Zasilanie obiektu z sieci WN na przykładzie podstacji trakcyjnej

Za gładką pracą naszych systemów kolejowych leży solidna infrastruktura podstacji trakcyjnych. Obiekty te są zaprojektowane do zapewnienia niezawodnego zasilania trakcji kolejowej, czasami nawet w niezwykle wymagających warunkach. Podstacje trakcyjne to specjalne obiekty inżynierii elektrycznej, które przekształcają prąd przemienny z sieci w prąd stały (3 kV V DC) wymagany do elektryfikacji kolei. Wraz z rozwojem systemów kolejowych również podstacje trakcyjne stały się bardziej zaawansowane. W tym artykule przyjrzymy się pracy poszczególnych urządzeń rozdzielczych, zapewniających bezproblemowe działanie tych jakże istotnych dla transportu obiektów. Dodatkowo poruszona zostanie kwestia możliwości współpracy obiektu z systemem CMMS QRmaint , mogącego wesprzeć służby eksploatacyjne w codziennej pracy.

Przedstawienie obiektu

W niniejszym artykule omówiony zostanie układ zasilania podstacji trakcyjnej (PT) zasilanej z sieci 110 kV. Tego typu obiekty są rozmieszczone wzdłuż zelektryfikowanych linii kolejowych. Ich zadaniem jest zasilanie sieci trakcyjnej napięciem 3 kV DC oraz linii potrzeb nietrakcyjnych LPN (zasilanie peronów, przejazdów kolejowych, rozjazdów itp.) napięciem 15 kV AC. Uproszczony schemat elektryczny prezentowanej podstacji trakcyjnej przedstawiony został na rys. 1. 

Rozdzielnica 110 kV AC

Rozdzielnica 110 kV składa się z ośmiu pól. W jej skład wchodzą:

• dwa pola liniowe (pola 1 i 7) do zasilania z GPZ (Główny Punkt Zasilający),
• pole dwuuzwojeniowego transformatora mocy 110/15 kV (pole 2)
• do podstawowego zasilania rozdzielnicy 15 kV,
• dwa pola czterouzwojeniowego transformatora prostownikowego 110/15/1,3/1,3 kV (pola 4 i 6) do zasilania prostowników i rozdzielnicy 3 kV oraz rezerwowego zasilania danej sekcji rozdzielnicy 15 kV,
• pole sekcyjnego łącznika szyn w podziałce dwupolowej (pola 3 i 5),
• szyna obejściowa (pole 8).

Normalny układ pracy rozdzielnicy 110 kV przedstawiono na rys. 2.

Dwusekcyjna rozdzielnica 110 kV zasilana jest poprzez dwa pola liniowe połączone z pobliskimi GPZ. Należy przy tym zwrócić uwagę, że obiekt nie jest wpięty do pól odpływowych w GPZ, a pracuje w tzw. sieci zamkniętej (pierścieniowej). Oznacza to, że stacja jest dwustronnie zasilana. W tym układzie na poziomie 110 kV nie mamy do czynienia z układem SZR (jak miało to miejsce we wcześniej omawianych obiektach zasilanych z sieci nn i SN). Tutaj pole łącznika szyn musi być zamknięte. Taki układ pracy zapewnia bardzo dużą niezawodność zasilania obiektu. Dodatkowo w prezentowanym układzie występuje szyna obejściowa. Zastosowanie jej umożliwia zamknięcie pierścienia w przypadku gdy nie może zostać to zrealizowane na drodze linia–sprzęgło–linia.

Rozdzielnica 15 kV AC

Rozdzielnica 15 kV składa się z dziesięciu pól. W jej skład wchodzą:

• trzy pola zasilające (WL1, WL2 i WL3),
• dwa pola LPN (WN1 i WN2),
• łącznik szyn w podziałce dwupolowej (WS1.1 i WS1.2),
• dwa pola potrzeb własnych (WW1 i WW2),
• pole kompensacji mocy biernej (WK1).
   

Normalny układ pracy rozdzielnicy 15 kV przedstawiono na rys. 3.

Rozdzielnica 15 kV zainstalowana w omawianym obiekcie ma duże możliwości wykonania przełączeń dla zapewnienia niezawodności zasilania. W podstawowym układzie pracy rozdzielnica 15 kV zasilana jest wyłącznie poprzez pole WL3 i zamknięty łącznik szyn. Pola WL1 i WL2 mają otwarte wyłączniki. Taki układ pracy wynika z dużej mocy dławika do kompensacji mocy biernej (tylko transformator TM3 jest w stanie zapewnić zasilanie całej rozdzielnicy 15 kV). W przypadku gdy transformator TM3 nie mógłby pracować, istnieje możliwość zasilania rozdzielnicy 15 kV w układzie przedstawionym na rys. 4.

