Введение к работе
Актуальность работы. Силовые маслонаполненные трансформаторы тяговых подстанций (СМТ ТП или трансформаторы) — наиболее ответственные и дорогостоящие элементы в системе тягового электроснабжения, от которых зависит пропускная способность участков железной дороги, безопасность движения поездов, надежность электроснабжения тяговой нагрузки, железнодорожных узлов и районного потребителя. Доля электрооборудования тяговых подстанций на сети железных дорог России, выработавшего нормативный ресурс, составляет около 40 %, более 60 % трансформаторов тяговых подстанций устарели морально. Замена их на новые в короткие сроки невозможна и нецелесообразна. Опыт эксплуатации показывает, что после отработки нормативного срока службы значительная доля существующего парка трансформаторов сохраняет работоспособность при условии соответствия тяговым нагрузкам. В ближайшие годы по экономическим и техническим причинам не ожидается существенного обновления парка трансформаторов. В связи с этим все более актуальной становится проблема продления срока службы и оценка возможности дальнейшей эксплуатации электрооборудования, отработавшего нормативный срок, в системе тягового электроснабжения.
Основным критерием общей оценки предельного состояния трансформаторов тяговых подстанций является техническое состояние изоляции обмоток. Существенное влияние на надежность изоляции трансформаторов оказывают климатические условия эксплуатации, важнейшими из которых являются: перепады температуры окружающей среды, низкие и высокие температуры, переход значений температуры через 0 С, осадки и атмосферные (грозовые) перенапряжения. Поскольку изоляционная система трансформаторов является композиционной, климатические факторы, в первую очередь, оказывают влияние на жидкую изоляцию (трансформаторное масло), а в результате тепломассообмена - и на твердую (бумажную) изоляцию обмоток.
Морозы на участках эксплуатации достигают значений - 45 С и ниже, перепады температуры в течение суток могут составлять 20-35 С, иногда до 50 С; продолжительность работы при отрицательной температуре окружающей среды составляет более шести месяцев в году.
Эти обстоятельства вызывают необходимость совершенствования содержания изоляции СМТ ТП с учетом климатических условий.
Исследованию надежности изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов, системам технической диагностики и ремонта уделялось значительное внимание различными научными коллективами и учеными, среди них: В.Г. Аракелян, В.П. Вдовико, А.Г. Овсянников, Ю.Н. Львов, М.Ю. Львов, А.В. Крюков, В.Д. Бардушко, Б.А. Алексеев, В.Б. Комаров и многие др. Однако вопросам надежности электрооборудования, в частности силовых маслонаполненных трансформаторов, с учетом климатических факторов в последние десятилетия уделялось незначительное внимание. Существенный
вклад в изучение этой проблемы внесли Д.Вайда, A.M. Худоногов, А.Т. Ося-ев, Ш.К. Исмаилов.
Цель диссертационной работы: совершенствование содержания изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов тяговых подстанций с учетом климатических условий.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
выполнен анализ причин повреждаемости трансформаторов Красноярской железной дороги; предложена классификация климатических факторов, влияющих на параметры надежности изоляции трансформаторов;
разработаны математические модели:
а) модель тепломассообмена в изоляции силового маслонаполнен-
ного трансформатора с учетом климатических условий;
б) модель теплового старения витковой изоляции трансформатора
от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и измене
ния тяговой нагрузки;
установлена кратность теплового старения витковой изоляции трансформаторов от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки;
проанализированы современные методы и средства контроля и диагностики состояния изоляции силового маслонаполненного оборудования, выявлены наиболее эффективные из них для условий эксплуатации систем тягового электроснабжения;
разработаны рекомендации по совершенствованию содержания изоляции трансформаторов с учетом климатических условий: а) способ диагностики состояния изоляции трансформаторов по увеличению ее объема; б) способ контроля теплового старения витковой изоляции трансформатора от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки. Эти способы диагностики изоляции положены в основу системы многоканального мониторинга СМТ ТП;
выполнен расчет вероятности отказа и риска отказа трансформаторов;
выполнен анализ технико-экономической эффективности внедрения системы мониторинга.
Объект исследования: силовые маслонаполненные трансформаторы тяговых подстанций Красноярской железной дороги.
Предмет исследования: состояние изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов тяговых подстанций Красноярской железной дороги с учетом влияния климатических условий.
