Сооружение и устройства электроснабжения Петербургского Метрополитена

Устройства электроснабжения должны обеспечивать:

• Надёжное электроснабжение электроподвижного состава для движения поездов с установленными скоростями и интервалами между поездами при требуемых размерах движения;
• Надёжное электропитание всех потребителей метрополитена и иметь необходимый резерв.

На городской подземной ж.д. все процессы, связанные с перевозкой пассажиров и их обслуживанием, электрифицированы. Петербургский метрополитен— крупный потребитель электроэнергии, сравнимый с целым регионом, таким как, например, Псковская или Новгородская области.

Основными потребителями электрической энергии на метрополитене являются:

1. тяга поездов—самый ёмкий потребитель, доля расхода электроэнергии для движения поездов составляет около 67% от общего её потребления. Тяговая нагрузка отличается большой неравномерностью, значительными, но кратковременными токами при пуске поезда, изменением нагрузки в течение суток с максимальным значением в «часы пик»;
2. электроприводы эскалаторов, потребляющие около 6% от общего расхода электроэнергии, характер нагрузки достаточно стабилен, кроме момента запуска эскалатора, особенно при пуске эскалатора с пассажирами на подъем, когда пусковая мощность превышает номинальную в два-три раза;
3. устройства автоматики и телемеханики движения поездов, нагрузка и расход энергии которыми сравнительно малы, но значение их для обеспечения графика и безопасности движения велико;
4. освещение станций, вестибюлей, переходов, служебных помещений, на которое расходуется примерно 10% электроэнергии. Освещенность должна соответствовать санитарным нормам и требованиям архитектурного оформления станций. В настоящие время, на станциях основном применяются более экономичные люминесцентные, ртутные и натриевые лампы, для освещения тоннелей—лампы накаливания, а стрелок–люминесцентные лампы;
5. вентиляционные и насосные установки, потребляющие около 10% электроэнергии;
6. предприятия, обеспечивающие содержание и ремонт сооружений и устройств хозяйства метрополитена, они потребляют около 4% электроэнергии;
7. силовые нагрузки на станциях и в тоннелях (уборочные машины, электроинструменты, сварочные аппараты, механизмы для путевых и других работ и т.д.).

Чёткость и бесперебойность перевозки пассажиров зависит от обеспечения метрополитена электроэнергией, поэтому Правила технической эксплуатации предъявляют к электроснабжению требование безусловной надёжности.

Все без исключения потребители получают электроэнергию от подстанций метрополитена, которые подключены к подстанциям или электростанциям городской электросистемы–Ленэнерго.

Тяговые подстанции питают тяговую сеть 825 В, а понизительные подстанции—остальных потребителей. На Петербургском метрополитене тяговые подстанции объединены с понизительными и образуют совмещённые тяговопонизительные подстанции (СТП), имеются отдельно стоящие понизительные подстанции—вестибюльные (ВПП), тоннельные (ТПП), деповские (ДПП). Существует два варианта реализации схемы питания тяговой сети—централизованная децентрализованная (рассредоточенная) система.

При централизованной системе наземные тяговые подстанции размещаются на максимально возможном расчётном расстоянии друг от друга, чем достигается уменьшение их числа и расходов на строительство. Каждая тяговая подстанция питает контактную сеть нескольких перегонов.

На петербургском метрополитене впервые в отечественной практике метростроения была применена децентрализованная система электроснабжения тяги поездов, при которой совмещенные тяговопонизительные подстанции, сооружаются, как правило, непосредственно на каждой станции.

Совмещенные тяговопонизительные подстанции размещаются или на части среднего зала станции (например, «Владимирская»), или, в большинстве случаев, на продолжении среднего зала станции между тоннелями главных путей, возможно, их расположение в специальной выработке рядом со станцией (например, «Кировский завод»).

Надёжность децентрализованной системы питания оценивается выше, чем централизованной за счёт приближения подстанций к потребителю электроэнергии и сокращения протяжённости питающих его к5абельных линий, а значит и снижения потерь электроэнергии.

