Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
1. ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ СООРУЖЕНИЯ И МОНТАЖА
ТЯГОВЫХ И ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ 2 7
1.1. Общие положения 27
Состояние индустриализации сооружения и монтажа тяговых подстанций на зарубежных электрических железных дорогах 39
Анализ опыта сооружения отечественных
комплектных тяговых подстанций 42
Конструкции и схемы тяговых подстанций 42
Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования тяговых подстанций 48
Исследование тепловлажностного режима
в блоках распределительных устройств 65
1.4.Анализ опыта сооружения и монтажа трансформаторных
подстанций 110-220 кВ для питания нетяговых потребителей 82
1.5. Выводы 91
2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
КОМПЛЕКТНО-БЛОЧНЫХ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 94
Предпосылки для создания комплектно - блочных тяговых подстанций 94
Концепция создания комплектно-блочных тяговых подстанций 96
Вторичные устройства постоянного тока 98
Состояние вопроса 98
Тенденции развития схемотехники и конструкций
аппаратуры АУЗС в отечественной и зарубежной
энергетике в период с 1975 года и до 1991 г. 100
2.3.3. Проблема защиты электронной аппаратуры подстанций
от помех 102
з 2.3.4. Экспертный анализ вариантов размещения устройств автоматики, управления, защиты и сигнализации на
тяговых подстанциях 104
2.4. Источники питания вторичных устройств тяговых подстанций
повышенной экологической чистоты 109
2.4.1. Постановка вопроса 109
2.4.2. Методика выбора аккумуляторной батареи для
комплектно-блочной подстанции 118
2.5. Тепловой расчет модуля комплектно-блочной
подстанции 124
Теплопотери через ограждающие конструкции 124
Выбор режима нагрева, исключающего росообразования внутри модулей 126
Внедрение комплектно-блочных тяговых подстанций постоянного тока 129
Монтаж модулей электротехнических комплексов
для тяговых подстанций на строительной площадке 135
Общие положения 135
Условные обозначения на технологических схемах вариантов I-VI 135
2.7.3.Варианты применения грузоподъемных кранов
для монтажа модулей 136
2.7.4. Выводы и предложения по технологии монтажа модулей 139
2.8. Анализ различных схем прогрева силовых масляных
трансформаторов с технико-экономическим сравнением 148
Критерии оценки методов прогрева 148
Методика расчета прогрева силового трансформатора 149
Прогрев индукционными потерями в баке трансформатора 156
Прогрев токами нулевой последовательности 158
Прогрев методом короткого замыкания 159
Прогрев трансформаторов постоянным током 160
Схема управляемого выпрямителя 161 2.9. Технологический комплекс по монтажу и формовке
свинцово - кислотных аккумуляторных батарей 168
2.10.Исследование методов настройки быстродействующих
выключателей на токи отключения 175
2.11. Расчет технико-экономической эффективности внедрения
электротехнических комплексов на тяговых подстанциях постоянного
тока 190
Общие положения 190
Учет внесистемных экономических эффектов 191
Эффект от ускорения строительства, монтажа и наладки тяговой подстанции 191
Экономический эффект у заказчика 192
Эффект в строительно-монтажном производстве 193
Экономическая оценка территорий, отводимых под строительство 193
Экономическая оценка социальных результатов 194
Расчет годового экономического эффекта 196 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 201
3.1. Тяговые подстанции постоянного тока 201
3.1.1. Постановка вопроса 201
3.1.2. Методы анализа переходных процессов при отключении токов
короткого замыкания в тяговой сети постоянного тока 207
3.1.3. Сравнение фидерных выключателей постоянного тока
2хВАБ-49-3200/30-Л и GE Rapid 4207 2 х 4 212
3.1.3.1. Общие положения 212
3.1.3.2. Методика сравнения выключателей по
главным параметрам 215
Сравнение результатов компьютерного моделирования процесса отключения токов короткого замыкания выключателями 2 х ВАБ-49 и GE Rapid 222
Сравнение результатов компьютерного моделирования процесса отключения токов короткого замыкания выключателями 2 х ВАБ-49 и 2xGE Rapid 227
Сравнение выключателей 2хВАБ-49 и GE Rapid по коммутационному и механическому ресурсу 232
Сравнение выключателей по удобству обслуживания и габаритам 233
Сравнение выключателей 2хВАБ-49 и GE Rapid по стоимости (в ценах на январь 2005 г.) 233
3.1.3.8. Выводы 234
3.1.4. Совершенствование разрядного устройства
шунтирования реактора сглаживающего устройства 236
Обоснование необходимости совершенствования существующего разрядного устройства УР-3 236
Разработка усовершенствованного разрядного устройства шунтирования реактора 238