Методы исследования. В теоретической части работы использованы методы математического моделирования, теории надежности, методы оптимизации и прогнозирования, методы математической статистики, методы теории планирования эксперимента, теории нагревания и охлаждения твер-
дого тела, методы теории тепломассообмена, метод оценки технико-экономической эффективности результатов исследований.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории и на силовых маслонаполненных трансформаторах тяговых подстанций и заключались в измерении параметров, характеризующих режим работы и состояние их при планово-предупредительных ремонтах, а также при диагностических обследованиях методами, неразрушающего контроля - степени увлажнения и нагрева изоляции, применении программы исследования теплового старения витковой изоляции трансформатора от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
на основе физических представлений процессов, происходящих в изоляции трансформатора, разработаны математические модели, позволяющие выполнять исследования степени ее старения от влияния климатических факторов;
установлена взаимосвязь и характер влияния климатических условий эксплуатации на развитие процессов старения изоляции СМТ ТП Красноярской железной дороги;
получены математические зависимости кратности увеличения скорости теплового старения витковой изоляции трансформатора от влияния суточных, перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки, оценивающие степень дополнительного старения изоляции.
Достоверность результатов обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований: влагосодержания, теплового нагрева изоляции; использованием современных методов измерений и современного измерительного оборудования, применением программы исследования теплового старения витковой изоляции от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки, а также соответствием ряда промежуточных результатов, полученных автором, результатам исследований, опубликованных ранее другими авторами.
Практическая значимость.
Разработанные способы совершенствования содержания изоляции трансформаторов с учетом климатических условий позволят повысить эффективность диагностики состояния изоляции трансформаторов под рабочим напряжением, своевременно указать на необходимость комплексного обследования.
Разработанный алгоритм для программы исследования теплового старения витковой изоляции трансформатора на компьютере может использоваться при проектировании новых систем мониторинга.
Созданная программа «Исследование теплового старения витковой изоляции трансформатора от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки» позволяет повысить качественный уровень диагностики теплового старения изоляции.
На защиту выносятся:
Модель тепломассообмена в изоляции силового маслонаполненного трансформатора с учетом климатических условий.
Модель теплового старения витковой изоляции трансформатора от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки.
Способы совершенствования содержания изоляции трансформаторов с учетом климатических условий региона эксплуатации: а) способ диагностики состояния изоляции трансформаторов по увеличению ее объема; б) способ контроля теплового старения витковой изоляции трансформатора от влияния суточных перепадов температуры окружающей среды и изменения тяговой нагрузки.
Реализация результатов работы. Основные положения результатов исследований, выполненных в диссертационной работе, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Основы технической диагностики» и «Система автоматизированного проектирования электроснабжения железных дорог» специальности 190401.65 «Электроснабжение железных дорог» в Красноярском институте железнодорожного транспорта - филиале ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и в Дорожной электротехнической лаборатории Службы электрификации и электроснабжения Красноярской железной дороги - филиала ОАО «Российские железные дороги».
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих научно-практических конференциях: на НПК КрИЖТ (Красноярск: 2007, 2008, 2009, 2010); НІЖ ИрГУПС (2007, 2008, 2009); VI Всероссийской НТК «Политранспортные системы» (СГУПС, Новосибирск, 2009); Всероссийской НТК «Энергоэффективность, энергосберегающие технологии в образовательном секторе и социальной сфере» (ИрГТУ, Иркутск, 2009); НТК, посвященной 50-летию начала электрификации Красноярской железной дороги «Проблемы развития железнодорожного транспорта» (КрасЖД - филиал ОАО «РЖД» и КрИЖТ, Красноярск, 2009); Межвузовской НПК «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (ИрГУПС, Иркутск, 2009); НПК «Инновационные технологии на железнодорожном транспорте и задачи учебных заведений по подготовке специалистов для предприятий железных дорог» (КрасЖД - филиал ОАО «РЖД» и КрИЖТ, Красноярск, 2009); Всероссийской НПК «Транспорт - 2010» (РГУПС, Ростов-на-Дону, 2010); Всероссийской НПК «Научно-практические проблемы транспорта, промышленности и образования» (ДВГУПС, Хабаровск, 2010); V Международной НТК «Электрическая изоляция - 2010» (СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2010); Международной НТК «Инновации для транспорта» (Ом-ГУПС, Омск, 2010).
Материалы диссертации доложены на заседаниях кафедр: «Электроподвижной состав» и «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
ИрГУПС (2009, 2010, 2011), «Электротехнические комплексы и системы» ПИ СФУ (2011) и «Транспортные системы» КрИЖТ (2008, 2009, 2010, 2011).
Публикации: основное содержание и результаты исследований опубликованы в 20 печатных трудах, в т.ч. без соавторов - 17 статей, 6 статей опубликованы в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ по транспорту.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, 8 выводов, 4 приложений, библиографического списка из 119 наименований на 15 страницах и содержит 130 страниц основного текста, 43 рисунка, 11 таблиц.
