З історії енергогосподарства трамвая і тролейбуса

Трамвай і тролейбус народилися 80-х років ХІХ століття. Їх «батьки» українець Федір Піроцький (розробник трамвая із рейковим струмозніманням в Петербурзі) та німець Вернер фон Сімменс, (автор діючих моделей і трамвая і тролейбуса). За перше десятиліття після винаходу оформилися їх основні схеми струмознімання, які використовуються і донині – трамвай живиться струмом від струмоприймача, який ковзає по контактному дроту, а у якості зворотного проводу використовує рейкове полотно, тролейбус же обладнується двома штанговими струмоприймачами, які ковзають по контактним дротам додатного і від’ємного потенціалу.

Швидко оформився основний принцип облаштування контактної мережі. Для зручності обслуговування, захисту контактних дротів від перенавантаження, а пристроїв живлення – від коротких замикань, контактні мережі розділюють на окремі ізольовані одна від одної ділянки (секції), які живляться від тягової підстанції по власній кабельній лінії, оснащеній різноманітними пристроями захисту.

На початках електротранспорт у містах був монопольним споживачем електричної енергії. Для кожної трамвайної системи, що відкривалася, будували власну електростанцію (як правило, поруч із депо). В своєму складі вона мала генератори постійного струму із приводом від парових чи дизельних двигунів. Часто до складу таких електростанцій включали також потужні акумуляторні батареї – як резервні джерела живлення та захист від пікових навантажень.

Електростанція і депо львівського трамвая на етапі будівництва. 1893 р.

Перші дві «трамвайні» електростанції України – в Києві та Львові мали парові турбіни – вони були введені у дію у 1892 і 1894 роках. Що цікаво, станом на 1917 рік київський електричний трамвай мав чотири електростанції – споруджену в 1903 році дизельну електростанцію поряд із Володимирським узвозом (вона змінила парову), в Пущі-Водиці (збудована у 1904 р.), яка живила приміську лінію, споруджену в 1911 році дизельну електростанцію на Лук’янівці, а також електростанцію Святошинського трамвая. Цікаво, що за свідченням Ю. Струка, автора книги «Київський трамвай за сорок років. 1892 – 1932», вони діяли іще на початку 1930-х років.

Використовувати електричну енергію трамвайних електростанцій для інших потреб було важко, адже постійний струм складно трансформувати (змінити його напругу). В той самий час, завдяки відносній простоті регулювання швидкості обертання двигуна постійного струму в міському електротранспорті використовується виключно постійний струм. Двигуни постійного струму домінували в електротранспорті до кінця ХХ століття, коли їх почали замінювати на трьохфазні асинхронні змінного струму.

У Львові задачу використання для освітлення енергії, яку генерувала трамвайна електростанція, вирішили в оригінальний спосіб. Директор Львівського трамвая Йозеф Томицький та відомий вчений-електротехнік Роман Дзеслевський запропонували встановити у підвалі Львівської Опери велику акумуляторну батарею, яка мала живиться через підземну кабельну лінію від трамвайної електростанції. Ця батарея складалася із окремих акумуляторів, з’єднаних послідовно, підключаючи кабелі освітлення до ланцюжків елементів, отримували уже напругу не в 600 В, а у 120 В, яку тоді використовували для освітлення. Проект цей був втілений у життя в 1900 році. Така схема живлення працювала до 1909 року, коли в дію була введена потужна міська електростанція змінного струму.

Машинний зал львівської трамвайної електростанції. 1907 р.

Революцію в системі електропостачання зробили винаходи видатного вченого Михайла Осипович Доліво-Добровольського (дитячі роки він, до речі, прожив в Одесі), який працював у всесвітньовідомій німецькій фірмі AEG: трьохфазний асинхронний електродвигун, трьохфазний синхронний генератор та трансформатор, який дозволяв практично без втрат змінювати напругу змінного струму. Також вчений розробив і основний принцип передачі електричної енергії на великі відстані – в місці генерування максимально підвищувати напругу, щоб струм, а відповідно і втрати, в лінії електропередач був мінімальними, а на місці споживання за допомогою трансформатора знижувати її.

Машинний зал дизельної електростанції у Києві. 1911 р.