3.2. Совершенствование схемы главных электрических
соединений распределительного устройства 27,5 кВ
тяговых подстанций переменного тока 244
Обоснование предложения о возможности неразрывного соединения фазы «С» с «землей» 244
Обоснование возможности и целесообразности применения однополюсных выключателей на трехфазных присоединениях РУ-27,5 кВ 248
3.2.3. Разработка упрощенных схем распределительного
устройства РУ - 27,5 кВ тяговой подстанции
переменного тока 260
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ
ДЛЯ СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ ЗОНЫ 275
4.1. Система электроснабжения нетяговых потребителей на участках
БАМ с тепловозной тягой 275
4.2. Схемы и конструкции железнодорожных
трансформаторных подстанций 282
Климатические и инженерно-геологические условия Байкало-Амурской железнодорожной магистрали 288
Анализ опыта применения комплектно - блочного метода сооружения трансформаторных подстанций 293
4.4.1. Основные положения комплектно - блочного метода
сооружения трансформаторных подстанций 293
КТП с металлическими ограждающими конструкциями 295
КТП из цельноформованных железобетонных блоков 298
4.5. Расчёт тепловлажностного режима блочно-комплектной
трансформаторной подстанции 303
4.5.1. Расчёт параметров ограждающих конструкций модулей
блочно - комплектной трансформаторной подстанции 303
4.5.2. Режим отопления при расчётной температуре холодного
периода и нахождении ремонтно-профилактического
персонала в одном из модулей. 317
4.6. Разработка комплектно - блочных трансформаторных подстанций 325
4.6.1. Разработка малогабаритных ТП 325
4.6.2. Варианты технических решений малогабаритных ТП 327
4.7. Разработка технических решений по конструктивному выполнению
КБ ТП-35/6(10)/0,4 кВ 330
Конструктивное выполнение комплектно-блочной трансформаторной подстанции напряжением 35/10/0,4кВ 330
Разработка технических требований к конструктивному
выполнению КБ ТП-25/10 кВ 334
4.8. Расчёт технико-экономической эффективности применения
комплектно-блочных трансформаторных подстанций 35 кВ 338
4.8.1 Техническая характеристика сравниваемых вариантов 338
4.8.2. Расчёт сравнительной эффективности базового
и нового вариантов 340
4.8.3. Расчёт экономической эффективности 342
4.9.Выводы 343
5. УСЛОВИЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
НЕТЯГОВЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ В
СЕВЕРНОЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ ЗОНЕ 345
5.1. Опасные ситуации, возникающие при обслуживании сетей
нетягового электроснабжения 345
5.2. Заземление устройств электроснабжения нетяговых потребителей 357
Постановка вопроса 357
Исследование возможности использования свайных фундаментов в качестве естественных заземлителей 365
Заземление удаленных от рельсового пути трансформаторных подстанций 10-35 кВ 375 5.2.3.1 Групповое заземляющее устройство трансформаторных
подстанций напряжением 10/0,4 кВ 379
5.2.3.2. Расчет технико-экономической эффективности
использования свайных фундаментов в групповом
заземляющем устройстве 385
5.3. Экспериментальные исследования сопротивлений растеканию
заземляющих устройств 392
5.3.1. Сопротивление растеканию фундаментов опор
контактной сети 392
Период наибольшего оттаивания грунта 392
Рельсовый путь - естественный заземлитель устройств электроснабжения 398
Измерения сопротивлений растеканию заземляющих устройств в период наибольшего
промерзания грунта 400
Сезонные измерения сопротивлений растеканию заземляющих устройств 407
Экспериментальные исследования работы сложного заземляющего устройства в условиях однофазного замыкания на землю ВЛ-35кВ 418
Токораспределение в сети с изолированной нейтралью при / однофазном замыкании на землю ВЛ-35 кВ 421
Расчет экономического эффекта от применения новых конструкций заземляющих устройств железнодорожного электроснабжения БАМЖД 440
5.5.1. Краткая техническая характеристика сравниваемых вариантов 440
Исходные данные для расчета 441
Расчет годового экономического эффекта 443
5.6. Выводы 448
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 450
ЛИТЕРАТУРА 454
ПРИЛОЖЕНИЯ 472
Введение к работе
Основным направлением научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте является электрификация железных дорог, позволяющая комплексно решать вопросы повышения эффективности работы транспорта и электроснабжения прилегающих районов. На долю электрифицированных линий, протяженность которых составляет около 50% общей протяженности отечественных железных дорог, приходится около 84% перевозок, выполняемых железнодорожным транспортом.
