Содержание к диссертации
Введение
Оглавление
1.2 Особенность условий работы силовых трансформаторов подстанций
1.3 Износ изоляции обмоток тяговых трансформаторов 31
2 Мероприятия по снижению интенсивности износа
2.1 Пофазный контроль износа изоляции обмоток 40
2.2 Выбор схем питания тяговой сети 43
2.3 Новые схемы подключения тяговых трансформаторов 47
3 Продление срока эксплуатации тяговых трансформаторов по износу изоляции обмоток 56
3.3 Влияние количества схем подключения трансформаторов на
4 Технико-экономическая эффективность выбора схем подключения действующих тяговых трансформаторов
4.1 Анализ состояния тяговых трансформаторов участка железной дороги 77
4.2 Выбор новых схем подключения 89
Заключение 103
Список литературы
- Износ изоляции обмоток тяговых трансформаторов
- Выбор схем питания тяговой сети
- Новые схемы подключения тяговых трансформаторов
- Анализ состояния тяговых трансформаторов участка железной дороги
Введение к работе
Актуальность темы исследования. По данным холдинга ОАО «РЖД» в 2014 году расход электрической энергии на тягу поездов и объемы перевозки грузов составляли соответственно 40,6 млрд кВт-ч и 1226,9 млн тонн. Компания является одним из крупнейших потребителей электрической энергии в Российской Федерации.
Эксплуатационная длина электрифицированных железных дорог России насчитывает 43,35 тысяч км, в том числе на переменном токе 24,65 тысяч км. Система тягового электроснабжения включает 1422 подстанций, 763 из которых требуется модернизация и реконструкция.
Основным и наиболее дорогостоящим оборудованием тяговых подстанций железных дорог являются силовые трансформаторы. Нормативный срок службы силового маслонаполненного трансформатора в основном определяется разрушением твердой изоляции обмоток. Полный срок службы отработали более 81 % силовых и понижающих трансформаторов тяговых подстанций.
Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года предусматривает повышение эффективности функционирования системы тягового электроснабжения посредством модернизации и реконструкции, продления срока эксплуатации дорогостоящего оборудования, сокращения удельных затрат на его обслуживание и др. Модернизация и реконструкция системы тягового электроснабжения являются долгосрочной программой развития и требуют значительных капитальных вложений. Вследствие существующего дефицита финансирования темпы обновления силовых трансформаторов в значительной степени уступают темпам их старения.
Следовательно, тема диссертационного исследования - повышение эффективности эксплуатации силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока в условиях их значительного износа - является актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Диссертационное исследование выполнено на основе результатов работ известных отечественных и зарубежных ученых, которые занимались вопросами анализа технического состояния силовых трансформаторов: Б. А. Алексеева, И. В. Давиденко, Ю. Н. Львова, М. Хиткоута, С. В. Кулкарни и др.; нагрузочной способности и износа изоляции обмоток силовых трансформаторов: Я. Д. Баркана, В. В. Боднара, В. П. Васина, С. Б. Васютинского, А. В. Иванова-Смоленского, В. М. Монтзингера и др.; функционирования силовых трансформаторов на тяговых подстанциях системы электроснабжения железной дороги переменного тока: М. П. Бадера, В. Д. Бардушко, Ю. М. Бея, А. С. Бочева, В. П. Закарюкина, А. В. Крюкова, Р. Р. Мамошина, Г. Г. Марк-вардта, К. Г. Марквардта, В. Н. Пупынина, Е. П. Фигурнова, Т. В. Щурской и др.
Объектом исследования являются факторы, влияющие на срок эксплуатации силовых трансформаторов подстанций системы тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ по износу изоляции обмоток.
Предметом исследования являются мероприятия, направленные на продление срока эксплуатации силовых трансформаторов подстанций системы тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ по износу изоляции обмоток.
Цель исследования – разработка мероприятий, направленных на повышение эффективности эксплуатации силовых трансформаторов за счет продления срока их эксплуатации по износу изоляции обмоток.
Для достижения поставленной цели сформулированы основные задачи.
-
Анализ износа изоляции обмоток силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока.
-
Разработка способа учета износа изоляции обмоток силовых трансформаторов тяговых подстанций.
-
Разработка нового способа подключения силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока.
-
Усовершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока.
