CC BY
17Столыпинский вестник №9/2022
Научная статья Original article УДК 656.25
МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ФОРСИРОВАННЫМ
ОХЛАЖДЕНИЕМ
MODERNIZATION OF TRACTION SUBSTATIONS USING TRANSFORMERS WITH FORCED COOLING
Шефер Дмитрий Николаевич, студент, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (КрИЖТ ИрГУПС), Россия, г. Красноярск, Rostok113@mail.ru
Киреев Дмитрий Борисович, студент, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (КрИЖТ ИрГУПС), Россия, г. Красноярск, 12476kirey@mail.ru
Беспрозванных Андрей Сергеевич, студент, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (КрИЖТ ИрГУПС), Россия, г. Красноярск, 4912BesPRO21@mail.ru
Столыпинский вестник
5048
Колмаков Виталий Олегович, научный руководитель, кандидат технических наук, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (КрИЖТ ИрГУПС), Россия, г. Красноярск
Dmitry N. Schaefer, student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport - branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State University of Railways" (KRIZHT IrGUPS), Russia, Krasnoyarsk, Rostok113@mail.ru
Kireev D. Borisovich, student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport - branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State University of Railways" (KRIZHT IrGUPS), Russia, Krasnoyarsk, 12476kirey@mail.ru
Besprozvannykh A. Sergeevich, student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport - branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Irkutsk State University of Railways" (KRIZHT IrGUPS), Russia, Krasnoyarsk, 4912BesPRO21@mail.ru
Kolmakov Vitaly Olegovich, Scientific Supervisor, Candidate of Technical Sciences, Krasnoyarsk Jelly Institute
Аннотация. В статье рассмотрен метод усиления системы тягового электроснабжения, путем установки устройств форсированного охлаждения масла на силовые трансформаторы.
Annotation. The article considers the method of strengthening the traction power supply system by installing forced oil cooling devices on power transformers. Ключевые слова: система тягового электроснабжения, силовые трансформаторы, система охлаждения трансформатора, тяговая подстанция, пропускная способность.
5049
Keywords: traction power supply system, power transformers, transformer cooling system, traction substation, throughput.
В настоящее время на Красноярской железной дороге происходит увеличение грузопотока. С ростом массы составов растет нагрузка на тяговые подстанции и на многих подстанциях отмечается нехватка трансформаторной мощности. [1]
Задача увеличения пропускной способности электрических подстанций традиционно решается путем их реконструкции с заменой трансформаторов на более мощные или строительством новой подстанции. Однако, это требует больших инвестиций, пересмотра проекта подстанции, длительного времени на выполнение строительно-монтажных работ. Также, это не всегда возможно из-за недопустимости снижения уровня энергообеспечения существующих объектов на длительный период, отсутствия площадей в условиях тесной застройки, достаточных финансовых ресурсов и пр. Более экономичной альтернативой традиционным решениям в ряде случаев может быть модернизация трансформаторов с увеличением их нагрузочной способности.
Нагрузочная способность трансформаторов — это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.
Допустимые перегрузки трансформаторов и автотрансформаторов в нормальных режимах работы определяются старением изоляции его обмоток — бумаги. Старение изоляции приводит к изменению исходных электрических, механических и химических свойств изоляционных материалов трансформаторов. Сроком естественного износа трансформатора, работающего в номинальном режиме, считается срок, равный примерно 20 годам.
Для нормального суточного износа изоляции трансформатора температура наиболее нагретой точки его обмоток не должна превышать 98 °C. По правилу, предложенному немецким ученым Монтзингером, следует, что если температуру увеличить на 6 °C, срок службы изоляции сократится
5050
примерно в 2 раза. В данном случае под температурой наиболее нагретой точки подразумевается температура наиболее нагретого внутреннего слоя обмотки верхней катушки трансформатора.
