Метрополитен. 
Системы электроснабжения электрического транспорта на постоянном токе

Название «Метрополитен» (метро) принято во многих странах. Происходит это слово от названия компании «Metropolitan Railway» (столичная железная дорога), построившей первую железную дорогу в Лондоне в 1863 г. В самой Великобритании используется термин underground (подземка), а в США — как subway («сабвей», дословно «подпуть»), так и метро. Лондонцы метро называют tube (дословно — «груба»). В немецкоязычных странах наиболее распространенные термины — U-Bahn и S-Bahn. Термин U-Bahn является сокращением Untergrundbahn (подземная железная дорога), что ближе к метро в российском понимании как внутригородского транспорта, расположенного иод землей.

Первая линия метрополитена (3,6 км) была откры та в Лондоне в 1863 г. на паровой тяге, которую в 1890 г. заменили на электрическую. Второй метрополитен был открыт в Ныо-Иорке в 1868 г. как надземный, позже эти участки были заменены на подземные. В 1892 г. была открыта первая подземная линия метрополитена в Чикаго на паровой тяге. В Европе старейшие метрополитеныв Будапеште (1896), Вене (1898), Париже (1900), Берлине (1902), Глазго (1896).

В нашей стране первая линия метрополитена торжественно была открыта в Москве 15 мая 1935 г. После этого были открыты метрополитены в Ленинграде (1955), Киеве (1960), Тбилиси (1966), Баку (1967), Харькове (1975), Ташкенте (1977), Ереване (1981), Минске (1984), Горьком (1985), Новосибирске (1986), Куйбышеве (1987), Свердловске (1991). Затем в период 1990— 2010 гг. был открыт метрополитен в Казани (2005), в Днепропетровске (1995).

К настоящему времени скоростной внутригородской рельсовый электрический транспорт имеется в 160 юродах мира. Этот транспорт имеют различные виды: надземный (монорельсовый, эстакадный), наземный (ЛРТ или скоростной трамвай) и подземный (метрополитен). В России планируют построит ь такие виды транспорта еше в 12 городах.

Строительство метрополитенов стоит дорого. К примеру, по ценам 2006 г. стоимость 1 км тоннеля составляет примерно 1,4 млрд руб. — это для однопутного тоннеля, а для двухпутного эту цифру надо удвоить. Стоимость сооружения метрополитена сильно зависит от условий строительства. Типичная стоимость километра подземной линии мелкого заложения составляет порядка 30 млн долл. США (без учета станций).

В городах со сложившейся застройкой линии метро, как правило, проложены под землей и редко выходят на поверхность или эстакады. Диаметры тоннелей достигают 5…6 м, платформы на станциях имеют ширину от 5 до 20 м и длину — 100…160 м. Поезда обычно состоят из 4−8 вагонов — двух головных с кабинами управления и 1−6 промежуточных вагонов. Длина вагонов метро серий А, Б, В, Г, Д, Е и его модификации 81−717/714 и 81−720/721 «Яуза» составляет 19…20 м.

Метрополитен, как и другие обособленные рельсовые транспортные системы, функционирует на основе сложного электротехнического комплекса. Этот комплекс включает электрические системы вагонов электропоездов и систему электроснабжения. Эта система имеет две подсистемы: тяговую, обеспечивающую электропоезда электроэнергией, и прочих потребителей (эскалаторы, вентиляторы, насосы и др.). Обе части системы замкнуты на одну подстанцию, которую принято называть совмещенной.

1.3. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Системой электроснабжения электрического транспорта (37) называют совокупность устройств, обеспечивающих прием на границе раздела с энергосистемой, преобразование, распределение и подвод электроэнергии к токоприемникам электроподвижного состава. Этому определению соответствует также понятие «Электрика».

«Электрика» — область народного хозяйства и науки, решающая задачи построения, обеспечения функционирования и развития электрической части объектов промышленности, транспорта, организаций и учреждений, сельского хозяйства и населения от границ раздела потребитель — энергосистема до единичного электроприемника или комплекса, поставляемого изготовителем.

«Электрика» как наука характеризуется наличием объекта исследования, разработкой собственных методов расчета электротехнических и энергетических параметров объекта электрохозяйства. Тяговая часть электрическою транспорта представляется электротехническим комплексом, включающим тяговую электрику и электроподвижной состав (электровоз, вагон, троллейбус) как комплектный электроприемник, преобразующий электрическую энергию в механическую движения поезда.

Принципиальная структура комплекса «электрический транспорт» показана на рис. 1.2. Тяговая электрика (система электроснабжения ЭТ) часть электрической цепи, заключенная в границах раздела с энергосистемой (ЭнС) и электроприемником ЭНС (рис. 1.2, а).

