Infrastruktura metra > Zasilanie

1) Zasilanie elektroenergetyczne sieci metra
Zasilanie sieci metra realizowane jest z miejskiej sieci energetycznej. Energia elektryczna jest dostarczana z Rejonowych Punktów Zasilania (RPZ) energetyki miejskiej do podstacji trakcyjno - energetycznych znajdujących się wzdłuż linii metra.
Podstacje te składają się z części trakcyjnej, która odpowiada za za zasilanie sieci trakcyjnej metra (potrzeby trakcyjne) oraz z części energetycznej, która odpowiada za zasilanie energią elektryczną stacji i przyległych do nich odcinków (potrzeby nietrakcyjne). Podstacje te zlokalizowane są przy stacjach nieparzystych (A1, A3, A5 itd. oraz przy STP "Kabaty" - A0).
Stacje parzyste (A2, A4, A6 itd.) wyposażone są w podstacje energetyczne, które odpowiadają tylko za zasilanie potrzeb nietrakcyjnych (potrzeby stacji i przyległych odcinków) i zasilane są z rozdzieli 15kV podstacji trakcyjno - energetycznych.


Ogólny schemat zasilania linii metra 
a - podstacja trakcyjno - energetyczna
b - podstacja energetyczna


Każda podstacja trakcyjno - energetyczna połączona jest dwoma niezależnymi liniami zasilającymi z pobliskimi RPZ. Linie te są wpięte do różnych sekcji szyn 15 kV danego PRZ. Przy awarii zasilania jednej z linii, druga automatycznie przejmuje całe obciążenie podstacji. W przypadku awarii obydwu linii zasilających istnieje możliwość załączenia rezerwowego zasilania poprzez użycie rezerwowych linii zasilających 15kV, dzięki którym jest możliwe zasilanie danej podstacji z sąsiednich podstacji, które zasilane są przez różne RPZ.


Schemat zasilania podstacji


Podstacje trakcyjno - energetyczne składają się z:

a) rozdzielni 15kV, która składa się z dwóch sekcji do których przyłączone są główne linie zasilania 15kV. Sekcje te połączone są łącznikiem z automatyką Samoczynnego Zasilania Rezerwowego (SZR). Łącznik ten na skutek zadziałania SZR odpowiada za automatyczne połączenie sekcji w momencie, gdy nastąpi awaria zasilania na jednej z linii zasilających. Z omawianej rozdzielnicy zasilane są zespoły prostownikowe, transformatory 15/0,4kV oraz transformatory (15/0,4kV) podstacji energetycznej sąsiedniej stacji (parzystej).

b) zespołów prostownikowych, czyli zespołu transformatorów i prostowników diodowych, służących do przetwarzania napięcia 15kV na prąd stały o napięciu 750V, którym zasilana jest sieć trakcyjna metra. W podstacjach znajdują się dwa lub trzy zespoły prostownikowe o mocy 3200kVA każdy i 12-fazowej pulsacji. Jeden z zespołów pełni zawsze rolę rezerwową. Napięcie "wyprostowane" na zespołach prostownikowych jest przekazywane do rozdzielni prądu stałego.
Na zespołach prostownikowych otrzymane napięcie ma wartość 825 V prądu stałego, a znamionowy prąd wynosi 3200 A (przeciążenie: 4800A przez 2 minuty, 6400 A przez 10 sekund).

c) rozdzielni prądu stałego, czyli kolejnej trakcyjnej części podstacji. Rozdzielnia ta połączona jest z biegunami dodatnimi zespołów prostownikowych. Od niej odchodzą kable zasilające połączone poprzez wyłączniki szybkie z kolejnymi odcinkami trzeciej szyny w tunelach.

d) wyłączniki szybkie to urządzenia odłączające zasilanie trakcyjne odcinka linii metra w przypadku wystąpienia przeciążenia lub zwarcia. Wyłączniki te włączone są w obwód zasilania trakcyjnego pomiędzy szyną rozdzielni prądu stałego, a kablami zasilającymi (zasilaczami) doprowadzonymi do danych odcinków trzeciej szyny w tunelu.

e) szafy kabli powrotnych, w której znajduje się szyna zbiorcza wszystkich kabli prądów powrotnych (połączone z szynami toru) z odcinków, które zasila dana podstacja. Szyna zbiorcza połączona jest natomiast z biegunami minusowymi zespołów prostownikowych.

f) transformatorów 15/0,4kV o mocy 630 kVA, służących do przetwarzania napięcia 15kV (z rozdzielnicy 15kV) na napięcie 3x400V i 230V do zasilania potrzeb nietrakcyjnych stacji i przyległych odcinków. Transformatory te należą do części energetycznej (nietrakcyjnej) podstacji. Przetworzona energia na tych transformatorach jest przekazywana do rozdzielni głównej 3x400V/230V.
Analogiczne transformatory znajdują się w podstacjach energetycznych.