Всі згадані винаходи, Михайло Осипович продемонстрував під час всесвітньої виставки у Франкфурті на Майні 1891 року. Перед головним входом на виставку був збудований штучний водоспад, вода на який подавалася за допомогою насоса із приводом від трьохфазного асинхронного двигуна. Для електропостачання була збудована 170-кілометрова лінія електропередачі із двома трансформаторами – підвищуючим поблизу невеликої гідроелектростанції на річці Неккар, де був встановлений синхронний трифазний генератор та понижуючий – поряд із штучним водоспадом… Виставка мала грандіозний успіх, адже вчені та інженери приїздили поглянути на цю лінію електропередач… Побували на ній і «батьки» київського та львівського електричного трамвая – Аманд Струве, Роман Дзеслевський та Йозеф Томицький…

Тут маємо розповісти як схематично виглядає електропостачання міського електротранспорту. Струм генерується електростанцією змінного струму 1, далі за допомогою підвищувального трансформатора 2 напруга підвищується до рівня 110 кВ, а далі передається повітряними лініями електропередач 3. На розподільчій підстанції 4 електричний струм іще раз трансформується і по кабельним лініям 5 до тягової підстанції електротранспорту 6 тече трифазний струм напругою 6,3 кВ. На тяговій електростанції електротранспорту 6 встановлені понижуючі трансформатори та випрямні агрегати, які забезпечують живлення трамвая і тролейбуса напругою 600 В через контактні мережі 8 і 10, рейки 9 та підземні кабельні мережі 7.

Спрощена схема електропостачання трамвая і тролейбуса

Отож, починаючи із 1900-х років, почали споруджувати електростанції змінного струму, які забезпечували електрикою як промислові підприємства, так і побутових споживачів. Для міського електротранспорту виникла нова проблема – як перетворити змінний струм в постійний, «випрямити» його.

Довший час для цього використовували електромашинні випрямлячі (мотор-генератори чи умформери): потужний трифазний електродвигун змінного струму приводив в обертання якір генератора постійного струму. Вони були дуже громіздкими і мали невисокий коефіцієнт корисної дії. Отож, потрібно було шукати інші способи перетворення змінного струму в постійний.

Історично першим електронним пристроєм, який забезпечував перетворення змінного струму в постійний був електровакуумний діод – кенотрон, принцип роботи якого винайшов іще у 1873 році Фредерік Гутрайт – підносячи розпечений метал до електроскопа із додатнім зарядом і не торкаючись його він зміг розрядити його. В той самий час, якщо електроскоп мав від’ємний заряд, такого не траплялося. Проте кенотрони не могли забезпечувати «випрямлення» значних струмів, яких потребував електричний транспорт.

Ефект із «випрямлення» змінного струму з використанням електричної дуги вперше був відкритий на початку ХХ століття Купер-Хьюітом у США. Він і отримав патент на ігнітрон – ртутний випрямляч, робота якого ґрунтувалася на електричній дузі у парах ртуті. Цьому винаходу знадобилося три десятиліття для того, щоб витіснити електромашинні генератори із силової енергетики електротранспорту.

Розповімо нашим читачам кілька слів про те, що таке ртутний випрямляч. Це була герметична посудина, в якій підтримувався низький тиск, близький до технічного вакууму – 0,13 – 0,2 Па. В середині посудини розташовувалися аноди (один чи кілька) і ртутний катод. «Випрямлення» струму ґрунтувалося на тому, що у випадку прикладання до анода додатного потенціалу, а до катода – від’ємного, через надзвичайно розріджені пари ртуті проходила електрична дуга. Якщо ж до анода прикласти від’ємний потенціал, а до катода – додатній, дуга не виникне. Власне за рахунок оцієї «перемінної» дуги і здійснювалося «випрямлення» струму.

Перші ртутні випрямлячі на міському електротранспорті в Україні з’явилися на тяговій підстанції № 2 львівського трамвая на вулиці Замарстинівській, 11. Цю підстанцію було споруджено у 1924-5 роках і обладнано найсучаснішими на той час обладнанням фірми «Браун – Бовері» – масляними трансформаторами та ртутними випрямлячами. У 1920-х роках ртутні випрямлячі були впроваджені також у Чернівцях.