Структурными элементами тяговой электрики являются тяговые подстанции и сети. В связи с характеристиками и системами ЭПС выполняют электрификацию транспорта на постоянном и переменном токе с различными уровнями напряжения.

Рис. 1.2. Структурные схемы комплекса «Электрический транспорт»:

(7) -(c) — границы тяговой электрики (ТЭ); Tl, Т2 — ступени трансформации напряжения;

ТС — тяговая сеть; 11р — преобразователь рола тока; (м) — электродвигатель (мотор) На рис. 1.2, 6 покачана структура тяговой электрики на постоянном токе, содержащая в общем случае силовой трансформатор Т1, преобразовательный агрегат Т2-Г1р, преобразующий переменный ток в постоянный. Тяговая сеть включает контактные и рельсовые сети, а также токоподводящие ЛЭП. Система постоянного тока применяется для всех видов электрической тяги. На рис. 1.2, в показана структура системы переменного тока, которая содержит тяговый трансформатор Т1 на подстанции и преобразовательный агрегат Т2-Пр на ЭПС. Тяговые сети (ТС) имеют ту же структуру, что и постоянный ток, могут включать и дополнительные элементы. Комплекс тяговой электрики показан на рис. 1.3.

Рассмотрим в историческом аспекте развитие элементов и систем тяговой электрики (СЭС ЭТ). Развитие тяговых сетей связано с совершенствованием систем токосъема, которые изменялись по мере применения различных уровней напряжения, скоростей движения и мощности ЭПС, появления новых материалов и технологий монтажа сетей. Ранее уже было сказано, что первая тяговая сеть для вагона Ф. А. Нироцкого представляла собой два изолированных ходовых рельса при напряжении между ними 130 В. В 1879 г. на промышленной выставке в Берлине В. Сименс демонстрировал вагон с электродвигателем мощностью 3 л.с., получающий питание от шины, уложенной между рельсами на изоляторах при напряжении 130 В по отношению к ходовым рельсам, используемым в качестве обратного токопровода. Токосъем осуществлялся щеткой, закрепленной к вагону, применялась ременная передача от двигателя к колесной паре. Подобную систему испытал Т. А. Эдисон в Тепло-парке, а в 1881 г. она была выполнена на участке железной дороги Берлин — Ликгерфельде длиной 2,45 км при напряжении 160 В. Так утвердилась система токосъема с жестким контактным токопроводом, применяемым на всех метрополитенах.

Рис. 1.3. Электротехнический комплекс тяг овой электрики для трамвая и троллейбуса.

В 1882 г. фирмой Сименс-Гальске был построен опытный участок дороги под Берлином с первыми гибкими контактными проводами, выполненными в виде трубки с прорезями в нижней части. В трубке помещались челнокискользуны, от которых напряжение подавалось по двум гибким проводам к подвижной единице, это была первая троллейбусная линия. В 1884 г. по этой же системе была выполнена линия Франкфурт-на-Майне — Оффенбах напряжением 300 В. Система не прижилась, так как была сложна на пересечениях и ответвлениях.

В 1885 г. на трамвайной линии Канзас-Сити (США) на воздушной контактной подвеске был применен круг лый медный провод, к которому прижимался ролик — «троллей», затем был использован валик, а позднее скользящий контакт. Первая трамвайная линия инженера А. Н. Струве в Киеве в 1892 г. работала с простой контактной подвеской. Пригородный участок первой электрифицированной железной дороги Баку — Сабунчи — Сураханы на напряжение 1200 В был оборудован цепной некомпенсированной контактной подвеской. Участок железной дороги Москва — Мытищи в 1929 г. электрифицирован на напряжение 1650 В. Первый в нашей стране участок магистральной железной дороги Хашури — Зестафони (Сурамский перевал) был электрифицирован в 1932 г. на напряжение 3000 В, оборудован некомпенсированной и полукомпенсированной контактной подвеской.

Пусковая линия метрополитена г. Москвы, начавшая свою работу в 1935 г., имела напряжение 800 В, токосъем осуществлялся с нижней поверхности третьего жесткого контактного рельса. В тяговых сетях трамвая и троллейбуса к этому времени использовали напряжение 600 Вив основном некомпенсированные простые контактные подвески.

Для последующего периода развития электрического транспорта характерно повсеместное применение иолукомпенсированных цепных контактных подвесок. В 60-е годы прошлого века на этот тип подвесок были переведены трамвайные и троллейбусные линии с использованием скользящего токосъема. Совершенствовались токоприемники, специальные части, схемы питания и секционирования.

