CC BY
38
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. №18
УДК 621.331
Кузнецов В.Г.*
КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ
В данной статье показано, что для оптимального перевода силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог на параллельную работу необходимо учитывать нестационарный характер тяговой нагрузки. Предложены критерии оптимального распределения мощности тяговых подстанций.
Капитальные затраты на систему электроснабжения железных дорог в большой степени определяются заданной надежностью электроснабжения потребителей. Стремление обеспечить бесперебойное питание потребителей, отнесенных не только к особой и 1 категории, приводит к 100 %-ному резервированию установленной мощности трансформаторов, сетей, коммутационной аппаратуры и т.д. Недогрузка трансформаторов в ряде случаев определяется схемой электроснабжения, требованиями высокой степени надежности питания потребителей электроэнергии.
Тяговые подстанции электрических железных дорог переменного тока являются, как правило, двухтрансформаторными. Питание тяговой нагрузки и районных потребителей обеспечивается одним трансформатором, установка второго диктуется соображениями обеспечения высокой надежности электроснабжения.
При загрузке силового трансформатора на 30 % нагрузочные потери примерно равны потерям холостого хода. В среднем на каждой трансформации теряется до 7 % передаваемой мощности [1]. Работа трансформатора в режиме холостого хода или близком к нему вызывает излишние потери электроэнергии не только в самом трансформаторе, но и по всей системе электроснабжения (от источника питания до самого трансформатора) из-за низкого коэффициента мощности.
Важным мероприятием по экономии потерь при эксплуатации тяговых подстанций железных дорог Украины является своевременное отключение в резерв силовых трансформаторов при снижении их нагрузки и включение при росте нагрузки [2].
Наличие избыточных трансформаторных мощностей выдвигает задачу рационального их использования. Дадим количественные оценки нагрузок трансформаторов, при которых переход на параллельную работу создает положительный эффект. Соответствующий подход для симметричных не случайных нагрузок известен давно. В качестве критериев перехода на параллельную работу используют в большинстве работ минимум активных потерь мощности.
Экономически целесообразный режим работы трансформаторов в [3] предложено определять в зависимости от суммарной нагрузки и числа параллельно включенных трансформаторов, обеспечивающих минимум приведенных потерь электроэнергии в этих трансформаторах
АР, =п(АРх +KmAQx) + -(APK +*„nAfi>3, (1)
п
где A/v - приведенные активные потери в параллельно работающих трансформаторах с учётом потерь, создаваемых ими во внешней системе электроснабжения; п- количество параллельно работающих трансформаторов; ДРХ,Д<2Х- потери активной и реактивной мощности на холостом ходе; APK,AQK - потери активной и реактивной мощности в режиме короткого замыкания; к3 -коэффициент загрузки трансформаторов; кш - коэффициент изменения потерь [1].
В отличие от нетяговых потребителей нагрузка тяговых подстанций железных дорог имеет нестационарный характер. Определим критическое значение математического ожидания тока нагрузки, при котором переход от к параллельно включенных трансформаторов к к +1 уменьшает активные потери в них.
* ДНУ железнодорожного транспорта им. акад. В. Лазаряна, канд. техн. наук., доц.
Запишем математическое ожидание активных потерь при включенных к и к +1 - м трансформаторе, а затем приравняем их:
кРж + \(Макр +о2а) = (к + \)Рхх + у^(Макр +о2а), (2)
где /'.... - потери холостого хода, а Макр и оа - математическое ожидание и дисперсия суммы активных потерь в первичной, районной и тяговой обмотках трансформатора.
Решение уравнения (2) относительно критического значения М имеет вид:
Макр=к(к + \)Рхх-о2а. (3)
Для перехода от одного к двум параллельно работающим трансформаторам критическое значение определяется по формуле:
Махр=2Р^-о2а. (4)
Если в качестве критерия выбрать минимум реактивных потерь, можно аналогично (2) составить уравнение:
где /0 - ток холостого тока трансформатора; Л';; - его номинальная мощность; М и ст
- математическое ожидание и дисперсия суммы реактивных потерь в первичной, районной и тяговой обмотках трансформатора.
