В данной программе предусмотрены два вида расчетов:

– специализированные, для определения параметров тяговой нагрузки, используемых при электрических расчетах на основе моделирования графиков движения поездов;

– общего назначения, результаты которых используются, например, для определения времен хода и расходов электроэнергии, выбора массы состава и требуемого числа локомотивов, построения кривых тока и т.д.

Рисунок 2.2 – Главное меню программы Trelk

Для получения результатов необходимы исходные данные, а именно: марка локомотива, масса и длина состава, данные об участке дороги.

Для моделирования участка дороги будет использована программа Uchastk. Исходными данными к моделированию являются:

– число главных путей;

– данные о раздельных пунктах, категории и типах поездов, места их остановок;

– продольный профиль пути.

Моделирование движения поезда осуществляется в соответствии с заданными уставками регулирования скорости, массой состава и кратностью тяги, наличием остановок на раздельных пунктах, а также в зависимости от параметров движения: начальной скорости, напряжения в контактной сети, максимальной позиции контроллера и других параметров.

После выполнения тяговых расчетов будут получены данные о расходе электрической энергии поездами, время хода поезда по перегонам (полное и под током). Так же на основании результатов расчетов будут построены графики усредненного тока поездов четного и нечетного направлений.

Для расчета расходов электроэнергии по тяговым подстанциям используется программа KA_PN. В данной программе будет произведен расчет расхода электроэнергии по плечам тяговых подстанций на основе построенного графика движения поездов на рассматриваемом участке.

Исходными данными для расчета расходов электроэнергии по тяговым подстанциям в программе KA_PN являются:

– параметры системы тягового электроснабжения – типы силовых трансформаторов тяговых подстанций; параметры тяговой сети – типы контактных подвесок, тип рельса, число путей;

– результаты тяговых расчетов для поездов четного и нечетного направлений, графики движения поездов для расчетного размера движения пар поездов в сутки;

– схема электроснабжения рассматриваемого участка.

Для выбора новых схем подключения тяговых трансформаторов, с целью уменьшения степени износа изоляции его обмоток, необходимо определить наиболее загруженное плечо подстанции. Используя схему электроснабжения, состоящую из трех подстанций решить эту задачу нельзя, поэтому необходимо отредактировать данную схему и добавить еще две дополнительные подстанции.

Программа KAUbas позволит отредактировать исходную схему с учетом, установленных на подстанциях трансформаторов, марок проводов контактной сети, наличия на межподстанционных зонах ППС и ПС и компенсирующих устройств.

График движения поездов строится с помощью программы KgrafDv совместно с данными тяговой нагрузки переменного тока 27,5 кВ.

Рисунок 2.3 – Окно редактора графиков движения

При построении графиков используются следующие характеристики участков и нормативы (элементы графика): список раздельных пунктов, на которых разрешены обгон и скрещение поездов, продолжительность стоянок на каждой станции, значения станционных интервалов и перегонные времена хода поездов различных категорий.

3 АНАЛИЗ МЕРОПРИЯТИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПРОДЛЕНИЕ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

3.1 Износ обмоток тяговых трансформаторов

Силовые трансформаторы занимают особое место в электроэнергетической системе. Их задачей является преобразование, прием и передача электрической энергии и поддержания ее качества за счет устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), которое позволяет изменять уровень напряжения в тяговой сети. В процессе работы силовые трансформаторы подвергаются нагреву, за счет протекания по обмоткам и магнитопроводу токов и циркуляции электромагнитных полей. Масляная система охлаждения отвечает за отвод тепловой энергии выделяющейся в обмотках и магнитопроводе в процессе работы трансформатора.

Температура обмоток силового трансформатора во многом зависит от потерь мощности в них [3]. Эти потери определяются по следующей формуле.

(3.1)

где – потери мощности в магнитопроводе трансформатора или потери холостого хода, – потери мощности в обмотках трансформатора.

Потери в магнитопроводе возникают вследствие перемагничивания стали сердечника. Потери в магнитопроводе не зависят от нагрузки трансформатора и являются постоянной составляющей полных потерь мощности. Они зависят от качества трансформаторной стали, из которой изготавливают магнитопровод трансформатора, от технологии изготовления магнитной системы, качества проектирования магнитопровода, материальной базы.

Потери холостого хода, состоят из потерь мощности на гистерезис вихревые токи.

(3.2)

Потери мощности в обмотках представляют собой сумму потерь в проводе обмоток и дополнительных потерь в стенках бака и других металлических частях, вызываемых потоками рассеивания. Потери в обмотках являются переменной составляющей полных потерь мощности трансформатора, т.к. изменяются в зависимости от его нагрузки. Они зависят от материала обмоток (медь, алюминий), плотности тока, количества витков, некоторых инженерных приемов.