-
Разработка алгоритмов выбора схем питания тяговой сети и подключения силовых трансформаторов по новым схемам.
-
Оценка технико-экономической эффективности разработанных мероприятий.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем.
-
Разработан способ пофазного учета износа изоляции обмоток силовых трансформаторов подстанций системы тягового электроснабжения железной дороги переменного тока, позволяющий провести анализ интенсивности и неравномерности износа изоляции обмоток.
-
Разработан новый способ подключения силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока к распределительным устройствам по новым схемам, обеспечивающий снижение интенсивности износа изоляции обмотки.
-
Разработан алгоритм выбора новых схем подключения силовых трансформаторов, посредством которого снижается неравномерность износа изоляции обмоток к концу срока эксплуатации трансформаторов.
Теоретическая и практическая ценность результатов диссертационного исследования заключается в следующем.
-
Доказана неравномерность износа изоляции обмоток силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока.
-
Предложенный способ пофазного учета износа изоляции обмоток позволяет определить мероприятия, направленные на продление срока эксплуатации трансформаторов.
-
Разработанный способ подключения силовых трансформаторов обеспечивает продление срока их эксплуатации за счет снижения интенсивности износа изоляции обмотки с наибольшим износом в новой схеме подключения.
-
Разработанный алгоритм выбора новых схем подключения силовых трансформаторов служит основой при определении мероприятий для продления срока их эксплуатации по износу изоляции обмоток за счет снижения неравномерности износа.
-
Усовершенствована система тягового электроснабжения железной дороги переменного тока устройствами пофазного контроля износа изоляции обмоток и автоматического выбора схем питания тяговой сети.
-
Разработана и внедрена методика выбора схем подключения действующих силовых трансформаторов, позволяющая снижать приведенные затраты на их эксплуатацию при реконструкции тяговых подстанций железных дорог переменного тока.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии при обосновании неравномерности износа изоляции обмоток силовых трансформаторов тяговых подстанций переменного тока; формулировании гипотезы о возможности снижения неравномерности износа изоляции обмоток за счет выбора схем подключения трансформаторов к распределительным устройствам подстанции; разработке алгоритмов; во внедрении разработанных мероприятий в практическую деятельность.
Методы исследования. Полученные в работе результаты теоретических исследований базируются на использовании методов анализа сложных систем, математической статистики, электротехники, теплопередачи, химической кинетики, теории математического моделирования и динамического программирования работы системы тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ.
Положения, выносимые на защиту
-
Способ пофазного учета износа изоляции обмоток силовых трансформаторов тяговых подстанций системы электроснабжения железной дороги переменного тока.
-
Способ подключения силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока по новой схеме.
-
Алгоритм выбора новых схем подключения в течение срока эксплуатации силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока.
-
Усовершенствованная система тягового электроснабжения железной дороги переменного тока, содержащая устройства пофазного контроля износа изоляции обмоток силовых трансформаторов и автоматического выбора схемы питания тяговой сети.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается обоснованностью полученных выводов, базирующихся на строго доказанных и корректно используемых положениях фундаментальных и прикладных наук, результатах работ ученых и специалистов, посвященных проблемам повышения эффективности
эксплуатации силовых трансформаторов. Новизна технических решений, представленных в работе, подтверждена тремя патентами на изобретение.
При выполнении практической части исследования использовались статистические данные технико-экономических показателей работы реальных тяговых подстанций, полученные на сертифицированных устройствах учета электрической энергии, и стандартные методы расчета системы тягового электроснабжения, применяемых в проектной практике.
Основные положения работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-практической конференции «Электропривод на транспорте и в промышленности» (г. Хабаровск, 25–27 сентября 2013 г., ДВГУПС); 7-м международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта», Eltrans'2013 (г. Санкт-Петербург 9–11 октября 2013 г. ПГУПС); Всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (г. Хабаровск, 24–25 мая 2014 г. ДВГУПС); техническом семинаре (г. Хабаровск, 26 февраля 2015 г., Дальневосточная дирекция управления движением); Всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (г. Хабаровск, 21–23 апреля 2015 г. ДВГУПС); 8-м международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта», Eltrans'2015 (г. Санкт-Петербург 7–9 октября 2015 г. ПГУПС); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности транспортной системы региона: проблемы и перспективы» (г. Хабаровск, 21–22 октября 2015 г. ДВГУПС); заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Системы электроснабжения» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 2012–2016 гг.).