Контактный рельс каждого главного пути перегона—фидерная зона—получает питание от тяговопонизительных подстанций соседних к ним станций. Для разделения фидерных зон между собой контактный рельс на главном пути перегона перед платформой каждой станцией по ходу движения поезда имеет неперекрываемый воздушный промежуток (токораздел) длинной не менее 14 м между концами металлических частей рельса.

Тяговая сеть включает в себя:

 контактную сеть, состоящую из питающих кабельных линий-фидеров-, соединяющих шину положительной полярности распределительного устройства (РУ) 825 В подстанций с контактным рельсом, контактного рельса, разъединителей, быстродействующих выключателей, кабельных перемычек, линейных разъединителей;

 отсасывающую сеть, включающую в себя ходовые рельсы, дроссель-трансформаторы, подключенные к ходовым рельсам, кабельные линии, соединяющие дроссель-трансформаторы с шинной 825 В отрицательной полярности на подстанции.

На Петербургском метрополитене надёжность тяговой сети возрастает за счёт размещения совмещённых тяговопонизительных подстанций на каждой станции (на пересадочных узлах «Технологический институт 1-2» и «Площадь Восстания—Маяковская» одна подстанция обслуживает обе станции).

Повышение надёжности тяговой сети обеспечивается резервированием не только в построении схем и наличием резервных фидеров, но и установкой на тяговопонизительных подстанций резервного оборудования, а также его модернизацией или применением новых современных устройств.

На всех совмещённых тяговопонизительных подстанциях Петербургского метрополитена установлено современное оборудование—сухие трансформаторы с кремниеорганической изоляцией (ТСЗП) взамен маслонаполненных трансформаторов; мощные полупроводниковые кремниевые выпрямители, способные пропускать ток в несколько тысяч ампер (УВКМ); быстродействующие автоматические выключатели на фидерах 825 В, отключающие участок сети при коротком замыкании за сотые доли секунды (ВАБ); высоковольтные электромагнитные (ВЭМ) и вакуумные (ВТТЭ) выключатели 6, 10кВ; разъединители с моторным приводом и т.д.

Применяется также система телеуправления объектами тяговопонизительных подстанций, выполненная на современной элементной базе.

Надёжность электроснабжения подвижного состава в значительной степени определяется применяемыми системами зашиты тяговой сети от токов короткого замыкания (КЗ) и перегрузок. Токи КЗ, значение которых может колебаться от нескольких тысяч до десятков тысяч ампер, оказывают на аппаратуру, кабельную сеть термическое и динамическое воздействие, зависящие от величины тока и времени его протекания.

Для уменьшения, а порой и предотвращения негативных последствий от протекания токов КЗ применяется зашита, действие которой должно быть надёжным, а аппараты должны обладать необходимой чувствительностью, избирательностью (селективностью), быстродействием, обеспечивая тем самым ограничение токов КЗ и сокращение времени их воздействия.

Непрерывный контроль на всех четырёх линиях Петербургского метрополитена осуществляет электродиспетчерский пункт, состоящий из пяти электродиспетчерских кругов, два из которых обслуживают первую линию.

На метрополитенах России для питания электроподвижного состава применяется тяговая сеть постоянного тока с напряжением на токоприемниках электровагонов подвижного состава 750 В.. Такое напряжение является оптимальным, сравнение с зарубежными метрополитенами, применяющими контактный рельс в качестве токопровода положительной полярности, показывает, что большинство из них также установили напряжение 750 В, а некоторые даже менее— 600-650 В.

Если в качестве токопровода положительной полярности используется контактный провод, напряжение принимают до 1500 В. Однако применение контактного провода вместо контактного рельса связано с увеличением расходов на сооружение тоннелей увеличенного диаметра и усложнением обслуживания контактного провода, поэтому такое решение должно быть обосновано вескими причинами (например, в Париже некоторые линии метро выходят на окраине города на поверхность и продолжаются в пригородные районы).

Тяговые и совмещенные тяговопонизительные подстанции должны иметь защиту от проникновения в контактную сеть токов, нарушающих нормальное действие устройств СЦБ и связи.

