CC BY
15
УДК 621.314.222.6:621.33 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2020-4(49)-26-29
Григорьев Н.П., Воприков A.B.. Ковалев В.А., Парфианович А.П.. Трофимович П.Н.
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск
Повышение срока службы силовых трансформаторов
в системе обеспечения движения поездов
Статья посвящена вопросу повышения срока службы ситовых транс форматоров в системе обеспечения движения поездов. В работе выполнен анализ подключения тяговой подстанции к контактной сети по схеме «подпиливающей». Такое решение не соответствует классической схеме подключения в системе тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ. Силовые трансформаторы в системе тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог (ЭлЖД) мощностью, как правило, 40 MBA являются дорогостоящим электротехническим оборудованием. Современные силовые трансформаторы в системе электроснабжения переменного тока соответствуют стандартам и характеризуются параметрами трансформаторов, выпускаемых в прошлые годы. Таким образом, применение новых трансформаторов заменой установленных ранее приводит к значительным капиталовложениям. При этом технико-экономические показатели работы новых силовых трансформаторов не могут приводить к существенному повышению экономических показателей в системе электроснабжения ЭлЖД переменного тока 25 кВ без учета схем подключения. Мгновенные значения токов плеч приняты реальными в целях выполнения качественной оценки эффективности схемы. Ограничением выбора схемы подключения подстанции, присоединенной к контактной сети по схеме «подпитывающей», является неизменная фазировка смежных подстанций. Доказана нормализация распределения токов плеч питания при подключении рассмотренной подстанции к контактной сети по классической схеме. Сопряжение тяговой сети межподстанциопной зоны выполнено применением поста секционирования, подключенного но схеме «четырехугольника». При этом питание тяговых нагру зок осуществляется по петлевой схеме. Повышение срока службы силовых трансформаторов доказано существенным снижением температуры наиболее нагретой точки обмотки при присоединении трансформатора по классической схеме
Ключевые слова: силовой трансформатор, система тягового электроснабжения, срок службы, износ изоляции, пост секционирования.
Введение
Повышение срока службы силовых трансформаторов тяговых подстанций является современным мероприятием. направленным на повышение эффективности работы системы электроснабжения электрифицированных железных дорог (ЭлЖД) переменного тока 25 кВ [1].
На Дальневосточной железной дороге (ДВЖД) система ЭлЖД содержит 31 тяговую подстанцию. Три из них с нетиповой схемой подключения к контактной сети. Такие схемы подключения тяговых подстанций нашли применение при ранее установленных смежных тяговых подстанциях с целью обеспечения нормируемого напряжения в тяговой сети.
результаты исследования и обсуждения
Рассмотрим особенность работы одной из отмеченных подстанций на примере 21 тяговой подстанции (рис. 1).
Подстанция 21 подключена к левому и правому плечам одной обмоткой и питает их фазой В ЛЭП. В соответствии со схемой подключения тяговой подстанции 21 (рис. 1). выполним определение токов обмоток напряжения 27.5 кВ трансформатора. Совместив вектор напряжения фазы А ЛЭП с действительной осью на комплексной плоскости, получим систему уравнений:
© Григорьев H.H., Воприков a.B., Ковалев В.А., Парфианович а.П.. Трофимович H.H.. 2020
/ =2/Л24о-Фл) + 2 ,(24С>.Фп)
3 3
/ - __!_ 1 ) _ 1 / ,.
' ьу ~ , л 3 '
/ = _!/ еЛЗ#>-*л) _А/ еЛ2«И>п)
з ;| з п
При условии мгновенного значения векторов токов правого (/п) и левого (/л) плеч в фазных координатах и фазовом сдвиге тока плеча относительно питающего напряжения -37° (/п = /л = 500 е-*2"3) модуль тока обмотки трансформатора ах составит около 667 А. что в два раза превышает модуль тока обмоток Ьу и сг, который составит 333 А. Такое распределение токов плеч по обмоткам приводит к низкому коэффициенту использования мощности силового трансформатора и перегрузке обмотки ах в отдельных поездных ситуациях.