Научные достижения. Новизна и значимость полученных результатов диссертационного исследования признана награждением автора дипломом за III место (Всероссийский конкурс научных работ среди студентов и аспирантов по транспортной проблематике) в номинации «Инновационный, безопасный, экологичный и эффективный железнодорожный транспорт» за подготовку научной концепции на тему «Повышение эффективности работы силовых трансформаторов тяговых подстанций переменного тока 25 кВ».
Результаты работы внедрены на Уссурийской дистанции электроснабжения ДВостЖД для определения вариантов задания на разработку проектов при реконструкции тяговых подстанций, учитывающих продление срока эксплуатации силовых трансформаторов, а также в учебный процесс кафедры «Системы электроснабжения» ДВГУПС при подготовке студентов по направлению 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов» (специализация «Электроснабжение железных дорог») и на курсах повышения квалификации работников железнодорожного транспорта, обучающихся в институте дополнительного образования ДВГУПС.
Публикации. Основные выводы и предложения по рассматриваемым в диссертации вопросам нашли отражение в 12 печатных работах общим объемом 8,37 печ. л., в том числе в 4 статьях журналов, определенных перечнем ВАК РФ, в 3 патентах на изобретения и в 1 издании, входящем в международную систему цитирования Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 134 наименований и двух приложений, содержит 119 страниц текста, включая 21 рисунок и 23 таблицы.
Износ изоляции обмоток тяговых трансформаторов
На подстанциях с постоянным дежурным персоналом очередные осмотры производят 1 раз в сутки, внеочередные осмотры - по показаниям термометров, действию газовой или дифференциальной защит [33,101].
Межремонтные испытания проводят с целью контроля эксплуатационной надежности, безопасности для персонала [101] и проверки основных технических характеристик узлов силовых трансформаторов [51], выполняют с определенным объемом и периодичностью, установленными в методических указаниях и стандартах организации [46,49,58]. Например, для силовых трансформаторов тяговых подстанций мощностью 25 MB А и выше межремонтные испытания проводят по мере необходимости, а тепловизионный контроль - не реже 1 раза в 2 года [93].
Оценку состояния изоляции обмоток силовых трансформаторов при межремонтных испытаниях получают по результатам анализа частичных разрядов и вла-госодержания твердой изоляции обмоток, хроматографического анализа и фурано-вых соединений масла [79]. Например, твердую изоляцию обмоток трансформатора считают сухой при влагосодержании - 0,5-1,0%. При частичных разрядах менее 100 пКл изоляция обмоток имеет бездефектное состояние [48].
При межремонтных испытаниях определяют следующие характеристики масла [48]: - общие: плотность, вязкость, температуру вспышки и др.; - старения: tgS, кислотное число, удельное сопротивление, поверхностное натяжение и др.; - продуктов деградации материалов: хроматографический анализ газов и определение концентрации фурановых соединений; - параметров электрической прочности: пробивное напряжение, влагосодер-жание, оценка отфильтрованного осадка под микроскопом и др. Определение увлажнения твердой изоляции обмоток производят по влагосо-держанию масла после прогрева силового трансформатора. Пробы масла отбирают до прогрева и после при температуре 65±5 С через 12, 24, 48 и 72 часа. Значение влагосодержания твердой изоляции обмоток (w) определяют [48] по формуле W = WQ+10AW (1.5) где wo - влагосодержание изоляции обмоток в условиях равновесия до прогрева; Aw - прирост влагосодержания масла за время выдержки при температуре 65±5 С. Хроматографическим анализом газов, как правило, оценивается концентрация: водорода (Ш), метана (СШ), этана (СгШ), ацетилена (С2Н2), этилена (С2Н4), оксида углерода (СО), диоксида углерода (СОг), кислорода (О2), азота (N2) [1,107, 108]. Например, по концентрации СО и СОг оценивают соответственно пиролиз изоляции и окисление масла, сопровождающееся поглощением кислорода [67].