Использование ходовых рельсов в качестве обратного, отсасывающего токопровода приводит к наличию разности потенциалов между точками поступления в рельсы тягового тока—колёсные пары подвижного состава—и точками подключения идущих на тяговую подстанцию отсасывающих кабелей—у дроссель-трансформаторов. Часть тягового тока стекает с рельсов и проходит по параллельной цепи: по телу тоннеля, металлоконструкциям, оболочкам кабелей и т.д. и возвращается в ходовые рельсы в районе отсоса тягового тока на подстанцию к заземлённому контуру. Эта часть тягового тока называется блуждающим током, который в местах контактных зон может вызвать электрокоррозию металлических элементов конструкций, сооружений.

Разнообразие используемого электрооборудования и устройств, схем их подключения, противоречивость и жёсткость требований к эксплуатации усложняет защиту подстанции, контактной и кабельной сети от токов КЗ, перенапряжений и перегрузок, превышающих установленные нормы. Действие защиты в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ней, важны для повышения надёжности электроснабжения.

Всё это приводит к необходимости применения различного вида защит. Например, тяговая сеть оснащена:

 для защиты от токов КЗ в цепи тягового агрегата—максимальной токовой защитой без выдержки времени;

 кремниевые выпрямители дополнительно защищаются от перегрузок максимальной токовой защитой с выдержкой времени в несколько секунд;

 специальной токовой защитой шин РУ-825 В от короткого замыкания их на землю;

 на фидере 825 В установлены быстродействующие выключатели (ВАБ), которые реагируют на скорость нарастания тока КЗ и отключает повреждённый участок при токе меньшем, чем ток установки выключателя;

 специальной защитой фидерных кабелей—токовой защитой кабелей—в случае пробоя кабеля на свинцовую оболочку;

 на напряжённых перегонах в связи с появлением зон контактной сети, на которых ток КЗ сопоставим с максимальным током нагрузки (что затрудняет выбор тока установки автоматических выключателей на смежных подстанциях, питающих эту фидерную зону) применяется потенциальная защита, реагирующая на снижение напряжения при котором замыкании ниже уровня 450 В;

Метрополитен, как потребитель электроэнергии, отнесён к первой категории особой группы электроприемников, ибо бесперебойное его энергообеспечение в аварийных ситуациях необходимо для предотвращения угрозы жизни людей. Надёжность доставки такому потребителю электроэнергии обеспечивается питанием от трёх независимых источников энергосистемы.

Прокладка новых кабелей всех типов, в том числе других ведомств в тоннелях и на наземных участках производится с разрешения начальника метрополитена.

Насыщенность метрополитена многообразным оборудованием различного назначения, применение систем автоматического управления устройствами и телемеханики предполагает наличие кабельных линий значительной протяженности. В среднем на один километр линии в двухпутном исчислении приходится почти сто километров кабелей.

В тоннелях и притоннельных сооружениях, в основном, применяются бронированные кабели без защитного покрова или с покровом из поливинилхлорида, а в технологических помещениях—небронированный в металлических оболочках или с оболочкой из поливинилхлорида.

Кабели везде, кроме помещений для пассажиров, прокладываются открыто, без ограждений.

В тоннелях для удобства обслуживания и повышения оперативности устранения возможных неисправностей и безопасности работников порядок размещения кабелей регламентирован по назначению и величине напряжения в них, силовые и контрольные–по левой стороне туннеля по направлению движения, а кабели АТДП (автоматики и телемеханики движения поездов), связи и отсасывающих линий—по правой стороне. Переход кабелей на другую сторону тоннеля осуществляется только по его своду. Кабели с большим напряжением должны укладываться вверху, взаиморезервируеммые кабели прокладывают в разных перегонных туннелях.

На всех без исключения кабелях в определённых проектом местах и через установленное расстояние вывешивается бирки с указанием номера, марки, напряжения и адреса (назначения) кабеля.

Список используемой литературы:

1. А.М. Горбенков, А.Т. Денисов
   Техническая эксплуатация Петербургского метрополитена—СПб.: Издательство «Голанд», 1998год
2. А.М. Колузаев и др.
   Электроснабжение метрополитенов. Москва 1977год