g) rozdzielni głównej 3x400V/230V, czyli kolejnego elementu części energetycznej podstacji. Z omawianej rozdzielni energia elektryczna 3x400V i 230V jest rozprowadzana na obszar stacji i przyległych odcinków do odbiorników siłowych (np. wentylatorów stacyjnych i szlakowych), oświetleniowych i sterowniczych. Rozdzielnie główne składają się z dwóch niezależnych sekcji ze sprzęgłem sekcyjnym i automatyką Samoczynnego Załączania Rezerwowego (SZR). Na wypadek braku zasilania jednej sekcji, druga przejmuje automatycznie pełne obciążenie obu sekcji.

h) rozdzielni głównej oświetlenia awaryjnego 3x400V/230V, czyli rozdzielni z której zasilane są obwody oświetlenia awaryjnego w sytuacji gdy nastąpi zanik zasilania z rozdzielni głównej 3x400/230V. Na stacjach metra ze względów bezpieczeństwa (brak okien - ciemność) zastosowane musi być oświetlenie rezerwowe, by umożliwić sprawną ewakuację pasażerów i obsługi w przypadku awarii zasilania głównego. Obwody oświetlenia awaryjnego zasilane są z przetwornic tyrystorowych.

i) przetwornic tyrystorowych, czyli tzw "UPS"ów odpowiedzialnych za zasilanie obwodów oświetlenia rezerwowego w sytuacji awarii głównego zasilania. Przetwornice te o mocy 30kVA składają się z prostowników i falowników oraz ukł. sterowania. Są w stanie podtrzymać zasilanie przez około 2 godziny. W przypadku zaniku napięcia zasilania głównego, falownik bez żadnej przerwy czasowej pracuje dalej, pobierając energię z zewnętrznej baterii akumulatorów.


Ogólny schemat zasilania oświetlenia rezerwowego

Energia z przetwornic tyrystorowych jest przekazywana na rozdzielnię główną oświetlenia awaryjnego, skąd jest rozprowadzona do opraw oświetlenia rezerwowego na terenie stacji.

j) rozdzielni potrzeb własnych podstacji, czyli rozdzielni z której zasilane jest wyposażenie podstacji - jej oświetlenie, aparatura kontrolno-sterująca itp. Energia elektryczna do tej rozdzielni dostarczana jest z transformatorów 15/0,4kV.


Nadrugiej linii warszawskiego metra (odcinek centralny) zbudowane zostały cztery podstacje energetyczno-trakcyjne oraz trzy podstacje energetyczne. Każda z podstacji trakcyjno - energetycznych wyposażona zostanie w cztery zespoły prostownikowe o mocy 2000kVA każdy.
Na jednej z podstacji trakcyjno-energetycznych został zabudowany 40MJ (megadżulowy) system magazynowania energii. W jego skład weszły dwuwarstwowe superkondensatory, które magazynują energię elektryczną odzyskiwaną przy hamowaniu rekuperacyjnym pociągów metra.





2) Sieć trakcyjna - zasilanie pociągów metra
Siec trakcyjna metra składa się z sieci jezdnej i sieci powrotnej.
Sieć jezdną stanowi tzw. trzecia szyna, czyli sztywna szyna prądowa (biegun "+" obwodu zasilania), będąca odpowiednikiem przewodu jezdnego napowietrznej sieci trakcyjnej stosowanej powszechnie w komunikacji tramwajowej i na zelektryfikowanych liniach kolejowych.
Sieć powrotną stanowią szyny jezdne toru (biegun "-" obwodu zasilania), które połączone są kablami powrotnymi z szyną zbiorczą w szafie kabli powrotnych podstacji trakcyjno - energetycznej.


Schemat klasycznego obwodu zasilania trakcyjnego pociągów metra


Szyna prądowa w większości rozwiązań sieci metra w Europie mocowana jest do podbudowy betonowej toru lub podkładu toru na specjalnych stalowych wspornikach, w odległości 140 cm osi toru i na wysokości 20 cm nad główką szyny jezdnej (wymiary wg rozwiązania zastosowanego w Metrze Warszawskim - wysokość liczona do powierzchni ślizgowej trzeciej szyny).
W związku z konieczną izolacją elektryczną szyny prądowe zamocowane są na wspornikach poprzez izolatory.

 
Szyna prądowa wzdłuż toru

 
Szyny prądowe wzdłuż torów - STP "Kabaty"

 
Przykładowe szyny prądowe


W europejskich kolejach metra można spotkać trzy typowe rodzaje szyn prądowych. Są to szyny ze stroną ślizgową po stronie dolnej, górnej lub bocznej.


Porównanie trzeciej szyny z odbiore dolnym (A) i górnym (B)
strzałki - kierunek docisku ślizgu odbieraka prądu



Trzecia szyna ze ślizgiem od dołu 

 
Trzecia szyna ze ślizgiem od góry (opis na 1 powiększeniu)

Szyny z częścią ślizgową po stronie bocznej stosowane są głównie w kolejach metra, które poruszają się na kołach ogumionych np. w Paryżu, Lyon, Montrealu itp. Szyny takie, stanowią również bieżnie prowadzące boczne.