W układzie z rys. 4 rozdzielnica zasilana jest poprzez pola WL1 i WL2. Każde z nich zasila linię LPN i potrzeby własne w swojej sekcji. Taki sposób pracy rozdzielnicy uniemożliwia kompensację mocy biernej i może być stosowany tylko w wyjątkowych sytuacjach. 
Ponadto istnieje możliwość zasilenia rozdzielnicy poprzez linie LPN w przypadku braku napięcia po stronie 110 kV. Zasilane wtedy są wyłącznie pola potrzeb własnych. Rozwiązanie jest stosowane wyłącznie w sytuacjach awaryjnych. Ma na celu utrzymanie zasilania na obiekcie. Dzięki takiemu rozwiązaniu PT nie zasila wprawdzie sieci trakcyjnej, natomiast może z powodzeniem pełnić funkcję kabiny sekcyjnej.

Rozdzielnica 3 kV DC

Kolejnym urządzeniem rozdzielczym wchodzącym w skład podstacji trakcyjnej jest rozdzielnica 3 kV DC. Nie odpowiada ona za zasilanie PT, jednak wraz z prostownikami i celką minusową zasila sieć trakcyjną. W omawianej PT rozdzielnica 3 kV DC składa się z sześciu pól:

• dwa pola sekcyjno-zasilające,
• dwa pola zasilacza trakcyjnego,
• pole filtru gamma,
• pole wyłącznika zapasowego.
   

Normalny układ pracy rozdzielnicy 3 kV DC przedstawiono na rys. 5.

Dla zapewnienia większej niezawodności zasilania trakcji rozdzielnica ma pole wyłącznika zapasowego pozwalające zastąpić wyłącznik w przypadku jego awarii  w którymkolwiek z pól zasilacza trakcyjnego. Na rys. 6 przedstawiony został przykładowy układ pracy rozdzielnicy w takiej sytuacji. 

Rozdzielnice potrzeb własnych

W podstacji trakcyjnej stosowane są rozdzielnice potrzeb własnych (do zasilania obiektu PT) bardzo przypominające rozwiązania spotykane w GPZ:

• dwusekcyjna rozdzielnica 230/400 VAC wyposażona w sterownik SZR oraz dodatkowo sterownik sygnalizacji obiektowej dla potrzeb właściciela obiektu,
• jednosekcyjna rozdzielnica 220 V DC współpracująca z zasilaczem buforowym i baterią akumulatorów zapewniającą ośmiogodzinne podtrzymanie zasilania. Wyposażona w układ kontroli doziemień,
• jednosekcyjna rozdzielnica 230 V AC gwarantowanego wyposażona w falownik i static switch.
   

Układ pracy rozdzielnic potrzeb własnych przedstawiono na rys. 7.

Zastosowanie systemu CMMS QRmaint 

Nowoczesne obiekty PT wyposażone są w sterowniki obiektowe komunikujące się poprzez podwójną magistralę CAN-BUS ze wszystkimi sterownikami zabezpieczeniowymi i sterownikami polowymi, co stanowi tzw. telemechanikę dla potrzeb PKP. Dodatkowo poprzez sieć Ethernet stworzone jest łącze inżynierskie dla potrzeb zdalnej konfiguracji urządzeń zainstalowanych w PT. Wszystkie najważniejsze sygnały z tego typu obiektów przesyłane są do NC (Nastawnia Centralna) bądź LCS (Lokalne Centrum Sterowania) zależnie od właściciela danej podstacji. W związku z tak rozbudowanym systemem zdalnego sterowania i nadzoru zrezygnowano ze stałej obsługi na tego typu obiektach. Służby eksploatacyjne są nieliczne, a stacji PT jest wiele, dlatego bardzo ważna jest dobra organizacja pracy. 
Pomóc w tym mogą nowoczesne rozwiązania systemowe, takie jak np. CMMS QRmaint  (Computerised Maintenance Management System).
Zastosowanie CMMS może wesprzeć pracę służb eksploatacyjnych w takich obszarach, jak:

• przydzielanie zadań poszczególnym zespołom pracowników i koordynowanie ich pracy,
• prowadzenie samoczynnej kontroli stanu wymaganych części zapasowych,
• tworzenie serwera, na którym przechowywane są wszelkie instrukcje obsługi lub DTR (Dokumentacja Techniczno-Ruchowa) oraz komplet schematów dotyczących danej stacji PT. W ten sposób możliwe staje się prowadzenie jednej, aktualnej, dostępnej dla wszystkich zainteresowanych wersji dokumentacji,
• prowadzenie statystyk dotyczących awaryjności i kosztów usuwania usterek dla poszczególnych podstacji trakcyjnych. Może być to przydatne podczas podejmowania decyzji co do kolejności modernizacji poszczególnych obiektów.
   

Podsumowanie

Podstacje trakcyjne są obiektami o specyficznej i nieco obszernej budowie, jednak mam nadzieję, że niniejszy artykuł przybliżył Państwu zasadę ich działania i sposób zasilania. Układ PT daje rozmaite możliwości przełączania zasilania, co zapewnia wysoki stopień niezawodności. Jednak w przypadku gdy coś pójdzie nie tak (i pociągi mają opóźnienia), mamy okazję usłyszeć o tym w krajowych rozgłośniach radiowych, szczególnie jeśli PT położona jest na trasie między głównymi miastami. Służby eksploatacyjne mają nie lada wyzwanie. Jednak dzięki wykorzystaniu nowoczesnych rozwiązań systemowych, takich jak np. CMMS QRmaint, można uprościć to zadanie.