Оценка фурановых соединений производится хроматографическими методами с периодичностью - 1 раз в 12 лет, после 24 лет эксплуатации - 1 раз в 4 года [58]. Как правило, измеряют следующие фурановые соединения: фурфуральдегид или фурфурол (2 FAL), гидроксиметилфуран (5 MEF) и др. Метод определения 2 FAL изложен в стандарте ГОСТ Р МЭК 61198 [43]. По содержанию в масле фурановых производных определяют износ изоляции обмоток [44]. Рост концентрации 2 FAL указывает на быстрый износ изоляции обмоток [2]. Через концентрацию фурановых соединений определяют значение степени полимеризации (СП) изоляции обмоток [46,47], являющейся главной характеристикой износа изоляции [67]. При достижении изоляцией обмоток СП 250 единиц ее ресурс считается исчерпанным [58].
Определять СП [116] можно по формуле (1.6), а фактический ресурс изоляции обмоток трансформатора по (1.7) [67]. ресурс (лет) log2 (FAL) = —0,00287 СП+3,4, 13350 е&+273 (1/250)-(і/СПд) А-24-365 (1.6) (1.7) где А - показатель скорости старения, обусловленного влиянием влаги, кислот и кислорода; СПо - степень полимеризации на начало рассматриваемого промежутка времени; S - температура наиболее нагретой точки обмотки, С. Рациональное ведение технического обслуживания силовых трансформаторов основано на методах и средствах технического диагностирования [81].
Целью технического диагностирования является получение достоверной и объективной информации о техническом состоянии узлов и систем силовых трансформаторов и последующее ее использование для разработки рекомендаций по эффективной эксплуатации трансформаторов, обеспечивающей надежность и работоспособность [72,101 и др.]. Методами технического диагностирования [101]: - прогнозируют остаточный ресурс и безотказную работу силовых трансформаторов в течение расчетного промежутка времени до очередного ремонта и необходимость его корректировки; - выполняют поиск и анализ внутренних причин отказа силовых трансформаторов; - определяют техническое состояние трансформатора и его узлов в процессе эксплуатации. Техническое диагностирование позволяет экономить средства за счет ограничения объемов осмотров, проверок, испытаний и ремонтов [101]. Современной формой технической диагностики дорогостоящего оборудования подстанций является мониторинг [3,114,126 и др.]. Цель мониторинга силовых трансформаторов - определение фактического технического состояния для поддержания работоспособности. Как правило, для определения состояния изоляции обмоток система мониторинга силовых трансформаторов на подстанциях выполняет контроль температуры верхних слоев масла и тока обмоток, по которым предусмотрен расчет них обмотки [72]. На современных подстанциях за рубежом система мониторинга состояния изоляции обмоток силовых трансформаторов выполняет функции: - контроля температуры верхних слоев трансформаторного масла и наиболее нагретых точек обмоток, газосодержания и влагосодержания в масле [103,134]; - определения износа изоляции, температуры образования пузырьков в масле [126];
Выбор схем питания тяговой сети
В параграфе 1.3 доказано, что интенсивность износа изоляции обмотки AX (CZ) тяговых трансформаторов подстанций электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ выше, чем обмотки BY, что обусловлено особенностью распределения тока однофазных тяговых нагрузок по обмоткам трехфазных трансформаторов.
Для определения интенсивности износа изоляции обмоток AX, BY и CZ тяговых трансформаторов необходим пофазный контроль износа. В диссертационном исследовании разработан способ пофазного учета износа изоляции обмоток. Применение способа рассмотрено на примере обмоток AX, BY и CZ высшего напряжения. Способ содержит формулы определения пофазного износа изоляции обмоток, интенсивности износа за расчетные периоды и устройство контроля износа изоляции обмоток тяговых трансформаторов.