Для трехфазного трехобмоточного трансформатора потери мощности в обмотках могут быть определены по следующей формуле:

(3.3)

где , , – соответственно потери мощности в обмотках высшего, среднего и низшего напряжения.

Потери мощности отдельно для каждой обмотки определяются по следующей формуле.

(3.4)

где – сопротивление i-й обмотки трансформатора, – ток i-й обмотки трансформатора.

Нагрев твердой изоляции обмоток приводит к ее износу. Износ – снижение механических и диэлектрических свойств обмоток, вызванное их старением. На практике, для того чтобы оценить степень старения обмоток и ее механическую прочность используют химический критерий – степень полимеризации.

Срок службы силовых трансформаторов тяговых подстанций по износу изоляции обмоток определяется степенью интенсивности старения изоляционного материала. Интенсивность износа характеризует скорость старения изоляции обмоток трансформатора.

В работе [3] упоминается о «шестиградусном правиле». Правило говорит о том, что с увеличением температуры изоляции обмоток на каждые 6 градусов по шкале Цельсия, интенсивность износа изоляции увеличивается в два раза. Наиболее интенсивное старение изоляции обмоток происходит в самой нагретой точке (Θннт) обмоток. Например, при Θннт обмотки силового трансформатора, равной 98 градусов, интенсивность износа изоляции соответствует номинальному значению и равна 1, а при Θннт обмотки трансформатора, равной 140 градусов, интенсивность износа уже в 128 раз больше номинальной.

3.2 Мероприятия продления срока эксплуатации тяговых трансформаторов

Рассмотрим мероприятия, направленные на продление срока эксплуатации силовых трансформаторов тяговых подстанций.

При больших сроках эксплуатации техническое состояние трансформатора определяется степенью износа изоляции его обмоток [4]. Оценка их состояния может быть произведена в процессе испытаний, проводимых в рамках технического обслуживания (ТО).

Система ТО трансформаторов тяговых подстанций включает в себя визуальные осмотры, межремонтные испытания и тепловизионное обследование.

Визуальный осмотр производится с целью проверки работы трансформатора в нагрузочном режиме. Осмотры на подстанциях с постоянным дежурным персоналом проводят не реже 1 раза в сутки.

На рисунке 3.1 приведены некоторые операции, производимые на подстанциях при техническом обслуживании, позволяющие определить состояние тягового трансформатора [5].

Рис. 3.1 – Схема операций, производимых при ТО силовых трансформаторов

При межремонтных испытаниях оценивают состояние изоляции обмоток по результатам анализа частичных разрядов в масле, хроматографического и анализа фурановых соединений. Так же производится оценка трансформаторного масла, его плотность, вязкость, тангенс угла диэлектрических потерь, кислотное число, удельное сопротивление. Определяют пробивное напряжение и влагосодержание для проверки его диэлектрических характеристик [5].

Оценку состояния изоляции трансформаторов так же производят посредством хроматографического анализа газов, растворенных в масле. Повреждения, сопровождающиеся разложением твердой изоляции, являются причиной выделения газов в масло. Как правило, при проведении хроматографического анализа контролируется концентрация следующих растворенных в масле газов: диоксида углерода, оксида углерода, этилена, ацетилена, этана, метана и водорода.

Непосредственно оценить степень старения бумажной изоляции в трансформаторе позволяет выявление продуктов старения целлюлозы. Для их определения производится анализ концентрации фурановых соединений в масле. Чаще всего измеряется содержание фурфуральдегида-2.

Тепловизионное обследование является эффективным и экономичным методом контроля состояния оборудования. Особенностью данного метода является возможность выявления дефектов на ранней стадии их развития.

Контроль нагрева трансформатора с внешней поверхности позволяет выявить дефекты внешних контактных соединений, охладителей, термосифонных фильтров, местные перегревы бака и других узлов.

В случае если состояние трансформатора не соответствует нормативной документации, производится его плановый ремонт. Целью ремонта является восстановление работоспособного состояния и продление срока эксплуатации силового трансформатора.

Основная задача ремонта силовых трансформаторов подстанций – восстановление работоспособного состояния. Различают плановый и внеплановый ремонт. Плановый ремонт включает в себя текущий и капитальный, которые выполняются по утвержденным ответственным за электрохозяйство календарным планам. Внеплановый ремонт производят после обнаружения дефектов или неисправностей в трансформаторе.