Рис. 1. Схема фазировки реального участка тяговой сети
26
ЭСнК. №4(49). 2020
Принятое в системе электроснабжения ЭлЖД ДВЖД схемное решение приводит к существенному повышению несимметрии токов обмоток высшего напряжения и нагрузки тяговой подстанции на ЛЭП даже при равных токах левого и правого плеч.
В целях повышения эффективности работы посредством нормализации распределения токов плеч тяговой нагрузки в силовом трансформаторе тяговых подстанций предлагается подключение силового трансформатора к контактной сети по классической схеме (рис. 2).
При этом на правое плечо 21 подстанции подано обратное напряжение фазы А ЛЭП. Сопряжение правого плеча подстанции 21 и левого плеча подстанции 22 выполним применением нейтральной вставки. Схема предлагаемого поста секционирования (ПС) обеспечивает проход поездов 5 по разделу тяговой сети с нейтральной вставкой без опускания токоприемника при отключенном токе [2| (рис. 3). Такое решение позволяет сохранить неизменной фазировку всех подстанций, расположенных правее подстанции 21.
При этом питание межподстанционной зоны выполняется петлевыми схемами от подстанций 21 и 22. В работе [3] для межподстанционных зон тяговой сети при значительной разности напряжения предложен новый пост секционирования тяговой сети (см. рис. 3).
Выключатели 1 и 4 при включенном положении обеспечивают соединение контактной сети четного и нечетного путей на участках, подключенных к подстанциям 21 и 22 соответственно.
Выключатели 2 и 3 в положении «Отключено» обеспечивают раздельное питание поездов 5 от подстанций 21 или 22 в зависимости от координаты поезда.
В предлагаемой схеме (см. рис. 2) токи обмоток подстанции 21 ]Ьу и 1С2 определяются системой уравнений:
/ - — ! Д240"^) _1 /
зл з п '
/ __1/е-Ямо-Ф«).!/ ел-фп). т
Ьу з л 3 '
/ =-1/ле''2^' +^
3 3
Рис. 2. Схема предлагаемой фазировки участка тяговой сети
ТП 21 [ / 2 _ № ТП 22
/ ___✓
- / / / / ч / ✓ ✓ ✓ / ч / / /
/ / / V 5 / /
Рис. 3. Новый пост секционирования
Следовательно, применение на рассматриваемой тяговой подстанции классической схемы подключения трансформатора к контактной сети обеспечивает снижение модуля тока наиболее загру женной обмотки ах с 667 до 441 А или на 34 %. При этом модули токов обмоток Ьу и а соответственно равны 167 и 441 А.
Рассмотрим износ (I) изоляции обмоток при принятой схеме присоединения трансформатора (см. рис. 1) 21 тяговой подстанции. В работах [4-7] доказано. что неравные модули токов обмоток силовых трансформаторов создают неравномерный износ изоляции обмоток.
Основным фактором, влияющим на скорость старения изоляции обмоток, является нагрев |8-10|. Нагрев обусловлен потерями мощности в трансформаторе, где 80% потерь мощности приходится на потери в меди при номинальном токе, а остальные 20% - в стали.
Для расчета термического износа изоляции класса нагревостойкости «А» обмотки, лимитирующей срок эксплуатации трансформатора, при косвенном определении температуры наиболее нагретой точки 0ННТ получено уравнение (3) в соответствии со стандартом МЭК 60076-7 [11, 12]. в работах [13,14].
И—1
где ©то - температура верхних слоев масла, °С; АО/ж - превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки относительно температуры верхних слоев трансформаторного масла. °С: 1т - ток обмотки ах. А; //(- номинальный ток. А; т - коэффициент тепловой инерции обмотки: 6 - температурный интервал; 1„ - период, за который определяется износ.