Пофазный учет износа изоляции обмоток высшего напряжения выполнен на основе уравнений профессора В. П. Васина. Износ изоляции каждой обмотки определен суммой износа за отдельный i-й интервал квантования измерения продолжительностью At, при котором ннт обмоток, влагосодержание изоляции, кислотное число и концентрация кислорода трансформаторного масла могут быть приняты постоянными. При этом уравнения для определения износа изоляции обмоток имеют следующий вид: m г- .где Ьдх, LBY И LCZ -ИЗНОС ИЗОЛЯЦИИ обмоток AX, BY и CZ высшего напряжения тягового трансформатора; &АХ, , BYi, и 0cz1 " температуры наиболее нагретых точек обмоток АХ, BY и CZ высшего напряжения при измерении с порядковым номером і; і - порядковый номер измерения, і =1, 2 ... m. m - количество измерений износа изоляции обмоток, m = Т/At; Т - расчетное время эксплуатации трансформатора; Пофазный учет интенсивности износа изоляции обмоток высшего напряжения тягового трансформатора за время Т выполним по формулам:
Для определения износа изоляции обмоток по формуле (2.1) необходима система мониторинга факторов, влияющих на интенсивность износа изоляции. Согласно анализу, представленному в параграфе 1.1, современная техника и технологии позволяют определять продукты старения изоляции обмоток и факторы, влияющие на его интенсивность. При этом возможно осуществлять контроль износа изоляции каждой обмотки тяговых трансформаторов с учетом пиролиза, гидролиза и окисления. Действующие тяговые трансформаторы подстанций железных дорог переменного тока не обеспечены соответствующим мониторингом состояния изоляции обмоток.
В диссертационном исследовании предложена усовершенствованная система электроснабжения железных дорог переменного тока 25 кВ с устройством пофаз-ного контроля износа изоляции обмоток тяговых трансформаторов с учетом пиролиза, гидролиза и окисления. Структурная схема устройства изображена на рис. 2.1. лэп 3 5 Рис. 2.1. Структурная схема устройства контроля износа изоляции обмоток тяговых трансформаторов
Разработанное устройство содержит датчики: влажности трансформаторного масла 1; концентрации О2 масла 2; ннт обмоток тяговой нагрузки и обмоток высшего напряжения 6; кислотного числа масла 7. Установленные датчики соединены каналами связи 3 с блоками преобразования сигналов 4, которые подключены к блоку расчета износа изоляции обмоток 5. Блок расчета представляет собой ЭВМ с соответствующим программным обеспечением для пофазного определения износа изоляции обмоток.
От датчиков нш обмоток тяговых нагрузок, обмоток высшего напряжения, влажности, концентрации кислорода и кислотного числа трансформаторного масла по каналам связи передаются данные на блок преобразования сигналов (при необходимости), а затем на ЭВМ, которая определяет износ изоляции обмотки тягового трансформатора за расчетное время Т в соответствии с формулами (2.1).
Дискретность значений датчиков в соответствии c руководством по настройке системы мониторинга силовых трансформаторов [131] может составлять, например, 1 с.
Разработанное устройство позволяет определять фактический износ изоляции обмоток тяговых трансформаторов, в соответствии с которым можно контролировать интенсивность и организовывать техническое обслуживание и ремонт по состоянию, а также разрабатывать мероприятия, направленные на продление срока эксплуатации трансформаторов.
В параграфе 1.3. выполнен анализ влияния схем питания тяговой сети на интенсивность износа изоляции обмоток трансформаторов подстанций. Полученные результаты подтверждают возможность снижения тока плеча и соответственно интенсивности износа изоляции обмоток тяговых трансформаторов за счет выбора схем питания тяговой сети.
В диссертационном исследовании рассмотрена работа отдельных участков системы электроснабжения железных дорог переменного тока 25 кВ, на которых мощность плеча питания в отдельные периоды времени направлена в сторону одной из подстанций, питающих тяговую нагрузку соответствующей межподстанци-онной зоны. Такая ситуация характерна для участков с резко переменными нагрузками и значительным уравнительным током тяговой сети.
Новые схемы подключения тяговых трансформаторов
При общепринятой схеме подключения тягового трансформатора износ изоляции обмоток неравномерный (см. рис. 2.3).
Приведенные в предыдущей главе схемы подключения тяговых трансформаторов уменьшают интенсивность износа изоляции только одной из обмоток и не обеспечивают снижения неравномерности износа.
Для снижения неравномерности износа изоляции обмоток тягового трансформатора за счет выбора схем подключения на основе мониторинга состояния изоляции обмоток необходимо решить следующие задачи. 1. Анализ износа изоляции обмоток с учетом его интенсивности и неравномерности. 2. Определение времени подключения тягового трансформатора по новой схеме. 3. Выбор новой схемы подключения тягового трансформатора. 4. Подключение трансформатора по новой схеме, обеспечивающей фази-ровку тяговой и районной сетей предыдущей схемы. 5. Оценка снижения интенсивности износа изоляции обмотки с наибольшим износом в новой и предыдущей схеме. 6. Минимизация количества схем подключения трансформатора за срок его эксплуатации. Решение сформулированных выше задач выполним на основе теории метода динамического программирования, суть которого изложена в работах ученых Р. Ариса и Р. Беллмана [4,11].
