Проектирование тяговой подстанции переменного тока

Энергию на тягу поездов получают от энергосистем через их высоковольтные линии и районные подстанции, непременно, через специальные тяговые подстанции, являющиеся элементами системы электроснабжения электрифицированных железных дорог. Каждая тяговая подстанция является ответственным электротехническим сооружением (электроустановкой), оснащенной мощной современной силовой (трансформаторы, автотрансформаторы, полупроводниковые преобразователи, батареи конденсаторов), коммутационной (выключатели переменного и постоянного тока, разъединители, короткозамыкатели) и вспомогательной аппаратурой, большая часть которой работает в режиме автотелеуправления. Насыщенность тяговых подстанций разнообразной по назначению аппаратурой существенно выше, чем равных по мощности и классу первичного питающего напряжения подстанций энергосистем. Это объясняется многофункциональностью тяговых подстанций — от них получают питание не только электрические поезда, но также районные и нетяговые потребители железных дорог.

К схемам и конструкциям тяговых подстанций предъявляют определенные технические требования. Так, установленная мощность их трансформаторов и преобразователей должна соответствовать спросу потребителей электроэнергии (электрических поездов, районных и нетяговых железнодорожных потребителей), коммутационная и вспомогательная аппаратура обеспечивать бесперебойное питание потребителей электроэнергии на требуемом уровне надежности. Очень важно также, чтобы качество электрической энергии соответствовало установленным нормам.

Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение эксплуатационной работы железной дороги для этого необходимо, что бы мощность всех элементов системы электроснабжения была достаточной для обеспечения потребной каждому локомотиву мощности при самых разнообразных условиях работы железной дороги.

Эти задачи могут быть решены только при правильно выбранных параметрах системы электроснабжения, т. е. обеспечивающих работу оборудования в допустимых для него пределах по нагрузке и необходимое качество электроэнергии, а также при обеспечении необходимого резерва.

Известно, что недопустимое для данного элемента электрической установки увеличение нагрузки может привести к выходу его из строя. С другой стороны, увеличение номинальной мощности любого элемента и, следовательно, допустимой для него нагрузки связано с увеличением затрат. Поэтому необходимо уметь выбирать параметры всех устройств системы электроснабжения так, чтобы они бесперебойно работали в течение времени, определяемого их нормальным сроком службы, при минимальных затратах.

1. Исходные данные

Опорная тяговая подстанция постоянного тока № 1, согласно схеме присоединения к системе внешнего энергоснабжения.

22 18 19 21 20

Рис. 1.1. Схема присоединения подстанций.

S_КЗ1= 700 МВА;

S_КЗ2= 900 МВА;

Трансформатор ТДТН – 40000/110

U_НОМ : 115/38,5/11 кВ;

S_НОМ = 40 МВА;

u_{к в-с} = 17 %

u_{к в-н} = 10,5 %

u_{к с-н} = 6 %

Преобразовательный трансформатор: ТМРУ – 16000/10Ж;

S _НОМ1 = 11840 кВА;

U_НОМ1 = 10 кВ;

U_НОМ2 = 3,02 кВ;

U_{НОМ вып} = 3,3 кВ;

I_НОМ1 = 650 А;

I_НОМ2 = 924 А;

I_{НОМ вып} = 3200 А;

u_к = 7,35 %.

Количество фидеров контактной сети: 5;

Количество фидеров не тяговых потребителей: 6,

Их мощность S_{ф мах} = 2500 кВА;

Годовой отпуск электроэнергии: 50 · 10⁶ кВт · ч.

Время работы защиты: t_з = 0,5 с.

Площадь подстанции: S = 12000 м²

Сопротивление грунта: r = 135 Ом · м.

Для выбора аккумуляторной батареи напряжением 220 В:

Ток длительной нагрузки 40 А.

Ток аварийной нагрузки 24 А.

2. Составление однолинейной схемы главных электрических соединений тяговой подстанции.

Схема главных электрических соединений составлена на основе типовых проектных решений приведенных в (2, 4).

Тяговая подстанция получает питание по двум одно-цепным линиям 110 кВ, являющимися частью системы энергоснабжения района.

На подстанции установлено два тяговых трансформатора. Нормально в работе находится один из них, другой в резерве. В вынужденных режимах работе могут находиться оба трансформатора.

ОРУ 110 кВ выполнено с одной, секционированной выключателем и обходной системами шин. Трансформаторы подключены через высоковольтные выключатели с разъединителями. Для защиты от перенапряжений установлены ограничители перенапряжений типа ОПН-110.

ОРУ 35 кВ служит для питания не тяговых потребителей прилегающего к подстанции района. Выполнено с одинарной системой шин, секционированной выключателем.

РУ 10 кВ служит для питания преобразовательных агрегатов, ТСН, фидеров продольного электроснабжения. Выполнено с одинарной системой шин, секционированной выключателем. РУ 10 кВ размещено в камерах наружной установки типа К-У1-У.