Например, для трансформатора типа ТДТНЖ-25000/110/27,5/10, при температуре окружающей среды 20°С. продолжительности нагрузки более 150 минут. что соответствует установившемуся режиму нагрева, получены результаты, представленные на гистограмме рис. 4. Гистограмма температуры наиболее нагретых точек обмоток доказывает существенное превышение нормированного значения температуры обмотки ах, что соответствует схеме подключения (рис. 1). Применение классической схемы соединения трансформатора с контактной сетью создает снижение интенсивности износа изоляции обеспечением соответствия температуры наиболее нагретых точек нормируемым значениям.
Для повышения срока эксплуатации силовых трансформаторов реальной подстанции (рис. 2) необходимо установить две нейтральные вставки и пост секционирования тяговой сети. Применение поста секционирования по схеме четырехугольника позволяет создавать схемы питания тяговых нагрузок при переходе к петлевым схемам питания контактной сети.
I' ■••'' / Л При схеме подключения трансформатора рис.1
I I При схеме подключения трансформатора рис.2
-----Нормированное значение
Рис. 4. Гистограмма О,,,,, об моток-трансформатора ах, Ьу и сг.
Заключение
1. Подключение трансформаторов к контактной сети по классической схеме обеспечит снижение тока наиболее нагруженной обмотки, например при равных модулях и углах сдвига относительно питающих напряжений токов левого и правого плеч питания на 34%.
2. Результаты анализа влияния классической схемы подключения силовых трансформаторов на износ изоляции обмоток доказали, что интенсивность износа обмотки, лимитирующей срок эксплуатации трансформатора. снижается, что обеспечивает продление срока эксплуатации силового трансформатора.
3. Пост секционирования предлагается выполнять по схеме четырехугольника, что обеспечит повышение эффективности работы системы электроснабжения ЭлЖД переменного тока 25 кВ за счет применения петлевых схем питания тяговых нагрузок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р.
2. Повышение эффективное™ работы системы переменного тока 25 кВ / МП. Григорьев, JI.B. Марченко, А.Г1. Парфианович, П.Н. Трофимович // Электроника и электрооборудование транспорта. 2019. № 2. С. 15-17.
3. Пат. 2706634 Российская Федерация, МГП< В60М 3/04 (2006.01). Устройство тяговой сети переменного тока / Григорьев H.H., Парфианович А.П., Трофимович H.H.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ДВГУПС». №2018135346; заявл. 05.10.2018; опубл. 19.11.2019.
Informat ion dm English
4. Пат. 2540685 Российская Федерация, МПК В60М 3/02, H02J 3/00. Способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ / Григорьев I I.П., Воириков А.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «ДВГУПС». № 2013135890/11 ; заявл. 30.07.2013; опубл. 10.02.2015.
5. Григорьев H.IL, Воприков А.В. Выбор схем подключения силовых трансформаторов тяговых подстанций электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2014. №4. С. 90-97.
6. Voprikov А.V., Grigoriev N.P., Parfianovich А.Р. Extending the life о Г power transformers of traction substations of alternating current of electric railways // VIII International Scientific Siberian Transport Forum (TransSiberia), 2020, pp. 52-59. DO! 10.1007/978-3-030-37916-2_6.
7. Воириков А.В. Продление срока эксплуатации силовых трансформаторов при реконструкции тяговых подстанций переменного тока железных дорог // Электроника и электрооборудование транспорта. 2016. № 4. С. 32-35.
8. Gamez С. Power Transformer // Transformers Magazine. 2014, vol. l.iss. 1, pp. 19-21.
9. Naderian A., Pattabi P., Lamarre L. Improving the assessment of remaining life of service aged power transformers // IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), C'algarv. AB. Canada, 2019, pp. 330-334. DOI 10.1109/EIC43217.2019.9046610.
10. Mohsen I losseinkhanloo, Seyed Hadi Mousavi Motlagh, Ali Naderian Jahromi, Navid Taghizadeghan Kalantari. Improving the ageing rate of transformer fleet using imperialist competitive algorithm // IET Generation Transmission & Distribution, 2020, vol. 14, no. 20, pp. 4363-4370. DOI 10.1049/iet-gtd.2020.0052.
11. International standard. Loading guide for oil-immersed power transformers: IEC 60076-7. Geneva, Switzerland, 2005. 122 p.