Електромашинний перетворювач (умформер) на тяговій підстанції № 1 львівського трамвая. 1920 р.

На сході України ртутні випрямлячі з’явилися на тягових підстанціях після 1926 року, коли заводом «Електросила» у Ленінграді було створено багатоанодний ртутний випрямляч РВ-5 на робочу напругу 600 В і струм в 500 А. Це був розбірний пристрій із металевим корпусом із двоступеневою системою відкачування повітря, водяним охолодженням та електромагнітним пристроєм підпалювання дуги. У 1932 році заводом «Електросила» було освоєно виробництво ще потужніших ртутних випрямлячів моделей РВ-10 (600 кВА) та РВ-20 (1200 кВА). Також на тягових підстанціях використовувалися ртутні випрямлячі фірм AEG та «Браун-Бовері».

Принципова схема багатоанодного ртутного випрямляча показана на рисунку. Металевий корпус випрямляча 1 обладнаний водяним охолодженням. Катодна чаша 2, ізольована від корпуса, наповнена ртуттю. Головні аноди 3 пропущені через анодні рукави 4, які захищають аноди від ртуті, яка на них конденсується з випарів. Всередині випрямляча знаходяться анод запалювання 5 і аноди незалежного збудження 6. Верхній кінець анода запалювання закріплений до сталевого сердечника, який вміщено у соленоїді (котушці індуктивності). При включенні живлення соленоїда, його сердечник втягується і опускає анод запалювання, який на короткий проміжок часу занурюється у ртуть і потім під дією пружини повертається у попереднє положення. Електрична дуга, яка виникла між анодом запалювання та ртуттю, перекидається на аноди збудження, які підтримують дугу не даючи їй згаснути.

Всі з’єднання деталей і вузлів вакуумного випрямляча герметичні, мають спеціальні прокладки, що забезпечують підтримання технічного вакууму в середині корпусу, окрім того, як уже було сказано вище, вакуумний металевий випрямляч обладнаний вакуум-насосом, який постійно підтримує високий вакуум.

Для регулювання випрямленої напруги вакуумні випрямлячі були обладнані додатковими електродами – сітками 7.

У повоєнний час радянська промисловість виготовляла багатоанодні ртутні випрямлячі РМНВ – 500 та РВНМ – 1000 на випрямлений струм у 500 і 1000 А відповідно, а також випрямні агрегати із одноанодних ртутних випрямлячів РМНВ – 500х6, РМНВ – 1000х6 та РМНВ – 500х12 та РМНВ – 1000х12. Ці агрегати давали випрямлений струм у відповідно 500 і 1000 А і складалися відповідно із 6 чи 12 окремих одноанодних випрямлячів.

Хоча останні моделі ртутних випрямлячів мали досконалу конструкцію, все ж вони залишалися доволі екологічно небезпечними конструкціями. Відповідно до діючих в ті часи санітарних норм, тягові підстанції повинні були мати санітарно-захисну зону не менше 25 метрів від житлових будинків та промислових підприємств. Ця обставина не давала можливості будувати тягові підстанції в районах із щільною житловою забудовою.

Через необхідність постійного контролю за обладнанням підстанцій із ртутними випрямлячами, збудовані у післявоєнний період підстанції були багатоагрегатними.

Тягова підстанція із ртутним випрямлячем типу РВ-5. 1930-ті роки

Небезпечність і висока вартість ртутних випрямлячів скеровувала вчених до пошуку інших рішень. До початку ІІ світової війни були винайдені і досліджені два види твердотільних випрямлячів – на міднозакисні та селенові.

Міднозакисний випрямляч являв собою дві шайби, одна із яких мідна, а інша – свинцева. На мідній шайбі утворювали шар закису міді, а потім її щільно притискали до свинцевої. Власне оцей тонкий шар закису міді відігравав роль напівпровідника із односторонньою провідністю. Нажаль, через дуже малу щільність струму 0,1 – 0,15 А на квадратний сантиметр і низьку напругу (до 8 В) такі випрямлячі знайшли своє застосування тільки в низьковольтних колах автоматики та керування.