Метод динамического программирования посвящен решению задач определения экстремального значения целевой функции и выбора оптимальной стратегии управления процессом [4], в котором существенную роль играет время и порядок выполнения операций [11].
В соответствии с методом динамического программирования определим следующие элементы в решении задачи снижения неравномерности износа: фазовые переменные, управляющие переменные, уравнение процесса, ограничения и целевую функцию [4,11,22].
Фазовыми переменными являются: схема подключения тягового трансформатора, напряжение правого и левого плеча питания подстанции, наименее нагруженная фаза ЛЭП, температура наиболее нагретых точек обмоток, влаго-содержание изоляции, кислотное число и концентрация кислорода в трансформаторном масле. Фазовые переменные влияют на интенсивность износа изоляции обмоток [22].
Управляющими переменными примем: время подключения по новым схемам вводов «Ат», «Вт» и «Ст» трансформатора к фазам ЛЭП, вводов «а», «Ь» и «с» к тяговой сети и вводов «ар, «Ьр» и «ср» к районной сети; количество новых схем подключения; среднее значение износа изоляции обмоток трансформатора для каждой схемы подключения. При этом схема подключения трансформатора определяет доли токов плеч питания подстанции в обмотках, а время схемы -длительность их протекания [22].
Уравнение процесса - износ изоляции обмоток тягового трансформатора с учетом: факторов, влияющих на интенсивность износа; схемы его подключения к распределительным устройствам подстанции; времени схемы и количества схем [22].
Ограничение определяется предельно допустимым износом изоляции обмотки трансформатора с максимальным износом [22].
Целевая функция - приведенные годовые затраты на эксплуатацию тягового трансформатора [22]. Максимальный срок эксплуатации трансформатора по износу изоляции обмоток получим выбором рациональной стратегии подключения по новым схемам (см. параграф 2.3) в течение работы трансформатора. В соответствии с поставленной задачей стратегия подключения трансформаторов является рациональной при максимальном сроке эксплуатации трансформатора по износу изоляции обмоток и минимальных приведенных годовых затратах на эксплуатацию. При этом к концу срока эксплуатации трансформатора неравномерность износа изоляции обмоток минимальна, что соответствует соотношению
Рассмотрим два способа подключения трансформатора к распределительным устройствам подстанции по новым схемам, обеспечивающим снижение неравномерности износа изоляции обмоток к концу срока эксплуатации трансформатора [22].
Первый способ: выбор схемы, позволяющей уменьшить интенсивность износа изоляции обмотки трансформатора с наибольшим износом, лимитирующей срок его эксплуатации. Такой способ реализуется подключением тяговой обмотки с максимальным износом изоляции в предыдущей схеме к контактной сети левого и правого плеча питания в последующей схеме через соответствующие два ввода. Третий ввод обмоток, соединенных в треугольник, подключается к рельсовой сети. При этом присоединение вводов обмоток высшего напряжения выполняется таким образом, чтобы обеспечить фазировку тяговой и районной нагрузки предыдущей схемы [22].
Второй способ: выбор схемы, позволяющей увеличить интенсивность износа изоляции обмотки трансформатора с наименьшим износом. Для этого определяется схема подключения трансформатора, при которой обмотка с наименьшим износом изоляции подключается к наиболее загруженному плечу питания подстанции. Наибольшая нагрузка плеча увеличит интенсивность износа изоляции данной обмотки [22].
Оба способа равнозначны в решении поставленной задачи, направленной на снижение неравномерности износа изоляции обмоток. Однако лимитирующей работу трансформатора является обмотка с наибольшим износом изоляции, следовательно, принимаем первый способ, в котором обмотку с максимальным износом изоляции подключаем таким образом, чтобы ее интенсивность износа в новой схеме была минимальной [22].