Наряду с устройствами электроснабжения электрифицированных железных дорог значительное место в комплексе железнодорожного электроснабжения занимают системы и устройства электроснабжения нетяговых потребителей на неэлектрифицированных участках, масштабы сооружения которых возросли в связи с освоением северных районов страны. При этом необходимость электропитания железнодорожных нетяговых потребителей, а также поселков на станциях и разъездах приводит к усложнению схемы питания и росту протяженности гальванически соединенных линий передачи, что вызывает трудности в обеспечении надежного электроснабжения, влияющего на бесперебойную работу транспортного конвейера. При этом также сильно усложняется решение вопроса обеспечения электробезопасности обслуживания устройств электроснабжения.
Наряду с сооружением электроустановок на вновь электрифицируемых участках железных дорог в последнее десятилетие проводятся масштабные работы по реконструкции тяговых подстанций, так как значительная часть из находящихся в эксплуатации 1388 подстанций, из которых 447 переменного тока, либо выработала свой срок, либо эксплуатируется с морально устаревшим электрооборудованием. Исключительно быстрыми темпами развивались системы и устройства
железнодорожной электроэнергетики. К настоящему времени в эксплуатации находится около 49000 трансформаторных подстанций и 124000 км высоковольтных линий нетягового электроснабжения. При этом в северной зоне получили применение системы и устройства напряжением 35 кВ. Как показал опыт строительства Байкало - Амурской железнодорожной магистрали, сооружение электроустановок в условиях многолетнемерзлых грунтов требует значительных трудовых и денежных затрат. В частности, сметная стоимость сравнительно небольшой мощности трансформаторной подстанции ТП-2x6300/35/10/0,4 кВ, предназначенной для питания железнодорожных нетяговых потребителей (в том числе особой группы электроприемников первой категории) составляет. 6,263 млн. рублей в ценах 2002 г. При этом стоимость здания составляет 2 млн. руб., оборудования и материалов - 4,043 млн. руб. и электромонтажных работ - 0,22 млн. руб., а сроки ввода в действие подстанции составляют не менее одного года. Реализация такой подстанции в комплектно-блочном исполнении, как показано в диссертационной работе, позволяет, только за счет снижения стоимости подстанции, получить экономию в 1,5 млн. рублей и сократить сроки ввода в действие в 7 - 9 раз. К этому следует добавить, что все другие экономические эффекты (снижение затрат на социальную инфраструктуру для строительно-монтажного и эксплуатационного персонала, возможность сооружения трансформаторной подстанции в полосе отвода железной дороги, обеспечение экологической чистоты и др.) также в пользу комплектно-блочных подстанций.