12. B. Jean-Noel, Aubin J., McDermid W. Recent development in transfonner winding temperature determination. URL: http://www.neoptix.eom/literature/v 1109rl _Art_Recent_dev _in_windings_temp.pdf (дата обращения 21.11.2020)
13. Grigorev N.P., Voprikov A.V., Parfianovich A.P. Increasing the operating life of power transfonner winding insulation when upgrading 25-kV alternating current traction substations // Russian Electrical Engineering. 2016, vol. 87. no. 2, pp. 100-103. DOI 10.3103/S1068371216020048.
14. Воприков А.В. Повышение эффективности эксплуатации силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог переменного тока: дис... канд. техн. наук 05.09.03 / Воприков Антон Владимирович. Хабаровск, 2017.
Поступила в редакцию 05 октября 2020 г.
improvement of the service lifetime of power transformers in the train moving traffic
System
Nikolai P. Grigoriev
Ph.D. (Engineering), Associate Professor. Professor of the Department of Electric Power Supply . Far East State Transport University. Khabarovsk, Russia.E-mail: 0101gnp@mail.ru.
Anton V. Voprikov
Ph.D. (Engineering). Associate Professor, the Department of Electric Power Supply. Far East State Transport University, Khabarovsk, Russia.
Vladimir A. Kovalev
Post graduate Student. Department of Electrical Engineering. Electronics and Electro mechanics. Far East State Transport University, Khabarovsk. Russia.
28
эс11к. №4(49). 2020
Arseniv P. Parfïanovich
Ph.D. (Engineering). Associate Professor. Department of Electric Power Supply. Far East State Transport University, Khabarovsk, Russia.
Polina N. Trofimovich
Assistant Professor. Department of Electrical Engineering. Electronics and Electromechanics. Far East State Transport University. Khabarovsk. Russia. E-mail: ptrofimovich@bk.ru.
The article is devoted to (he problem of improvement of the service lifetime of power transformers in the train moving traffic system. The connection of the traction substation to the contact network according to the auxiliary supply source scheme is analyzed in the article. This circuit design does not correspond to the classical connection scheme in the power supply system of the 25 kV alternating current. Power transformers in the power supply system of electrified railways (ELR) with the wattage of, as a rule, 40 MVA are quite expensive. Modem power transformers in the AC power supply system comply with the standards and are characterized by the parameters of the transformers produced in the past. Thus, the use of new transformers by replacing previously installed ones leads to significant capital investments. At the same time, the results of the operation of new power transfonners cannot lead to an increase in economic traction power supply system of the 25 kV AC values according to the accepted connection schemes. The instantaneous current values of traction loads are taken as real in order to perform a qualitative assessment of the efficiency of the circuit. Constant phasing of neighboring traction substations is a limitation of the choice of the scheme connected to the contact network according to the auxiliary supply source scheme. Normalization of the distribution current traction loads, when the traction substation is connected to the contact network according to the classical scheme, was proved. Hie coupling of the traction network of the intersubstation zone is made using a sectioning post connected according to the "quadrangle" scheme. Traction loads are powered according to the looping scheme. An increase in the service lifetime of power transformers was proved by a significant decrease in the temperature of the hottest point of the winding when the transformer is connected according to the classical scheme.
Keywords: power transformer, power supply system, service lifetime, insulation deprecation, section switch box.
References
1. Strategiya razvitiya zheleznodorozhnogo transporta v Ros-siyskoy Fedemtsii do 2030 goda: ur\>. Rasporyazheniem Pravitelstva Rossivskoy Fedemtsii ot 17 iyunya 2008 g. № 877-r. [Strategy for the development of railway transport in Russian Federation for tire period up to 2030: appr. by tire order of Government of (lie Russian Federation], no. 877-r, June 17,2008. (In Russian)
2. Grigorvev N.P., Marchenko L.V., Parfianovich A.P., Trofimovich P.N. Improvement of traction power supply system of 25 kV alternating current. Elektronika i elektrooborudo-vaniye transporta [Electronics and electrical equipment of transport], 2019, no. 2, pp. 15-17. (In Russian)
3. Grigorev N.P., Parfianovich A.P., Trofimovich P.N. Ustroyst\'o tyagovov seii peremennogo toka [Traction alternating current network device]. Patent RF, no. 2706634,2019.