РУ 3,3 кВ – постоянного тока, питается от РУ 10 кВ через преобразовательный трансформатор и полупроводниковый преобразователь. Состоит РУ 3,3 кВ из рабочей и запасной плюсовых шин, секционированных двумя разъединителями на три секции, минусовая шина не секционируется, поскольку по условиям безопасности на ней допускается работа без снятия напряжения. К крайним секциям присоединены выпрямительные агрегаты и фидера контактной сети, к средней – запасной выключатель, разрядник, сглаживающее устройство. Нормально все секции работают параллельно, при ревизиях может отключаться любая крайняя секция. Выпрямительные агрегаты присоединены к шинам быстродействующими выключателями БВ и разъединителями. В цепи каждого фидера контактной сети, а также запасного выключателя включено последовательно по два быстродействующих выключателя.

Однолинейная схема главных электрических соединений тяговой подстанции приведена на чертеже (Рис. 2.1).

3. Выбор оборудования подстанции

3.1 Выбор трансформаторов собственных нужд

На тяговой подстанции установлены два трансформатора собственных нужд с вторичным напряжением 380В, каждый из которых рассчитан на полную мощность собственных нужд подстанции. Питание ТСН осуществляется от шин РУ-10 кВ.

Мощность собственных нужд подстанции согласно (1).

S_СН = k_СН n_тп S_{н тп} + S_аб + S_мх + S_под (3.1)

где, k_СН = 0,01 – коэффициент собственных нужд;

n_тп = 2 – число тяговых трансформаторов;

S_{н тп} – номинальная мощность тягового трансформатора;

S_аб = 60 кВА – мощность устройств автоблокировки;

S_мх = 20 кВА – мощность передвижной базы масляного хозяйства.

S_СН = 0,01 · 2 · 40000 + 60 + 20 +250 = 1130 кВА.

Максимальный рабочий ток ТСН согласно (1)

 (3.2)

Выбираем трансформаторы типа: ТМ-1600/10

S_ном = 1600 кВА

n = 2

I_{рмах тсн} = 92,37 А

3.2 Выбор токоведущих частей и электрической аппаратуры распределительных устройств

Токоведущие части и электрические аппараты выбраны по условиям длительного режима работы, должны выполняться условия:

U_ном ³ U_{ном РУ}; (3.3)

I_ном ³ I_рмах; (3.4)

где U_ном, I_ном – номинальные напряжение и ток аппарата;

U_{ном РУ} – номинальное напряжение распред. устройства;

I_рмах – максимальный рабочий ток присоединения.

3.2.1 Выбор оборудования ОРУ 110 кВ.

Максимальный рабочий ток транзитной перемычки, согласо (1)

 (3.5)

где k_пр = 1.3 – коэффициент перспективы развития потребителей;

n_тп = 2 – число понижающих трансформаторов на подстанции;

S_{н тп} –номинальная мощность понижающего трансформатора, кВА;

S_транз – транзитная мощность, через шины подстанции, кВА, согласно (1)

S_транз = n_тп S_{нтптран №2}+ n_тп S_{нтпотп №3} = 2(16000 + 2500) = 37 МВА ;

k'_р = 0,8 – коэффициент разновременности максимальных нагрузок данной и соседней подстанций;

U_ном – номинальное напряжение, кВ;

Максимальный рабочий ток сборных шин опорной тяговой подстанции согласно (1)

 (3.6)

где k_рн1 = 0,7 коэффициент распределения нагрузки первичного напряжения;

Максимальный рабочий ток понижающих трансформаторов:

Выбор шин ОРУ 110 кВ.

Ошиновка ОРУ 110 кВ выполнена гибкими шинами изготовленными из сталеалюминевого провода марки АС – 240, сечением 240 мм^2.

I_{дл доп} = 610 А;

По условию (3.4)

I_{дл доп} = 610 А ³ I_рмах = 559 А;

Провод подходит для работы в транзитной перемычке подстанции.

Отпайки на ввода силовых трансформаторов выполнены проводом марки АС – 95, сечением 95 мм^2.

I_{дл доп} = 330 А;

По условию (3.4)

I_{дл доп} = 330 А > I_рмах = 315 А;

Выбор изоляторов ОРУ 110 кВ.

Гибкие шины ОРУ 110 кВ укреплены на подвесных изоляторах ПС 16 Б, разрывная нагрузка – 16 кН. Изоляторы собраны в гирлянды по 9 штук.

Выбор выключателей ОРУ 110 кВ.

В ОРУ 110 кВ, как в транзитной перемычке, так и на отпайках силовых трансформаторов установлены элегазовые выключатели типа ВЭБ -110 - 40/2000, технические характеристики выключателей приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Технические характеристики выключателя ВЭБ -110 - 40/2000