Проблемам создания и развития более совершенных систем и устройств электроснабжения железнодорожного транспорта, методам их проектирования посвящено большое количество работ отечественных ученых Бадёра М.Щ56], Белова В.В.[58], Бочева А.С.[166], Буркова А.Т.[141,155], Бородулина Б.М.[164], Власова С.Щ190], Германа
11 Л.А.[164, 165], Добровольскиса Т.Щ48], Дынькина Б.Е.[247, 248], Жаркова Ю.И.[161-63], Карякина Р.Н.[209, 224, 225], Косарева Б.И.[61, 187, 189, 192, 198, 221, 226, 227, 230, 236, 241-246, 251, 252], Котельникова А.В.[243], Косарева А.Б.[57], Марквардта К.Г.[104], Мамошина P.P.[6], Мизинцева А.В.[49, 50, 86], Овласюка В.Я.[58], ПупынинаВ.Щб, 126, 128, 130, 131, 132, 141, 149, 155, 156, 158, 159], Сухопрудского Н.Д.[134], Фигурнова Е.П.[160, 162, 163], Чернова Ю.А.[253] и др.
Однако многие задачи в этой области не были решены: не были созданы экономичные и надежные электротехнические комплексы полной заводской готовности для тяговых и трансформаторных подстанции; в связи со строительством Байкало-Амурской магистрали и освоением северной строительной зоны стала особенно актуальна проблема электробезопасности обслуживания линий нетягового электроснабжения на неэлектрифицированных участках, сооружаемых в теле земляного полотна, и трансформаторных подстанций, сооружаемых на значительном удалении от рельсового пути.
Объектом исследования в диссертации является комплекс устройств системы тягового электроснабжения, в первую очередь тяговые подстанции, а также железнодорожных нетяговых потребителей на неэлектрифицированных участках, в первую очередь трансформаторные подстанции и линии продольного электроснабжения, сооружаемые в северной строительной зоне. Развитие и широкое внедрение прогрессивных систем тягового электроснабжения, методов обслуживания тяговых и трансформаторных подстанций пришло в противоречие со способами их сооружения и монтажа. В электроснабжении нетяговых потребителей требуют разработки качественно новых систем и технических решений, позволяющих повысить надежность функционирования трансформаторных подстанций и линий электропередачи. В силу
этого предмет исследования - совместное изучение технического и технологического аспектов развития тяговых и трансформаторных подстанций, а также систем и устройств электроснабжения нетяговых потребителей с учетом функционирования их в условиях эксплуатации.
Решение проблемы совершенствования методов строительства и монтажа устройств железнодорожного электроснабжения связано с техническим перевооружением устройств электроснабжения, а также с разработкой и внедрением более совершенных технологий, обеспечивающих высокое качество работ и повышение производительности труда на строительных площадках.
Основным направлением технического прогресса в области сооружения, монтажа и наладки устройств электроснабжения является повышение заводской готовности узлов и элементов электроустановок (тяговых и трансформаторных подстанций) с производством большинства работ по их изготовлению на заводах, чтобы на строительных площадках выполнять только установку и монтаж укрупненных узлов.
Разработка новых технических и технологических решений для тяговых и трансформаторных подстанций и линий нетягового электроснабжения, включая заземляющие устройства электроустановок, на неэлектрифицированных участках железной дороги особенно актуальна при производстве работ в северной строительной зоне. Объясняется это трудностями при строительстве и монтаже электроустановок, обусловленными сложными инженерно-геологическими и суровыми климатическими условиями, а также значительным рассредоточением большого числа средних и мелких устройств железнодорожного электроснабжения, расположенных не только вблизи железной дороги, но и на значительном удалении от нее.
Наиболее эффективным методом сооружения, монтажа и наладки подстанций является комплектно-блочный метод (КБМ), в основу которого положен принцип агрегатирования оборудования, строительных конструкций, изделий, деталей и образования строительно-технологических комплексов полной заводской готовности, называемых в дальнейшем электротехническими комплексами. При этом подстанция на строительной площадке сооружается из электротехнических комплексов различного назначения, работы по изготовлению которых (включая наладку) осуществляют в наиболее благоприятных условиях на предприятиях-изготовителях.
