Для решения задачи сооружения в Москве первого в нашей стране метрополитена было необходимо, чтобы электрическое сердце метрополитена — система электроснабжения с подстанциями, установками и устройствами в тоннелях и на станциях — была исключительно надежна в любых режимах эксплуатации — нормальных и аварийных. Опыта проектирования постоянных устройств электроснабжения метрополитена у нас не было. Задача была трудной. Для проектирования устройств электроснабжения первой очереди Московского метрополитена при Метрострое был создан проектный электротяговый отдел, в 1935 г. включенный в состав Метропроекта. К проектированию подстанций, освещения станций и отдельных устройств первой очереди метро были привлечены специализированные институты ВЭИ, ВНИСИ, ВНИИКП и Тяжпромэлектропроект имени Ф. Б. Якубовича.
В проекты системы электроснабжения первой очереди Московского метрополитена были заложены оригинальные технические решения, которые должны были обеспечить высокую надежность работы подземной магистрали. Как показал опыт эксплуатации системы, она оказалась более эффективной и прогрессивной по сравнению с принятыми в то время па зарубежных метрополитенах. В дальнейшем, с развитием техники и электротехнической промышленности, многое совершенствовалось, но главные принципы надежности и бесперебойности работы подземного транспорта остались незыблемыми до настоящего времени.
Для электроснабжения линий первой очереди Московского метрополитена была принята централизованная система с тяговыми и понизительными подстанциями, размещенными в наземных отдельно стоящих зданиях. Более целесообразно было бы располагать все подстанции в подземных помещениях рядом со станциями метрополитена. Однако почти все выработки линий первой очереди сооружались в тяжелых инженерно-геологических условиях, в водонасыщенных грунтах.
Подземные объемы станций и тоннелей были значительными, сроки строительства чрезвычайно короткими. Исходя из необходимости не увеличивать объемы подземных сооружений, было принято решение строить подстанции в наземных зданиях. По градостроительным причинам подстанции часто располагались на значительном расстоянии от тоннелей и станций метрополитена, что вызывало необходимость строительства кабельных коллекторов большой протяженности, вело к удлинению и утяжелению кабельных сетей.
Специфика метрополитена, его подземных сооружений диктовала необходимость создания принципиально новых типов электрооборудования, аппаратуры, осветительной арматуры, кабелей как силовых, так и слаботочных. Вначале разрабатывались технические требования, затем специализированные институты и конструкторские бюро проектировали опытные образцы, по которым заводы электропромышленности изготовляли новые виды оборудования и поставляли его в необходимом количестве Метрострою.
Интересно, что новое оборудование и аппаратура, разработанные для метрополитена, часто широко использовались и на других объектах. Особенно быстро распространилась осветительная арматура станций и вестибюлей метрополитена в зданиях общественного назначения — вокзалах, театрах, концертных залах, клубах и т. д.
С каждой новой очередью строительства линий Московского метрополитена росла их энерговооруженность, совершенствовалась система электроснабжения, вводилось диспетчерское управление установками подстанций, разрабатывались прогрессивные оборудование и устройства, внедрялась автоматизация процессов эксплуатации.
Так, если на станциях мелкого заложения с прилегающими участками перегонных тоннелей первых очередей Московского метрополитена уже было установлено в среднем по 18 электродвигателей суммарной мощностью 80 кВт, то на станциях Ждановского радиуса было установлено примерно по 54 электродвигателя суммарной мощностью 370 кВт, а на сооружаемом в настоящее время Серпуховском радиусе это количество составит 110 при суммарной мощности 770 кВт.
Сравнение потребности в кабелях показывает, что при увеличении количества потребителей удельный расход кабелей на 1 км линии метрополитена и на единицу установленной мощности уменьшился. Объясняется это тем, что в последние годы вместо радиальных схем питания были разработаны и стали внедряться более рациональные магистральные схемы.
Для линий второй очереди строительства Московского метрополитена Метропроект запроектировал подземные понизительные подстанции, сооружаемые при каждой станции. Это решение дало возможность в значительной степени уменьшить протяженность низковольтных сетей и увеличить надежность электроснабжения нетяговых нагрузок.
В послевоенные годы ведущие инженеры-электрики Метрогипротранса и инженеры-электрики Московского метрополитена в сотрудничестве с коллективами ВЭИ, ВНИСИ, МЭИ, МИИТ, ВНИИКП и при участии коллективов заводов электротехнического оборудования с воодушевлением включились в разработку, испытания и изготовление нового, более совершенного оборудования.
В 1948—1950 гг. была впервые разработана и внедрена вначале на Ленинградском, а затем на Московском метрополитене новая, децентрализованная система электроснабжения. Система предусматривала сооружение тягово-понизительных подстанций при каждой станции, т. е. совмещение в одном объеме тяговой и понизительной подстанций. Эта система, имеющая ряд преимуществ перед централизованной системой электроснабжения (уменьшение длины кабелей и, следовательно, потерь электроэнергии в тяговой сети, снижение потенциала ходовых рельсов, уменьшение блуждающих токов и т. д.), нашла в дальнейшем широкое применение на всех метрополитенах страны. Однако при определенных условиях применяются и смешанные системы (централизованные и децентрализованные).