Селеновий випрямляч являв собою сталеву нікельовану шайбу, на яку потім наносився шар селену. На шар селену було напилено тонкий шар сплаву на основі вісмуту, олова та кадмію. До цього покровного шару щільно притискали латунну шайбу. Такі випрямлячі забезпечували вищу густину струму (0,2 – 0,3 А на кв. мм.) і більшу напругу – 16 – 18 В. Але теж вони були непридатні до випрямлення струмів у 500 – 1000 А, необхідні для живлення електротранспорту.

У післявоєнний період швидкими темпами розвивається індустрія напівпровідників на основі германію та кремнію. Уже у кінці 1950-х років були створені потужні напівпровідникові діоди, придатні для використання у промислових випрямлячах. В Україні виробництво потужних напівпровідників та трансформаторів організовується у Запоріжжі.

Розподільчий щит першої трамвайної електростанції Львова. 1894 р.

В середині 1960-х років на зміну ртутним випрямлячам приходять випрямні агрегати серії ВАК із вихідною силою струму 1000, 2000 і 3000 А виробництва Запорізького електроапаратного заводу. Ці агрегати складалися із силового масляного трансформатора, випрямного блоку, шаф або панелей захисту та швидкодіючого катодного вимикача. Випрямні блоки виготовлялися трьох типів БВК-1000/600Н, БВК-2000/600Н та БВК-3000/600Н. Вони були обладнані пристроями захисту зі сторони змінного та постійного струму, які монтувалися у спеціальних шафах. Перший напівпровідниковий випрямний агрегат у Києві було впроваджено у 1965 році.

Із освоєнням напівпровідникових випрямлячів почалося виведення з експлуатації випрямлячів ртутних. У Києві цей процес завершився у 1969 році, в інших містах України тягові підстанції із ртутними випрямлячами проіснували до середини 1970-х років.

Нові кремнієві напівпровідникові випрямні агрегати вигідно відрізнялися від ртутних, оскільки були екологічно чистими, не потребували постійного догляду і трудомісткого обслуговування і ремонту. Але й вони мали певні недоліки – включені послідовно діоди (типу ВЛ-200), а їх до складу випрямного агрегату входило аж 72, шунтувалися резисторами, які виділяли велику кількість тепла. Тому випрямні агрегати потребували примусового охолодження.

З часом було розроблено нові моделі випрямних агрегатів серії ВАКЛЕ на 1000, 2000 і 3000 А. У перших агрегатах використовувалися діоди В-800, а у пізніх Д143 та Д253. Кількість діодів було скорочено до 24, оскільки використовувалися діоди на зворотню напругу в 1600 – 2400 В. Ці випрямлячі уже не потребували примусового охолодження.

Пульт керування системою керування тяговими підстанціями ТМ-320, Львів, 1985 р.

Зараз в Україні Запорізьким електроапаратним заводом освоєно випуск випрямлячів серії В-ТПЕД для тягових підстанцій електротранспорту із вихідним струмом від 800 до 2000 А. Випрямляч виготовляється у вигляді шафи. До складу випрямляча входить лише 12 потужних діоди. Аналогічне обладнання також виготовляється фірмою «Плутон» теж у Запоріжжі. Сучасні випрямлячі обладнані системою моніторингу роботи на базі мікропроцесорної техніки.

Окрім діодних (некерованих) випрямлячів, на тягових підстанціях міського електротранспорту використовувалися також керовані тиристорні випрямлячі. Перший в Україні такий випрямляч АТДЕ-1000/600 виробництва Запорізького електроапаратного заводу був встановлений у Києві на Ново-Окружній тяговій підстанції у 1976 році. У 1986 році було виготовлено більш сучасну модель тиристорного випрямляча ТПЕ-1250/600.

Скажемо кілька слів про трансформатори, які використовуються на тягових підстанціях. Як ми уже згадували вище, на тягові підстанції по трифазній кабельній чи повітряній лінії подається змінний трифазний струм напругою 6 або 10 кВ (залежно від місцевої електромережі). Для пониження напруги використовується трифазний трансформатор. Схема під’єднання його низьковольтних обмоток залежить від типу випрямляча. На більшості старих підстанцій працюють масляні трансформатори, де обмотки і магнітопровід занурені у спеціальне трансформаторне масло. Трансформаторне масло відіграє роль охолоджувача, яке омиває обмотки і магнітопровід, які віддають йому своє тепло, що виділяється під час роботи. Далі трансформаторне масло потрапляє у спеціальний резервуар, через стінки якого відбувається відведення тепла у навколишнє середовище.

