мощности, уменьшения высших гармоник токов в напряжении питающей сети, а также в выпрямленном напряжении применяют 12пульсовые (12-фазные) схемы выпрямления. С этой целью осуществляют параллельное или последовательное соединение двух выпрямителей, выполненных по 3-фазной мостовой схеме. Выпрямительно-инверторные агрегаты (ВИП иликВА) используются для преобразования постоянного тока рекуперации (избыточный ток, возникающий при торможении ЭПС) в переменный, возвращаемый во внешнюю систему электроснабжения. Первый инвертор на тиристорах был выполнен передвижным и введен в работу на Закавказской железной дороге в 1969 г. В дальнейшем были разработаны стационарные выпрямитель-но-инверторные агрегаты ВИПЭ-1 (инвертор и выпрямитель выполнены на тиристорах) и ВИПЭ-2УЗ (инвертор на тиристорах, выпрямитель на диодах). Выпрямитель или инвертор в зависимости от режима работы, который задается датчиком переключения, подключается к шинам ТПС быстродействующими выключателями, которые одновременно обеспечивают защиту агрегата при перегрузках, коротких замыканиях и опрокидываниях. Частые переключения ВИП (40-50 раз в сутки) неблагоприятно сказываются на коммутационной аппаратуре, приводя к различным отказам преобразователя. В связи с этим на базе ВИП-2УЗ был разработан агрегат с бесконтактным переключением режимов (т. н. переключаемый ВИП), управляемый импульсами, подаваемыми на тиристоры. 6. Домашнее задание Конспект лекций, Литература № 1, стр. 89-92 7. Подведение итогов урока: Анализ допущенных ошибок, полученные оценки Преподаватель М.И.Кожухов