Критерием перехода от одной схемы j к следующей схеме j+І подключения является среднее значение износа изоляции обмоток трансформатора в схеме j. Среднее значение износа изоляции обмоток трансформатора L; для схемы с порядковым номером j определяется как среднее арифметическое значение суммы износа изоляции обмоток по формуле
Анализ состояния тяговых трансформаторов участка железной дороги
В диссертационной работе решена задача продления срока эксплуатации тяговых трансформаторов по износу изоляции их обмоток посредством выбора схем подключения, приводящего к снижению неравномерности износа, на основе мониторинга состояния изоляции обмоток.
Рассмотрим применение разработанных мероприятий для действующих тяговых трансформаторов подстанций Дальневосточной железной дороги (ДВостЖД).
Современное состояние тяговых трансформаторов подстанций ДВостЖД характеризуется значительным сроком их эксплуатации. Более 50 % тяговых трансформаторов отработали полный срок службы, который составляет не менее 25 лет.
В настоящее время на основе данных о фактическом состоянии изоляции обмоток [3], а также надежности работы за истекший период, техническом уровне, сроке эксплуатации в отношении к полному сроку службы, росте нагрузок [61], принято оставлять действующие тяговые трансформаторы, главным образом по причине их высокой стоимости. Кроме того, электрические параметры новых тяговых трансформаторов, характеризующие экономичность работы, потери холостого хода и короткого замыкания, длительное время сохраняются постоянными.
Например, силовой трансформатор типа ТДТНЖ-40000/220 производства 1981 года по своим основным электрическим характеристикам Pхх = 51 кВт и Pз = 200 кВт (паспортные данные к действующему тяговому трансформатору) соответствует трансформатору типа ТДТНЖ-40000/220, изготовляемому в 2016 году, - Pхх = 51 кВт и Pз = 200 кВт (данные из номенклатурного каталога компании ООО «Тольяттинский Трансформатор» [55]). Согласно результатам испытаний хозяйства электрификации и электроснабжения ДВостЖД тяговые трансформаторы, установленные на включенных в план реконструкции подстанциях, находятся в исправном состоянии. Хроматографиче-ский анализ трансформаторного масла не выявил наличия внутренних дефектов, в том числе и изоляции обмоток. Проектом реконструкции данных подстанций предусмотрено оставление действующих тяговых трансформаторов для дальнейшей их эксплуатации.
Однако срок эксплуатации тяговых трансформаторов на рассматриваемых подстанциях превышает полный срок службы и составляет: для трансформаторов подстанции № 1 - 33 года, подстанций № 2; 3 - 35 лет. При этом подстанции за 2013-2015 годы перерабатывали от 98 до 133 ГВт-ч/год электрической энергии на тягу поездов. Тяговые трансформаторы на рассматриваемых подстанциях находятся в зоне риска по износу изоляции обмоток. Применение для них мероприятий увеличения срока эксплуатации по износу изоляции обмоток является актуальной задачей. Например, на одной из железных дорог Сибири практически каждый пятый отказ тяговых трансформаторов (19 % случаев [5]) обусловлен выходом из строя его обмоток, в том числе по причине износа их изоляции.
Продление срока эксплуатации тяговых трансформаторов, согласно разработанным схемам подключения, выполнено по способу, изложенному во второй и третьей главе диссертации, и рассмотрено на примере трансформаторов тяговых подстанций ДВостЖД под номерами 1, 2 и 3.
На подстанциях, включенных в план реконструкции, установлено по 2 тяговых трансформатора типа ТДТНЖ-40000/220/27,5/10 с климатическим исполнением ХЛ-1. На тяговой подстанции 1 трансформаторы введены в эксплуатацию в 1983 году, а на подстанциях 2иЗ-в1981 году. Основные электрические параметры силовых трансформаторов представлены в табл. 4.1.
Фазировка участка тяговой сети, представлена в табл. 4.2, в которой указаны напряжение левого и правого плеча питания и наименее загруженная фаза ЛЭП. Таблица 4.2 - Фазировка тяговой сети дистанции электроснабжения
В соответствии с разработанной алгоритмом выбора схем подключения тяговых трансформаторов определим наиболее нагруженную обмотку, износ изоляции которой наиболее интенсивный, по показаниям приборов учета электрической энергии расчетной группы фидеров тяговых подстанций 1, 2 и 3 за период 01.01.13 -31.12.15. Результаты показаний по годам представлены соответственно в табл. 4.3-4.5.