Przykład: zasilanie metra w warszawie

W warszawskim metrze podstacje trakcyjno-elektroenergetyczne są rozmieszczone na co drugiej stacji, w tym na pierwszej i ostatniej stacji danego odcinka linii metra. Każda z nich jest zasilana napięciem 15 kV doprowadzonym z najbliższego Rejonowego Punktu Zasilania (RPZ) publicznej sieci elektroenergetycznej dwoma liniami kablowymi wyprowadzonymi z różnych sekcji szyn RPZ. Zostały one poprowadzone różnymi trasami, co stanowi zabezpieczenie na wypadek awarii – w przypadku zaniku napięcia w jednej linii, następuje samoczynne przełączenie i podstacja jest zasilana z drugiej linii. Na wypadek braku napięcia na obu liniach przewidziano zasilanie rezerwowe z dwóch sąsiednich podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych. W tym celu wzdłuż całej linii metra ułożono zapasowe kable 15 kV. Załączyć je może wyłącznie dyspozytor, po wcześniejszym wyłączeniu zasilania podstawowego.

Zadaniem podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych jest przetworzenie napięcia przemiennego 15 kV na napięcie stałe 750 V potrzebne do zasilania trzeciej szyny i napięcie 400/230 V, zasilające urządzenia własne stacji metra. Podstacje energetyczne (transformatory i rozdzielnice niskiego napięcia) zasilające odbiorniki nietrakcyjne są podłączone do sąsiednich podstacji trakcyjno-energetycznych.

Sieć trakcyjna w warszawskim metrze

Sieć trakcyjna metra warszawskiego została podzielona na sekcje. Długość przerw między nimi, wynoszącą piętnaście metrów, dobrano tak, aby uniemożliwić zwarcie dwóch sąsiednich sekcji odbierakami prądowymi wagonu. Każdą sekcję dla jednego kierunku ruchu zasilają zasilacze trakcyjne, wyprowadzone z rozdzielnic prądu stałego z dwóch kolejnych podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych. Do włączenia i odłączenia napięcia służą odłączniki sieci trakcyjnej z napędem silnikowym.

Sieć jezdną zamocowano do podbudowy betonowej, a na odcinkach naziemnych do podkładu drewnianego nawierzchni torowej. Węzeł zamocowania trzeciej szyny podtrzymuje ją oraz zapewnia izolację elektryczną. W warszawskim metrze zastosowano odbiór prądu z dolnej powierzchni sieci jezdnej przez ślizgowe łapy odbieraków, w które wyposażono wagony.

Jej zakończenie wślizgami o odpowiednim skosie zapewnia ich płynne wejście. Sieć powrotną stanowią szyny jezdne oraz kable powrotne do dławików torowych do ujemnego bieguna podstacji trakcyjnej. Połączenie między torami zostało wykonane kablami spinającymi punkty środkowe dławików.

Hamowanie z odzyskiem i magazyny energii

Kilka czynników skłania przewoźników do ograniczania zużycia energii elektrycznej. Ważna jest oczywi ście ochrona środowiska – celem jest zmniejszenie emisji zanieczyszczeń, ale w interesie operatorów taboru nie jest, żeby odbywało się to kosztem niższej ładowności. Powinni to także pogodzić z rosnącym zapotrzebowaniem na usługi transportowe, któremu muszą sprostać. Poza tym starają się ciąć koszty eksploatacyjne, jednak bez obniżenia standardu przewozów.

Jednym ze sposobów na zmniejszenie energochłonności pojazdów szynowych jest ograniczanie strat energii elektrycznej. W przypadku taboru szynowego ich istotnym źródłem jest energia kinetyczna podczas hamowania zamieniana na ciepło. W związku z tym w pojazdach tego rodzaju wprowadzane są rozwiązania umożliwiające jej odzysk (rekuperację). Odzyskaną energię elektryczną można ponownie użyć, poprawiając dzięki temu bilans energetyczny systemu transportu.

W tym celu pojazdy szynowe wyposaża się w układy napędowe umożliwiające hamowanie rekuperacyjne. Energię elektryczną odzyskaną w ten sposób można wykorzystywać na różne sposoby. Przykładowo jest przekazywana do sieci trakcyjnej, co pozwala na utrzymanie w niej prawidłowego poziomu napięcia albo zasilenie bezpośrednie innego pojazdu, który właśnie się rozpędza – to wymaga jednak skoordynowania rozkładów jazdy poszczególnych składów metra. Może też zasilić instalacje użytkowe pojazdu (oświetlenie, wentylację). Jeszcze inne rozwiązanie zostało wdrożone na drugiej linii metra w Warszawie – zainstalowano tam zasobnik energii. Jej nadwyżki, które są w nim magazynowane można wykorzystywać później, według potrzeb, w dowolnej chwili.

Instalacje użytkowe w metrze – oświetlenie i wentylacja

Przepisy wymagają, by w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, zapewniono oświetlenie podstawowe oraz awaryjne, a w tunelach – awaryjne. Ważne, aby oświetlenie w tunelu wykonano w oprawach z osłonami uniemożliwiającymi olśnienie maszynistów. Samoczynnie załączające się oświetlenie awaryjne powinno być zasilane z sieci oświetlenia podstawowego, zaś w razie zaniku napięcia musi się automatycznie przełączać na zasilanie z własnych akumulatorów i działać przez co najmniej trzy godziny od momentu zaniku oświetlenia podstawowego. Przepisy wymagają też, by natężenie oświetlenia mierzone na poziomie posadzki było nie mniejsze niż 100 lx. W metrze warszawskim na przykład zapewnione są następujące poziomy natężenia światła: na stacjach przy krawędzi peronu – 250 lx, na peronie, w przejściach – 200 lx, a w pomieszczeniach technicznych, jak dyspozytornia – 300 lx. Natężenie oświetlenia bezpieczeństwa wynosi 10% podstawowego.

Oświetlenie jest jedną z bardziej energochłonnych instalacji użytkowych w metrze. W związku z tym, żeby ograniczyć jego negatywny wkład w bilans energetyczny tych obiektów, podejmuje się starania, by było bardziej energooszczędne. Działa się w tym kierunku dwutorowo. Kluczowe są decyzje podejmowane na etapie przygotowywania projektu instalacji oświetleniowej – jedną z ważniejszych jest wybór energooszczędnego typu lamp. Obecnie za najefektywniejsze uznane są lampy LED. Dlatego w nowych projektach są standardem, a w starszych instalacjach coraz częściej w ramach modernizacji zastępują lampy fluorescencyjne. Ponadto popularyzują się inteligentne systemy sterowania oświetleniem. Przewidują one automatyczne przełączanie natężenia światła między różnymi scenariuszami, w zależności od sposobu pracy metra i natężenia przepływu pasażerów. Przykładowe tryby to: normalny, energooszczędny, pożarowy i awaryjny albo szczytu świątecznego, dnia powszedniego, niskiego natężenia ruchu, konserwacji.