Появилось много новых решений по контактным подвескам: ромбовидные, пространственно-ромбовидные, рычажные равноэластичные, вантовые, на наклонных струнах (для троллейбуса). С началом скоростного движения поездов применение получают цепные компенсированные контактные подвески равной эластичности. Совершенствуются узлы и оборудование контактной сети: полимерные изоляторы, биметаллические тросы, бронзовые контактные провода, оцинкованные металлические конструкции и др. Создается технологический ряд конструкций заводской сборки и ряд машин и механизмов для индустриальных методов сооружения контакт ной сети.

Преобразование и коммутация электрической энергии выполняется на тяговых подстанциях. Для систем электроснабжения постоянного тока основным элементом является преобразователь трехфазного переменного тока в постоянный: преобразователи прошли несколько стадий развития. Основным видом преобразователя на начальном этапе становления электрического транспорта были двигатель-генераторные и одноякорные преобразователи. Двигательгенераторный преобразователь на 2000 кВт Харьковского электромеханического завода, применяемый на электрифицированных железных дорогах со сложным профилем, по описанию [15] включал пять машин: асинхронный электродвигатель 2450 кВА, его возбудитель 24,8 кВт, два генератора постоянного тока по 1000 кВт, напряжение каждого составляло 1650 В, возбудитель генераторов 11 кВт. Вес такого агрегата с фундаментной плитой составлял 65 т, требовался фундамент объемом 60 м³, площадь машинного зала 100- 120 м с подъемными кранами на 15−20 г. Потери холостого хода этого агрегата составляли 120 кВт, КПД при 50%-й загрузке — 0,875.

Менее громоздкими, но менее надежными были одиоякорные преобразователи (умформеры). Это машины постоянного тока, на якоре которых помимо коллектора установлены дополнительные контактные кольца. Преобразователь получал питание через контактные кольца от трехфазной сети переменного тока, а отдавал постоянный ток через шетки коллектора.

Следующим этапом развития преобразовательной техники для целей тяги было создание статических преобразователей на основе ртутных вентилей. Первые ртутные вентили были разработаны в США Купером-Хьюнтом со стеклянными корпусами, затем Белла Шефером были разработаны корпуса из стали, первые металлические ртутные вентили появились в США в 1908 г., а в Европе в 1910 г.

Преобразователи на ртутных вентилях составили конкуренцию машинным вращающимся преобразователям. Отечественные ртутные выпрямители, разработанные и построенные В. К. Крапивиным в 1924 г., выпускались заводом «Электросила» в г. Ленинграде с 1924 по 1941 гг. На первом этапе — это были многоанодные ртутные выпрямители с постоянно горящей дугой. В многоанодных ртутных вентилях имели место частые «обратные зажиг ания», падение напряжения в дуге составляло 30 В.

Одноанодные выпрямители были разработаны на заводе «Электросила» и во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ). В последующем их серийный выпуск осуществлял завод «Уралэлектроаппарат». Выпрямительный.

aiperar серийный типа РМНВ-500×6, выполненный на вентилях ЭВН-500.

с номинальным током 1000 А, требовал площади машинного зала 15−20 м", падение напряжения в дуге составляло 15…22 В. Ртутные вентили имели сеточное управление от пик-генераторов, позволяли работать в режимах регулирования напряжения и в инверторном. Для поддержания вакуума и температурною режима вентильные группы (6, 12 одноанодных вентилей) оборудовались форвакуумным и ртутным насосами, создающими разрежение до 0,01 мм рт. ст., теплообменниками для поддержания температуры корпуса 45…50°С. Для регулирования угла коммутации эти агрегаты имели фазорегуляторы. До 1964 г. электрификация транспорта выполнялась на основе этих преобразовательных агрегатов. В системах электрификации на переменном токе электровозы также имели выпрямители на запаянных ртутных вентилях (экситронах).

Переход от машинных к статическим ртутным преобразователям несомненно был прогрессивным шагом, существенно повлиявшим на затраты при электрификации транспорта. Но ртутные выпрямители (РВ) помимо громоздких систем поддержания вакуума и температуры имели главный недостаток — обратные пробои вентилей, так называемые «обратные зажигания», что соответствует режиму междуфазных коротких замыканий.