С учетом отмеченного выше укажем еще на одно важное обстоятельство, обусловливающее необходимость создания электротехнических комплексов полной заводской готовности. Речь идет о надежности электроустановки (подстанции). При традиционной технологии и приемлемых затратах сложно обеспечить конструктивную надежность электрооборудования и электроустановок, что отрицательно сказывается на их надежности в условиях эксплуатации. Для доказательства этого утверждения достаточно сравнить условия производства работ на линейных объектах (квалификация строительного и электромонтажного персонала, качество работ, климатические условия, проблемы сохранения характеристик оборудования, материалов и изделий и т.д.) с условиями на предприятиях-изготовителях электротехнических комплексов. Опыт 10 лет эксплуатации 18-20 комплектно- блочных тяговых подстанций, изготовленных и внедренных ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» на разных участках железных дорог, показал, что одной аварии на указанных подстанциях не было, т.е. их надежность существенно выше надежности аналогичных традиционных подстанций.
Соискатель рассматривает два варианта создания комплектно-блочных тяговых и трансформаторных подстанций. Первый вариант
предусматривает сооружение и монтаж подстанций с использованием функциональных электротехнических комплексов РУ-27,5 и 35 кВ; РУ-ЮкВ; РУ-10кВ СЦБ; РУ-3,3 кВ; полупроводниковых выпрямителей (преобразователей); сглаживающего устройства; собственных нужд переменного и постоянного тока; аккумуляторной батареи; общепод-станционного пункта управления. Кроме перечисленных комплексов на подстанции предусматриваются производственный и бытовой комплексы для ремонтно-профилактического персонала. Подстанции автоматизированные и телемеханизированные без постоянного обслуживающего персонала. Второй вариант предусматривает сооружение и монтаж подстанций полностью из электротехнических комплексов. В работе показано, что на данном этапе экономически целесообразнее реализовать первый вариант. Именно он и реализован.
Изначально ставилась задача создать комплектно-блочные подстанции по первому варианту более надежные, чем традиционные. Для этого необходимо было изучить работу индустриально сооружаемых электроустановок, включая 8 отечественных комплектных тяговых подстанций постоянного тока, построенных на участке Уджары-Баку Азербайджанской ж.д.в 1969 г., сформулировать принципы создания электротехнических комплексов, определить задачи, которые необходимо решить в первую очередь, обосновать пути совершенствования технических и технологических решений. Рассмотрению перечисленных выше задач посвящена первая глава.
В главе I проанализирован период, охватывающий строительные, электромонтажные и пусконаладочные работы, а также 2,5 года эксплуатации 8 комплектных подстанций постоянного тока, построенных на участке Уджары-Баку Азербайджанской ж.д. При этом проводились не только наблюдения за работой комплектных подстанций и подстанций традиционного исполнения, находящихся на том же участ-
ке, но и инструментальные измерения тепловлажностных режимов, в которых работает электрооборудование.
Экспериментальные исследования позволили оценить характеристики ограждающих конструкций закрытых блоков-комплексов РУ-10 и 3,3 кВ и установленного в них оборудования. Из исследований вытекало, что принципы построения блоков - комплексов таковы, что в них невозможно обеспечить нормальную работу оборудования. Многочисленные аварии на комплектных подстанциях лучшее тому доказательство. Традиционные подстанции на том же участке работали значительно надежнее. Из 8 комплектных подстанций на 3 подстанции, расположенные вблизи Каспийского моря, приходится более 60% всех аварий.
Анализ производства электромонтажных и пусконаладочных работ показал, что для линейных организаций, в первую, очередь, необходимо разработать приемлемые методы и средства: а) прогрева силовых масляных трансформаторов; б) ускоренного приготовления элек-тролита;в)повышения точности калибровки быстродействующих выключателей.
Анализ зарубежного опыта сооружения тяговых подстанций и отечественного опыта сооружения трансформаторных подстанций 110(220)кВ не позволил добыть положительных идей. Объяснялось это тем, что если по характеристикам электрооборудования наша страна уступала зарубежным, то в области индустриализации железнодорожные электроустановки были еще впереди.
