Тягові підстанції (ТП) є одним з найважливіших пристроїв системи тягового електропостачання (СТЕ). Їх живлення здійснюється від системи зовнішнього електропостачання (СВЕ), а споживачем перетвореної електроенергії є електрорухомий склад (ЕРС) залізниць. Застосовуються також тягові підстанції для харчування міського електричного транспорту (МЕТ) і електропоїздів метрополітену. Тягова підстанція - електрична підстанція, призначена в основному для харчування транспортних засобів на електричній тязі через контактну мережу (згідно ПЕЕП). Від ТП отримують харчування та інші залізничні нетягових споживачі, а також деякі районні нежелезнодорожние споживачі. Тягові підстанції прийнято класифікувати по ряду ознак (рис. 1). Наведена на рис. 1 класифікація тягових підстанцій може бути доповнена поділом підстанцій і по ряду інших ознак: за способом управління (телекеровані і нетелеуправляемие); за способом обслуговування (з постійним черговим персоналом, з чергуванням на дому, без чергового персоналу); по можливості переміщення (стаціонарні та пересувні). Опорна ТП отримує харчування від СВЕ за трьома і більше лініях електропередачі напругою 110 або 220 кВ. Проміжна прохідна (транзитна) ТП отримує харчування по одній лінії електропередачі, у розтин якої вона включена, від двох опорних або районних підстанцій. Проміжна відгалужувальна (підключених до цих відгалужень) ТП отримує харчування по двох лініях (або ланцюгах ЛЕП) напругою 110 або 220 кВ, до яких вона приєднана відгалуженнями (відгалуженнями). Кінцева (тупикова) ТП отримує харчування по двом радіальних лініях від іншої тягової або районної підстанції. При харчуванні підстанцій по одноценной ЛЕП від двох опорних підстанцій між ними можна розташовувати до трьох прохідних ТП (рис. 2)
Тягові підстанції служать для прийому і перетворення енергії електроенергетичних систем в електроенергію з необхідними параметрами для функціонування електричної залізниці. У зв'язку з виконанням принципу комплексності електрифікації, закладеного ще планом ГОЕЛРО, тягові підстанції крім основної вирішують супутню завдання - постачання електричної енергії прилеглих до них сільських і промислових споживачів. Оскільки споживачі електроенергії і, перш за все, електрична залізниця є відповідальними споживачами, то пред'являються підвищені вимоги до надійності роботи тягових підстанцій. Це досягається резервуванням найбільш відповідальних апаратів. Тягові підстанції для систем тяги постійного струму 3 кВ виконуються, як правило, з двоступеневої трансформацією знижуючи напруги зовнішньої ЛЕП зі 110 (35 або 220) кВ до 10 кВ на першому місці і з 10 до 3.02 (1.05) кВ (в залежності від схеми випрямлення ) на другому ступені. При цьому проміжне напругу 10 кВ використовується для харчування, як власних потреб підстанції, так і для харчування районів, прилеглих безпосередньо до тяговим підстанцій. Підстанції постійного струму розташовують на відстані 10-15 км один від одного. Менше значення відповідає більшій грузонапряженности електричної залізниці. Тягові підстанції змінного струму виконують з одноразовою трансформацією. У загальному випадку тягові підстанції виконуються за різними схемами. Найбільш поширеними є підстанції, структура яких наведена на рис. 1, 42.
а)
Тягові підстанції, живлячи тягову мережу, утворюють так звані межподстанціонние і підстанційний зони. Схеми таких утворень наведені на рис. 3, 45.
На рис. 5 наведені основні елементи системи тягового електропостачання змінного струму 25 кВ. Економічно доцільним виявляється відстань між тяговими підстанціями змінного струму (межподстанціая зона) рівне близько 40 ... 50 км.