С 50-х гг. на подстанциях начали внедрять сухие трансформаторы для питания силовых и осветительных нагрузок. В 1948 г. были начаты работы по созданию и внедрению новых выпрямительных тяговых агрегатов. В 1964 г. впервые в СССР на одной из подстанций Московского метрополитена был установлен силовой кремниевый выпрямитель типа ВАКС-2475 по мостовой схеме, а в 1965 г.— модернизированный кремниевый выпрямитель типа УВКМ-2 на 3500А постоянного тока с трансформатором ТМНПВ-5000, с регулировкой напряжения под нагрузкой. В настоящее время на подстанциях устанавливаются более совершенные кремниевые выпрямительные агрегаты типов УВКМ-5 на 3200А и УВКМ-6 на 1600А постоянного тока с естественной вентиляцией.
На тяговых подстанциях первой очереди Московского метрополитена предусматривались двойные системы сборных шин 6—10 кВ. В 50-х гг. с появлением новых комплектных распределительных устройств (КРУ-6-10кВ) на подстанциях были приняты секционированные одинарные системы сборных шин 6—10 кВ, которые экономичнее по капитальным затратам и проще в эксплуатации по сравнению с применявшимися двойными системами шин.
Схемами питания нетяговых потребителей — электродвигателей, устройств освещения и СЦБ — предусматривается электроснабжение каждого вида нагрузок от двух трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях. До 50-х гг. расчет мощности трансформатора для каждого вида нагрузок производился по аварийному режиму, исходя из условия, что все нагрузки могут быть включены одновременно. В связи с этим в эксплуатации в нормальных режимах нагрузка трансформаторов в большинстве случаев составляла около 20%. В последующие годы была разработана новая методика расчетов потребной мощности трансформаторов, лишенная прежних недостатков. На ее основе в проектах начали предусматривать трансформаторы меньшей мощности, что уменьшило капитальные затраты и эксплуатационные расходы, повысив коэффициент использования мощности трансформаторов в 1,5—1,8 раза.
В последние десятилетия в значительной степени повысились качественные характеристики систем освещения станций. На линиях первых очередей для освещения использовали лампы накаливания. В начале 50-х гг. Метрогипротранс совместно с ВЭИ провел научно-исследовательские работы по созданию люминесцентных ламп, которые не искажали бы естественные цвета отделочных материалов, в частности мрамора. Люминесцентные лампы тепло-белого цвета были впервые применены на станциях кольцевой линии Московского метрополитена.
40-е гг. ознаменовались введением на тяговых подстанциях устройств автоматики и телеуправления. Из центрального диспетчерского пункта по программе осуществлялось телеуправление группой установок или каждой установкой либо ее элементом при помощи устройств, созданных на релейной аппаратуре. В начале 70-х гг. по заданию Метрогипротранса и службы подстанций и сетей Московского метрополитена ЦНИИ МПС была разработана и затем Московским электромеханическим заводом МПС изготовлена электронная система телеуправления типа ТЭМ-74, показавшая высокую надежность и оперативность в эксплуатации.
При проектировании новых линий метрополитена для Москвы, а также и для других городов уделяется большое внимание повышению пожарной безопасности. На подстанциях применяются только сухие трансформаторы. На станциях, в тоннелях и на подстанциях прокладываются кабели пониженной горючести.
С целью повышения индустриализации изготовления и монтажа электроустановок и устройств тяговой сети в тоннелях и на подстанциях специализированные предприятия изготовляют по чертежам Метрогипротранса шкафы с быстродействующими автоматическими выключателями, разъединителями с моторными, а также ручными приводами. В настоящее время проектами предусматриваются кроме дистанционного управления телеконтроль и телеуправление агрегатами тоннельной вентиляции и сантехники, эскалаторами и другими устройствами метрополитена, а также телеконтроль параметров воздуха на станциях и в перегонных тоннелях.
Перед инженерами-электриками Метрогипротранса стоят большие задачи. На основе нового СНиП П-40-80 «Метрополитены», новых государственных стандартов и инструкций по метрополитенам, с учетом результатов научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в настоящее время ведутся новые разработки по дальнейшему совершенствованию проектных решений в системе электроснабжения метрополитенов. Метрогипротранс принимает участие в научно-исследовательских работах по рекуперации электроэнергии тяги поездов с целью повышения провозной способности метрополитена, а также в работах по повышению комфорта перевозки пассажиров, уменьшению трудозатрат и улучшению условий труда при строительстве и эксплуатации метрополитена.
Оглядываясь на путь, пройденный проектировщиками-электриками Метропроекта — Метрогипротранса за 50 лет, можно видеть, что проделана огромная работа и накоплен большой опыт в проектировании постоянных устройств электроснабжения метрополитенов. На эксплуатируемых в настоящее время метрополитенах в Москве, Ленинграде, Киеве, Тбилиси, Баку, Харькове, Ташкенте, Ереване «электрическое сердце» бьется четко, точно и бесперебойно.
Оригинальные решения по электроснабжению метрополитенов защищены авторским свидетельством на изобретение. Большое количество реализованных рационализаторских предложений дали весомую экономию затрат на строительстве метрополитенов и в эксплуатации.