Повышение срока службы силовых трансформаторов в системе обеспечения движения поездов / Н.П. Григорьев. A.B. Воприков, В.А. Ковалев. А.П. Парфианович. П.Н. Трофимович//Электротехнические системы и комплексы. 2020. № 4(49). С. 26-29. https://doi.org/10.18503/2311 -8318-2020-4(49)-26-29
4. Grigorvev N.P., Voprikov A.V. Sposob podklyucheniya tya-govykh transformatorov v sisteme peremennogo toka 25 kV [Connection method of power transformers in tire power supply system of alternating current]. Patent RF, no. 2540685,2015.
5. Grigorvev N.P., Voprikov A.V. Selection the schemes for connecting power transfonners of traction substations of 25 kV alternating current electrified railways. Vestnik ros-tovskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobshcheni-va | Bulletin of the Rostov State Transport University], 2014, no. 4, pp. 90-97. (In Russian)
6. Voprikov A.V., Grigoriev N.P., Parfianovich A.P. Extending the life of power transformers of traction substations of alternating current of electric railways // VIII International Scientific Siberian Transport Forum (TransSiberia). 2020, pp. 52-59. DOI: 10.1007/978-3-030-37916-2_6.
7. Voprikov A.V. Elongation the service lifetime of power transformers during the reconstruction of traction substations of 25 kv alternating current electrified railways. Elektronika i elektrooborudovaniye transporta [Electronics and electrical equipment of transport], 2016, no. 4, pp. 32-35. (In Russian)
8. GamezC. Power Transfonner / Carlos Gamez // Transformers Magazine, 2014, vol. 1, Issue 1, pp. 19-21.
9. Naderian A., Pattabi P., Lamarre L. Improving tire assessment of remaining life of service aged power transformers // IEEE Electrical Insulation Conference (EIC), Calaarv, AB, Canada, 2019. pp. 330-334. ~ DOI: 10.1109/EIC43217.2019.9046610.
10. Mohsen Hosseinkhanloo, Seyedlladi Mousavi Motlagh, Ali NaderianJahromi, NavidTaghizadeghan Kalantari. Improving the ageing rate of transformer fleet using imperialist competitive algorithm //IET Generation Transmission & Distribution. 2020. vol. 14, no. 20. pp. 4363-4370. DOI 10.l049/iet-gtd.2020.0052.
11. International standard. Loading guide for oil-immersed power transformers: EEC 60076-7 - Geneva, Switzerland, 2005. 122 p.
12. B. Jean-Noel, Aubin J., McDennid W. Recent development in transfonner winding temperature determination.URL: http://www.neoptix.eom/literature/v 1109rl _Art_Recent_dev _in_\vindings_temp.pdf (accessed 21 November 2020)
13. Grigorev N.P.,Voprikov A.V., Parfianovich A.P. Increasing tire operating life of power transfonner winding insulation when upgrading 25-kV alternating current traction substations //Russian Electrical Engineering. 2016, vol. 87, no. 2, pp. 100-103. DOI: 10.3103/S1068371216020048.
14. Voprikov A.V. Povysheniye effektivnosti ekspluatatsii silo-vykh transformatorov tyagovyldi podstantsiy zheleznykhdoro peremennogo toka. Kand. Diss. [Improvement the efficiency to operation of power transformers of traction substations of alternating current electrified railways. Ph.D. Diss.]. Khabarovsk, 2017.
Grigoriev N.P., Voprikov A.V.. Kovalev V.A.. Parfianovich A.P.. Trofimovich P.N. Improvement of the Service Lifetime of Power Transformers in the Train Moving Traffic System. Elektroteklmicheslcie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes]. 2020. no. 4(49), pp. 26-29. (In Russian), https://doi.org/10.18503/2311-8318-2020-4(49)-26-29