 
Podwozie pojazdu z kołami ogumionymi i odbierakami bocznymi (opis na powiększeniu)


W klasycznym rozwiązaniu szyny prądowe pod względem zasilania podzielone są na odcinki sekcyjne. Długość przerwy między sekcjami wynosi około 15 metrów. Taka odległość jest konieczna, aby uniemożliwić zwarcie dwóch sąsiednich sekcji odbierakami prądowymi jednego wagonu (każdy wagon posiada cztery, równoległe połączone, odbieraki prądu - po 2 na stronę).
Każdy z odcinków sekcyjnych trzeciej szyny jest zasilany jest dwustronnie. Zasilanie to realizują dwa zasilacze, czyli kable zasilające połączone z szynami rozdzielni prądu stałego sąsiednich podstacji trakcyjno - energetycznych. W miejscu gdzie kable zasilające przyłączone są do szyny prądowej znajdują się odłączniki sieciowe z napędem elektrycznym, które umożliwiają odłączenie zasilania danej sekcji.


Schemat sekcjonowania trzeciej szyny
a - szyny prądowe
b - odłączniki sieciowe

 
Przyłącza zasilaczy do trzeciej szyny 


Do odbioru energii elektrycznej z trzeciej szyny służą odbieraki prądu dolne. Są to aparaty elektryczne przymocowane do wózków jezdnych wagonów metra. Każdy z odbieraków wyposażony jest w w specjalną łapę ze ślizgaczem, zamocowaną ruchomo i dociskaną poprzez zespół sprężyn do powierzchni ślizgowej szyny prądowej.
W związku z opisanymi wcześniej rodzajami szyn prądowych, odpowiednie są też rozwiązania techniczne obierków prądu - przystosowane do odbioru dolnego, górnego i bocznego.

 
Odbierak prądu do odbioru od dołu 

 
Odbierak prądu do odbioru od dołu 

 
Odbierak prądu do odbioru od góry 

 
Odbierak prądu do odbioru od góry (Londyn)


 
Trzeci szyna i odbiór od góry (Berlin)


W związku z sekcjonowaniem szyn prądowych, czyli zastosowaniem przerw między szynami o osobnym zasilaniu podczas przejazdu pociągów metra wzdłuż odcinka sekcjonowania może być zauważalne powstawanie łuków elektrycznych. Łuki te powstają pomiędzy ślizgaczem odbieraka prądu, a szyną prądowa w momencie gdy odbierak zjeżdża z części ślizgowej szyny prądowej pociągając za sobą łuk elektryczny.
Z tego też powodu na tych odcinkach obowiązuje nakaz jazdy bez poboru prądu - tzn. z wyłączonymi silnikami trakcyjnymi. Dzięki temu zmniejsza się pobór prądu do pociągu co powoduje zmniejszenie powstających łuków elektrycznych oraz zabezpiecza obwody elektryczne wagonów przed nagłymi skokami napięcia, które mogą występować w sąsiednich szynach prądowych w związku z zasilaniem ich przez osobne zasilacze trakcyjne.
Maszynista jest informowany poprzez wskaźniki We8 i We9 o odcinkach, które powinien przejechać z wybiegu.


  Wskaźnik We8
Oznacza miejsce, od którego przejazd taboru powinien odbywać się z wybiegu.


  Wskaźnik We9
Oznacza miejsce, od którego przejazd taboru może odbywać się ponownie z napędem.

   
Wskaźniki We9 na stacji "Ratusz Arsenał"


Ponieważ, każdy z wagonów jest zasilany niezależnie z trzeciej szyny, błyski występują przy zetknięciu się z szyną prądową pierwszego odbieraka każdego wagonu patrząc w kierunku jazdy.
W poniżej przedstawionym przypadku należy zauważyć, że źródłem łuków była energia rekuperowana podczas hamowania (oddawana do sieci trakcyjnej).

   
Łuk elektryczny - na odcinku sekcjonowania


Na pierwszej linii metra budapesztańskiego (najstarszej na kontynencie europejskim) zastosowane jest zasilanie pociągów metra również z trzeciej szyny tylko znajdującej się nad dachem pojazdów - podobnie jak przewód jezdny sieci trakcyjnej w tramwajach - tylko znacznie niżej.
Tabor linii M1 zasilany jest napięciem znamionowym 600 V prądu stałego. Pojazdy odbierają energię z szyny zasilającej za pośrednictwem dachowych odbieraków prądu specjalnej, niskiej konstrukcji.

 
Stropowa szyna zasilająca (Budapeszt)

 
Skład GANZ-MAVAG na linii M1 (Budapeszt)

 
Dachowy odbierak na wagonie GANZ-MAVAG

Zasilanie z napowietrznej sieci jeznej zastosowano również na liniach metra w Sofii (Bułgaria).


Dachowy odbierak prądu na składzie metra SIEMENS INSPIRO (Sofia)