Для снижения «обратных зажиганий» принимались различные меры: усиление охлаждения путем применения на теплообменниках «брызгальных» устройств; отказ от регулирования напряжения и подключение сеток вентиля через резисторы (40 кОм) к аноду. Это на порядок снизило число «обратных зажиганий». Однако самой «революционной мерой», практически ликвидировавшей обратные пробои вентилей, было последовательное соединение двух вентилей в вентильном плече выпрямителя. Это снижало КПД выпрямителей, но для возникновения обратного пробоя необходимо было появление катодного пятна на анодах одновременно двух вентилей. Вероятность такого явления очень мала, и поэтому случаи «обратных зажиганий» практически отсутствовали на всем полигоне электрифицированных железных дорог. Одновременно эта мера позволила увеличить на одну треть мощность агрегата, включавшего в себя два трансформатора, соединенных параллельно по вентильным обмоткам, и двух шестианодных выпрямителей с последовательным соединением вентилей. Таким образом, был осуществлен переход к двухагрегатным подстанциям с номинальным током агрегата 3000 А вместо 2000 А при прежней схеме. Одновременно испытывались и схемы выпрямления, в которых, в отличие от схемы «две обратных звезды с уравнительным реактором», вентили имели в два раза меньшие обратные напряжения и меньшее обратно зажигающее воздействие. В качестве таких агрегатов были испытаны шестипульсные схемы выпрямления: трехфазная мостовая проф. Ларионова и каскадная ироф. В. П. Володина [67]. Последняя была впервые выполнена для питания электрической тяги В. И. Соповым на подстанции Чебула Западно-Сибирской железной дороги [103]. Испытания проводились совместно с кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмИИТа. Агрегат эксплуатировался с 1961 по 1968 гг. вплоть до замены их полупроводниковыми выпрямителями, при этом «обратных зажиганий» не наблюдалось.

Период широкого применения для электрифицированного транспорта ртутных вентилей сменился переходом на полупроводниковые вентили. Начало этому было положено в 1960 г. созданием первого выпрямителя на 1000 А 600 В в Московском энергетическом институте. Процесс замены ртутных выпрямителей полупроводниковыми прошел в период с 1964 по 1972 гг. Выпрямители выполнялись на основе лавинного вентиля типа BJ1−200 10−16 класса. Для электрических железных дорог выполнялись в основном выпрямители типа ПВЭ-5 (ТПЕД) на токи 2000. .3150 А. На метрополитене применялись выпрямители типа УВКМ на 1600 А с трехфазными мостовыми схемами выпрямления. На подстанциях трамвая и троллейбуса использовались выпрямители ВАКЛЕ на токи 1000 и 2000 А. Эти выпрямители выпускались заводами «Электровыпрямитель» в Саранске и Запорожье. Современные выпрямительные агрегаты типа В-ГИДЕ выполняются на вентилях ДЛ153, Д453 на токи 2000 А 18−24 классов с усовершенствованными блоками охлаждения типа ВСЕ. Их выпускают фирмы ОАО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» и ОАО «Плутон» г. Запорожье (Украина). Качество новых В, А будет рассмотрено подробно далее.

В развитии СЭС ЭТ следует отметить важные моменты, связанные с совершенствованием электрооборудования, автоматизацией и телемеханизацией устройств. Наибольший прогресс был достигнут в создании новых конструкций высоковольтных выключателей. Можно назвать три вида выключателей переменного тока: масляные, элегазовые и вакуумные. Новые типы вакуумных выключателей имеют отключающую способность до 100 кА, безремонтный цикл до 50 000 отключений. Среди быстродействующих выключателей постоянного тока можно выделить поколения типов: ВАБ-2 завода «Уралэлектроаппарат», АБ-2/4, ВАБ-28; следующее поколение — ВАБ-43, ВАБ-49, ВАБ-70 и последние разработки «НИИЭФА» — ВАБ-206. Каждое новое поколение отличалось возрастанием отключающей способности, добавлением новых защитных функций.

В совершенствовании систем автоматизации также можно выделить три поколения: релейно-контакторные (первый участок оборудован телемеханикой Москва — Раменское в 1952 г.), следующее поколение — это резисторно-транзисторные системы «Лисна-4» и «Лисна-В» (выпускались Московским энергомеханическим заводом — МЭЗ ЦЭ МГ1С) нашли массовое применение. С 2000 г. началось внедрение микропроцессорных и компьютерных систем автоматизации и телемеханики. На эти системы заменяют морально и физически устаревшие «Лисна-Ч».

В целом современные тяговые подстанции — это автоматизированные электротехнические комплексы с полупроводниковыми преобразователями, сухими трансформаторами, высокоэффективными вакуумными выключателями и быстродействующими выключателями постоянного тока, с микропроцессорными и компьютерными системами автоматизации. Сооружение подстанций ведется на основе модулей заводской готовности со значительным уменьшением строительных и монтажных работ.