Решение этого уравнения имеет вид
Мщ=к(к + \)^-а2 (6)
ркр V ' |00 Р^ 47
что для перехода на параллельную работу двух трансформаторов дает
■ ЛА 100
Выбор числа параллельно работающих трансформаторов по критериям (4) и (7) дает возможность минимизировать средние активные или реактивные потери для практически важного случая ограниченного числа переключений коммутирующих аппаратов. В случае минимизации реактивных потерь средний эффект будет положительным независимо от распределения загрузки фаз, так как включение второго трансформатора приведет к уменьшению суммарной реактивной мощности, потребляемой трансформаторами из системы внешнего электроснабжения. Такое уменьшение ведет к снижению уровня обменной реактивной мощности между системой и тяговой подстанцией, что в свою очередь снижает потери напряжения в системе и в тяговых трансформаторах, увеличивая средний уровень напряжения на тяговых шинах и снижая разброс напряжения относительно среднего.
Рассмотрим эффективность выбора числа трансформаторов по критериям (4) или (7) при отсутствии районной нагрузки или ее принебрежимой малости по сравнению с тяговой.
Активные потери в этом случае выражаются формулой:
ЛР(У / к) = кРж +—гтр(т2л +т2п +т2р + ал +а2п + а2р) = кРхх +—гТР(М + с2), (8)
3 к Ък
где гтр = 3(/;:, / д..., / Sjl - активное сопротивление обмоток трансформатора; т ,. тп, тр, а2л, Сд, ор - математические ожидания и дисперсии токов нагрузки плеч питания и цепи отсоса.
Аналогично для реактивных потерь можно записать
А 0^/к) = к^^ +—хТР(М + а2), (9)
* 100 3к тр
ГД6 Х^р
= Зиких / (Л';; • 100) - индуктивное сопротивление фазы трансформатора; ик - напряжение короткого замыкания трансформатора, %.
Формулы (4), (7) с учетом выражений (8) и (9) принимают вид:
акр гго ' ркр 100хто 1
М = - а2. (7)
РКР 1 пп Р у '
Зная числовые характеристики токов в плечах питания и цепи отсоса тяговой подстанции, можно определить значения суммы квадратов математических ожиданий М. При М >М параллельная работа тяговых трансформаторов гарантирует снижение реактивных
потерь и улучшение качества напряжения на тяговых шинах; при М > Макр обеспечивается
снижение активных потерь при улучшении качества напряжения.
Оценим эффективность переключения тяговых трансформаторов для одной из подстанций железной дороги «Л». На подстанции установлено два тяговых трансформатора ТДТНЭ-40000/110 , питаемой от энергосистемы.
Сопротивление одного трансформатора хтр=5,96 Ом. По формуле (10) имеем:
Макр = 1333000 А2; М ркр = 362700 А2. На рис, 1 приведена кривая изменения I2(t).
В период от 1 ч 10 мин до 3 ч 00 мин рационально подключать второй трансформатор для снижения потерь реактивной мощности в тяговых трансформаторах.
Проведенный анализ на уровне главка [2] показывает, что рациональный перевод силовых трансформаторов на параллельную работу является мощным энергосберегающим методом для магистральных железных дорог.
500000,00 -
450000,00 yV----------------------
400000,00 / \---------------------
350000,00 L I
300000,00 ---V---------------------
250000,00 ----\---------—-----------
200000,00 ----V-----------------
150000,00 -------/Ч--/-----V---Т \----
100000,00 ---------/\1-----\--т—\---
50000,00 ----------—---------
0,00------------------------
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 20 21 22 23 24 ' 4
Рис. 1 - Рациональный переход на параллельную работу силовых трансформаторов
тяговой подстанции «Д»
Выводы
1. Показано, что для оптимального распределения мощности тяговых подстанций железных дорог необходимо учитывать нестационарный характер тяговой нагрузки.
2. В качестве критериев для оптимального переключения тяговых подстанций на параллельную работу предложены: математическое ожидание активных потерь; математическое ожидание реактивных потерь.
3. Для подстанции «Д» Львовской железной дороги по данным профиля нагрузки получены рекомендации для оптимального переключения тяговой подстацнии на параллельную работу силовых трансформаторов.
Перечень ссылок
1. Анчарова Т.В. Экономия электроэнергии на промышленных предприятиях / Т.В. Анчарова, С.М. Гамазин, В.В. Шевченко. - М.: Высшая школа, 1990.
2. Анал1з роботи господарства електрифжаци та електропостачання в 2005 рощ. - К.: Державна адмшютращя залпничного транспорту, 2006. - 202 с.
3. Кпреева Э.А. Автоматизация и экономия электроэнергии в системах промышленного электроснабжения / Э.А. Кпреева, Т. Юнее, М. Айюби: Справочные материалы и примеры расчетов. - М.: Энергоатомиздат, 1998.
Рецензент: A.B. Остапчук, канд. техн. наук, доц., НГУ
Статья поступила 11.04.2008
I2 А2
Mm, А-