Електрифіковані залізниці в нашій країні отримують електроенергію від енергосистем. Енергосистема - це сукупність великих електричних станцій, об'єднаних лініями електропередачі і спільно живлять споживачів електричною і тепловою енергією. Енергосистеми об'єднують електростанції різних типів: теплові, де використовуються різноманітні види органічного палива, гідравлічні і атомні. Слід зазначити, що навантаження електричної тяги відрізняються великою рівномірністю, а це сприяє більш стабільній роботі енергосистем. Від Єдиної енергетичної системи нашої країни харчуються електричні магістралі європейської частини країни, Уралу, Сибіру. Харчування від потужних енергосистем забезпечує безперебійність постачання електроенергією споживачів, в тому числі і електричного рухомого складу. На рис. 2 зображена в дещо спрощеному для наочності вигляді загальна схема електропостачання електрифікованої залізниці умовно від однієї теплової електростанції.
Трифазний змінний струм напругою 6-10 кВ від генераторів електростанції по кабелю проходить до що підвищує трансформатора, тут в залежності від різних умов напруга може бути підвищено до 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Ці номінальні значення напруг передбачені діючими стандартами. Потім струм полини електропередачі (ЛЕП) проходить до споживачів, в даному випадку ктяговой підстанції. Якщо станеться коротке замикання на лінії електропередачі або виникнуть неприпустимі перевантаження, високовольтний вимикач відключить її від електричної станції. Цей же вимикач використовують для зняття напруги з лінії, наприклад, при її огляді. Далі струм проходить через інший високовольтний вимикач в первинну обмотку трансформатора тягової підстанції, який знижує напругу змінного трифазного струму до значення, необхідного для нормальної работиелектроподвіжного складу (е. П. С). Пристрій і робота тягових підстанцій доріг, електрифікованих на постійному і змінному струмі, суттєво різняться. На тягової подстанцііпостоянного струму, яка показана на рис. 2, змінний струм перетвориться в постійний. Спочатку для цієї мети використовували обертові перетворювачі, які складалися з потужних двигунів змінного струму, встановлених на одному валу з генераторами постійного струму. Потім замість важких і громіздких машинних перетворювачів стали застосовувати ртутні випрямлячі. Надалі все ртутниевипрямітелі були заменениполупроводніковимі. Випрямлена напруга через спеціальний захисний апарат -бистродействующій вимикач - іпітающую лінію (фідер) підводиться до контактної мережі. При включених тягових двигунах електровоза ток від вторинної обмотки трансформатора проходить через випрямляч, швидкодіючий вимикач, фідер, контактну мережу, пускорегулюючі апарати і тягові двигуни в рейки. Щоб отримати замкнутий електричний ланцюг, рейки соедіняютотсасивающей лінією з нульовою точкою вторинної обмоткітрансформатора. Швидкодіючий вимикач автоматично відключає фідер, а отже, і контактну мережу в разі перевантаження і коротких замикань останньої. Крім того, іноді необхідно відключати контактну мережу (знімати з неї напруга) для виробництва будь-яких робіт, для чого також відключають швидкодіючий вимикач. Отже, тягові підстанції доріг постійного струму служать для зниження напруги, що підводиться від ЛЕП, перетворення змінного струму в постійний і розподілу електричної енергії постійного струму по навчаючи-сткам контактної мережі. Якщо залізниця електрифікована на змінному струмі промислової частоти, то тягова підстанція призначена для зниження напруги, що підводиться ЛЕП, і розподілу електричної енергії по ділянках контактної мережі. На лініях, електрифікованих на змінному струмі, замкнутий контур струму утворюється при з'єднанням одного кінця первинної обмотки трансформатора, розташованого на електровозі, до контактної мережі, а іншого - до рейки і далі через відсмоктувальну лінію до підстанції. Пристрій тягових підстанцій доріг змінного токазначітельно простіше, оскільки випрямлення напруги для харчування тягових двигунів здійснюється на самому рухомому складі. Коефіцієнт корисної дії електричної тяги виражається твором к. П. Д. Окремих ланок системи харчування електрифікованої залізниці: електростанції, лінії електропередачі, тягової підстанції, контактної мережі і самого електровоза. Якщо енергія надходить від теплової електростанції, к. П. Д. Якої приблизно 35%, то повний к. П. Д. Електричної тяги становить близько 28%. З тим же приблизно к. П. Д. Працюють електрифіковані залізниці, які почали отримувати енергію від атомних електростанцій. Гідроелектростанції, к. П. Д. Яких досягає 85%, живлять приблизно одну п'яту частину електрифікованих залізниць; к. п. д. електротяги становить при цьому 60-62%.