В процессе ремонта производят следующие операции [6]:

– слив осадков и влаги из расширителя и термосифонного фильтра;

– проверку маслоуказательных устройств;

– замену силикагеля и масла в воздухоосушительных и термосифонных

фильтрах;

– сушку изоляции обмоток;

– сушку, отчистку масла, при необходимости его замену.

Регенерацию масла осуществляют с помощью термосифонного фильтра, заполненного силикагелем. Замену силикагеля на просушенный в термосифонном фильтре производят при кислотном числе 0,1–0,15 мг КОН/г масла.

Сушку изоляции обмоток на подстанциях могут производить одним из следующих способов:

 продувкой сухим горячим воздухом;

 циркуляцией сухого горячего воздуха;

 непрерывной циркуляцией горячего масла;

 методом горячей ванны;

 нагревом постоянным током и др.

В работе [3], после проведенного анализа износа изоляции обмоток силовых трансформаторов, был сделан вывод о том, что срок эксплуатации силовых трансформаторов по износу изоляции обмоток зависит от качества проводимых ТО и ремонта, которые направлены на поддержание в установленных пределах обмоток, влагосодержания, кислотного числа и концентрации различных газов в трансформаторном масле.

На тяговых подстанциях обмотки определяется косвенным методом по показаниям токовых нагрузок обмоток и температуры верхних слоев масла. Проверка кислотного числа и влагосодержания на соответствие допустимым значениям производится путем химического анализа в лабораториях, для этого периодически отбирают пробы масла. Определение кислотного числа масла может быть произведено, например, по методике, представленной в ГОСТ 5985-79.

На тяговых подстанциях для снижения степени влагосодержания изоляции обмоток и масла производят очистку воздуха, поступающего в трансформатор, от влаги и загрязнений при помощи воздухоосушителя, заполненного силикагелем. Замену силикагеля в воздухоосушителях производят при изменении цвета силикагеля.

Для продления срока эксплуатации силовых трансформаторов предложены технические мероприятия, направленные на увеличение остаточного ресурса трансформатора за счет уменьшения износа изоляции его обмоток.

В работе [3] доказано, что износ изоляции обмоток силовых трансформаторов неравномерный. Причем износ изоляции обмотки BY силового трансформатора наименьший относительно износа изоляции обмоток AX и CZ.

Для выбора схем подключения силовых трансформаторов по предлагаемой методике необходим пофидерный контроль расхода электрической энергии на тягу поездов.

Рисунок 3.2 – Схема питания рассматриваемого участка тяговой сети

В настоящее время на железных дорогах Дальнего Востока такой контроль не осуществляется. Поэтому, в рамках выпускной квалификационной работы, планируется, методом имитационного моделирования в программном модуле КОРТЭС, определить расходы электрической энергии по плечам подстанции, на основе результатов расчета, определить токи левого и правого плеч тяговых подстанций рассматриваемого участка ДВостЖД, токи, протекающие в обмотках тягового и высшего напряжений, для определения наиболее загруженной обмотку. Нагрузку наиболее загруженной обмотки планируется, путем изменения схемы подключения трансформатора, снизить, тем самым, снизив неравномерность износа изоляции обмоток.

На основе анализа мероприятий, направленных на продление срока эксплуатации тяговых трансформаторов можно сделать следующие выводы:

1. Техническое обслуживание позволяет предупредить отказы трансформаторов, продлить срок их эксплуатации, ремонт – восстановить работоспособное состояние.

2. Особенностью работы силовых трансформаторов тяговых подстанций является неравномерный износ изоляции обмоток. Наименьший износ имеет изоляция обмотки BY. Мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту не позволяют решить проблему неравномерного износа.

3. Для продления срока эксплуатации силовых трансформаторов тяговых подстанций рассматриваемого участка ДВостЖД целесообразно применять мероприятия технического обслуживания и ремонта с учетом предлагаемых в работе [3].

4 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ НАГРУЖЕННЫХ ОБМОТОК ТЯГОЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

4.1 Определение потерь электроэнергии по питающим плечам подстанций

Для выбора схем подключения силовых трансформаторов по предлагаемой в работе [3] методике необходим пофидерный контроль расхода электрической энергии на тягу поездов. В настоящее время на железных дорогах Дальнего Востока такой контроль не осуществляется. Поэтому, в рамках выпускной квалификационной работы, планируется, методом имитационного моделирования, определить токи левого и правого плеч тяговых подстанций рассматриваемого участка ДВостЖД для определения наиболее загруженного плеча и подключения к нему наименее нагруженной обмотки.