Допустимые перегрузки силовых трансформаторов с типом охлаждения Д и М и их продолжительность представлены в таблице 1. [8]
Таблица 1 - Допустимая продолжительность перегрузки
трансформаторов с охлаждением М и Д
Нагрузка в долях от номинально й Допустимая продолжительность перегрузки (ч, мин) при превышении температуры верхних слоев масла над температурой воздуха в момент начала перегрузки,°С
18 24 30 36 42 48
1,05 Длительн о Длительн о Длительн о Длительн о Длительн о Длительн о
1,1 3,50 3,25 2,50 2,10 1,25 0,10
1,15 2,50 2,25 1,50 1,20 0,35 -
1,2 2,05 1,40 1,15 0,45 - -
1,25 1,35 1,15 0,50 0,25 - -
1,3 1,10 0,50 0,30 - - -
1,35 0,55 0,35 0,15 - - -
1,4 0,40 0,25 - - - -
1,45 0,25 0,10 - - - -
1,5 0,15 - - - - -
В соответствии с ПТЭЭП, в аварийных режимах допускается кратковременная перегрузка трансформаторов сверх номинального тока при всех системах охлаждения независимо от длительности и значения предшествующей нагрузки и температуры охлаждающей среды в следующих пределах указанных в таблице 3. [6]
Таблица 3 - Допустимые кратковременные перегрузки масляных
трансформаторов
Перегрузка по току, % 30 45 60 75 100
Длительность перегрузки, мин 120 80 45 20 10
5051
При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения. [7]
В настоящее время в отечественных масляных трансформаторах применяются системы охлаждения, приведенные в таблице 4. [6]
Таблица 4 - Виды систем охлаждения масляных трансформаторов
Циркуляция масла Охлаждение масла Обозначение системы охлаждения
Естественная Естественное воздушное М
Естественная Принудительное воздушное Д
Принудительная Естественное воздушное МЦ
Принудительная Принудительное воздушное ДЦ
Естественная Принудительное Водяное МВ
Принудительная Принудительное водяное Ц
Принудительная направ-ленная Принудительное воздушное НДЦ
Принудительная направ-ленная Принудительное водяное НЦ
5052
В основном на тяговых подстанциях Красноярской железной дороги установлены силовые трансформаторы ТДТНЖ 110-81-У1 мощностью 40000 кВА с типом охлаждения - Д (принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла).
Система охлаждения трансформатора Д - с дутьем и естественной циркуляцией масла. Трансформаторы данной системы охлаждения конструктивно имеют вентиляторы обдува, устанавливаемые в навесные радиаторы, по которым циркулирует трансформаторное масло.
Обдув трансформатора данной системы охлаждения включается при достижении температуры верхнего слоя трансформаторного масла 55 °С и более, либо при достижении номинальной нагрузки трансформатора, не зависимо от температуры масла. Система охлаждения Д используется для трансформаторов номинальной мощностью 16-80 МВ*А
777777 777 77/ 777 77777Т77?
Рисунок 1 - Система охлаждения трансформаторов Д типа: 1 — бак; 2 — выемная часть; 3 — вентиляторы; 4 — коллектор; 5 трубчатый радиатор
Повысить эффективность работы существующей системы охлаждения трансформатора для улучшения рассеивания возрастающих с ростом допустимых нагрузок суммарных потерь холостого хода и короткого
5053
замыкания и увеличения нагрузочной способности трансформатора, можно с помощью проведения модернизации системы воздушного охлаждения трансформаторного масла.
Увеличить нагрузочную способность силового трансформатора можно с помощью модернизации системы охлаждения, а именно применением форсированной системы охлаждения трансформаторного масла.
В отечественном трансформаторостроении имеется успешный опыт создания в Тольятти трансформаторов серии 110 кВ с так называемой форсированной системой охлаждения, например, типов ТДТНФ-40000/110, ТДТНЖФ-40000/110. Суть конструкции состоит в том, что наряду с радиаторами трансформатор оснащается дополнительно одним или несколькими маслоохладителями с системой многоходовых трубок с развитой наружной поверхностью, по которым принудительно циркулирует охлаждаемое масло и которые обдуваются вентиляторами большой производительности.