Пересувна тягова підстанція у Пущі-Водиці, збудована на основі списаних трамвайних вагонів. Київ, 2014 р.

Конструкція сучасних масляних трансформаторів є доволі досконалою, але саме трансформаторне масло має властивість старіти під впливом високої температури та кисню повітря. Тому на нових тягових підстанціях модульного типу часто застосовуються т.зв. «сухі» трансформатори, виготовлені за технологією RESIBLOC фірми АВВ, яка полягає у тому, що міжшарова ізоляція обмотки високої напруги виконується у вигляді джгута із скловолокна, просоченого епоксидним в’яжучим складом. Обмотки високої і низької напруги виготовляються єдиним блоком, а у обмотці високої напруги наявні вертикальні канали охолодження.

Перші тягові підстанції повністю керувалися операторами, які слідкували за показами приладів. Із розвитком системи енергогосподарства міського електротранспорту виникла потреба в автоматизації керування тяговими підстанціями. Перші експерименти із переведенням тягових підстанцій на дистанційне телекерування провели у 1950-х роках. Початок впровадження телекерування підстанцією «Цитадельна» у Києві датується 1964 роком.

У 1980-х роках впроваджується система телекерування тяговими підстанціями на основі ЕОМ ТМ-320, яка виготовлялася житомирським заводом «Промавтоматика». Цей завод у 1970-х років налагодив виготовлення інформаційно-керуючих телемеханічних комплексів (ІКТК) ТМ-320, ТМ-512 і ТМ-310 на інтегральних мікросхемах, які використовувалися у різних системах, пов’язаних із розподілом електричної енергії, в тому числі і на міському електротранспорті. З 1986 року завод приступив до виготовлення ІКТК «Граніт» на базі вбудованих мікроЕОМ. Зараз системи телекерування тяговими підстанціями електротранспорту виготовляє та встановлює запорізька фірма «Плутон».

Розподільчі шафи сучасної тягової підстанції. Львів, 2018 р.

При впровадженні телекерування і децентралізованого живлення планувалося застосовувати одноагрегатні тягові підстанції. Їх особливістю мало стати те, що кожна тягова підстанціям мала живити одночасно дві сусідні секції контактної мережі, в той самий час кожна секція мала живитися від двох сусідніх тягових підстанцій. Практика показала недостатню надійність такої системи, адже агрегат може виходити із ладу і при наявності лише одного агрегату обслуговувати його можна лише за відсутності руху. Саме тому оптимальними є двохагрегатні підстанції.

Наприкінці – про самі будівлі тягових підстанцій. На початках проект будівництва кожної тягової підстанції розробляли окремо, виходячи із вибраного обладнання і необхідної потужності. Із застосуванням серійного обладнання у 1969-70 роках проектним інститутом «Мосгортранспроект» було розроблено типові проекти підстанцій – одноагрегатної на 600/1200 кВт установленої потужності, двохагрегатної (1200/2400 кВт), трьохагегатної (1800/3600 кВт) та чотирьохагрегатної (2400/4800 кВт). Також були розроблені типові проекти підстанцій, суміщених із диспетчерськими пунктами енергопостачання. Застосування типових проектів значно пришвидшило і спростило спорудження нових підстанцій.

Модульна тягова підстанція № 17 у Львові, виготовлена фірмою "Плутон" 2018 р.

Останнім часом почали застосовувати модульні тягові підстанції. Кожен модуль являє собою повністю готову до роботи одно агрегатну тягову підстанцію. Для підключення потрібно лише підвести відповідні кабельні лінії та лінії зв’язку. В Україні фірмою «Плутон» освоєно виробництво таких модульних підстанцій. Зокрема вони використовуються для живлення новозбудованих трамвайних ліній у Вінниці та Львові.

У Києві у свій час використовувалися пересувні тягові підстанції, побудовані на базі старих пасажирських трамвайних вагонів. Їх і досі можна побачити на приміській лінії у Пущу-Водицю.