Такие трансформаторы с успехом эксплуатируются в сетях со значительными пиковыми перегрузками. Так, трансформатор 40 МВА при работающей системе форсированного охлаждения эксплуатируется с повышенной нагрузкой, допустимой для обычного трансформатора мощностью 63 МВА.
Модернизация системы охлаждения силовых трансформаторов на тяговых подстанциях Красноярской железной дороги будет проведена с помощью перехода от типа охлаждения Д на тип охлаждения ДЦ.
Для трансформаторов мощностью 10000 кВА и более применяется охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воздуха. По сравнению с системами М и Д, система ДЦ более эффективна. Охладители системы охлаждения ДЦ состоят из двух вентиляторов и маслонасоса и навешиваются на бак трансформатора, но могут устанавливаться и на отдельном фундаменте.
5054
Охладители системы охлаждения ДЦ нашли самое широкое применение в трансформаторостроении. Конструкция охладителя представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Охладитель алюминиевый четырехходовой: 1 — кожух вентилятора; 2 — фланец подвода масла; 3 — радиатор охладителя; 4 — вентилятор; 5 — кронштейн для крепления охладителя
Модернизация силовых трансформаторов с увеличением нагрузочной способности может быть эффективным решением задач увеличения пропускной способности подстанций и повышения надежности энергоснабжения.
Наиболее экономичным способом увеличения нагрузочной способности силовых трансформаторов является реконструкция системы охлаждения с использованием дополнительно одного или нескольких маслоохладителей.
Увеличение нагрузочной способности при этом не сопровождается ускорением термического износа электрической целлюлозной изоляции трансформаторов.
5055
Литература
1. Приказ №КРАС-51 от 30.01.2019 «Об организации тягового электроснабжения при обращении грузовых тяжеловесных поездов, грузовых соединенных поездов и поездов повышенной массы на Красноярской железной дороге».
2. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник для вузов ж.д. трансп. /К.Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 2018 - 528 с.
3. Бондарев, Н.А. Контактная сеть: Учебник для вузов ж.д. трансп. / Н.А. Бондарев, В.Е. Чекулаев. - М.: Маршрут, 2020. - 590 с.
4. Почаевец, В.С. Электрические подстанции: Учебник для техникумов и колледжей ж. д. транспорта /Н.А. Почаевец. - М.: Желдориздат, 2020. -512 с.
5. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог (сборник справочных материалов). / ОАО «Российские железные дороги»,филиал «Проектно - конструкторское бюро по электрификации железных дорог». - М.: «ТРАНСИЗДАТ», 2019. - 384 с.
6. ГОСТ 11677-85 Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
7. ГОСТ 14209-85 Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки.
8. ГОСТ 14209-97 Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.
Literature
1. Order no.KRAS-51 dated 30.01.2019 "On the organization of traction power supply when handling heavy freight trains, connected freight trains and highmass trains on the Krasnoyarsk Railway".
2. Marquardt, K. G. Power supply of electrified railways: Textbook for universities railway transp. /K.G. Marquardt. - M.: Transport, 2018 - 528 p.
5056
3. Bondarev, N.A. Contact network: Textbook for universities railway transport / N.A. Bondarev, V.E. Chekulaev. - M.: Route, 2020. - 590 p.
4. Pochaevets, V.S. Electrical substations: Textbook for technical schools and colleges of railway transport /N.A. Pochaevets. - M.: Zheldorizdat, 2020. - 512 p.
5. Power equipment of traction substations of railways (collection of reference materials). / JSC "Russian Railways", branch "Design Bureau for electrification of railways". - M.: "TRANSIZDAT", 2019. - 384 p.
6. GOST 11677-85 Power transformers. General technical conditions.
7. GOST 14209-85 Power transformers by weight
© Шефер Д.Н., Киреев Д.Б., Беспрозванных А.С., Колмаков В.О. 2022 Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №9/2022.
Для цитирования: Шефер Д.Н., Киреев Д.Б., Беспрозванных А.С., Колмаков В.О. МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ФОРСИРОВАННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ // Научный сетевой журнал «Столыпинский вестник» №9/2022.
5057
