Глава 10. Трансформаторы тяговых подстанций электрифицированных железных дорог и выбор их мощности

Глава 10. Трансформаторы тяговых подстанций электрифицированных железных дорог и выбор их мощности

 

10.1.Метод расчёта нагрузочной способности тяговых трансформаторов подстанций электрических железных дорог постоянного и переменного тока

Состояние вопроса

Условия работы силовых трансформаторы тяговых подстанций:

- Значительная неравномерность нагрузок в течение суток, месяца и года; - Наибольшая нагрузка в час интенсивных перевозок при наличии поездов повышенной массы в 2–3 раза и более превосходит среднесуточную нагрузку;

- Температура окружающего воздуха в течении суток и года изменяется в широких пределах (для условий Сибири – 50 ÷ +40⁰С);

- Значительные токовые нагрузки создаются при организации тяжеловесного движения поездов с пакетным графиком движения по сигналам автоблокировки;

- Значительные токи по обмоткам трансформатора возникают из-за отсутствия параллельной работы тяговых трансформаторов;

- В аварийной ситуации при односторонней схеме питания контактной сети электроснабжение тяговых, районных нетранспортных и нетяговых железнодорожных потребителей тяговые трансформаторы подстанции значительно перегружаются и снижается расчётный срок службы трансформатора.

- Значительное количество коротких замыканий в контактной сети.

При проектировании тяговых подстанций номинальная мощность трансформатора выбирается меньше максимальной суточной или часовой мощности с учётом его перегрузки в различные периоды времени. Условием систематических перегрузок и повышенной нагрузки является сохранение нормального срока службы изоляции трансформатора [1].

Существующая методика определения требуемой мощности трансформаторов тяговых подстанций при проектировании электрификации железных дорог основывается на методике ВНИИЖТ в 1960–80-х г. [2], [3]. Методика базируется на статистических данных по тяговой нагрузке и анализов суточных расходов электроэнергии подстанциями, в основном, на участках постоянного тока [4], [5]. Износ изоляции учитывается только в периоды наибольшего заполнения пропускной способности участка. При определении нагрузочной способности трансформаторов использовалась фундаментальная работа Л. М. Шницера [6]. Исследования методов выбора мощности трансформаторов для тяговых подстанций в МИИТ и других транспортных вузах отражены в работе [7].

Для современных условий проектирования и эксплуатации устройств тягового электроснабжения методика выбора мощности трансформаторов учитывает следующее:

· Исследования в области нестационарных тепловых режимов трансформаторов и старения изоляции;

· Современные методы и нормативы при определении нагрузочной способности трансформаторов;

· Современные стандарты по нагрузочным режимам трансформаторов;

· Изменение характера тяговой нагрузки;

Электрифицированные участки железных дорог характеризуются:

· Применением новых мощных локомотивов;

· Повышением массы грузовых поездов;

· Пакетным графикам их движения с минимальным интервалом движения по сигналам автоблокировки;

· Применение скоростных пассажирских поездов;

· Изменением характера тяговой нагрузки по максимальным и средним значениям токов;

· Особенностями режимов нагрузки трансформаторов в системах тягового электроснабжения постоянного и переменного тока при различных профилях участка, длинах межподстанционных зон и способах организации движения поездов.

Нагрузочная способность тягового трансформатора должна обеспечивать:

1.Заданный график нагрузки подстанции для условий нештатных режимов нагрузок:

· отключение смежных подстанций межподстанционной зоны;

· значительное увеличение размеров движения поездов при возникших ограничениях их пропуска на параллельных ходах;

· значительное увеличение нагрузок в связи с повышением массы грузовых поездов и пакетного графика их движения с минимальным интервалами по условиям автоблокировки.

2. Перспективные графики нагрузки в зависимости от заданных размеров движения.

Для улучшения методики выбора мощности трансформаторов тяговых подстанций выполнены:

1.Анализ режимов работы тяговых трансформаторов при повышенных нагрузках и возможных рисках их повреждения. Определены погрешности имеющейся методики для современных нагрузочных условий:

2.Сравнительные анализы действующих и существовавших нормативов и руководящих материалов по расчётам нагрузочной способности трансформаторов.

3. Компьютерная модель для расчётов температуры элементов трансформатора и степени износа изоляции с целью определения допустимых режимов работы трансформатора при заданных графиках нагрузки.

4.Расчётные графики определяются моделированием работы систем электроснабжения для условий обращения грузовых поездов повышенной массы и скоростных пассажирских поездов.

Работа трансформатора в режиме нагрузки, превышающей 1,5 номинального тока, ограничивается нагрузочной способностью других частей трансформатора: вводы, концевые кабельные соединения, устройства переключения ответвлений и соединения. Необходимо учитывать характеристики присоединенного оборудования: кабели, выключатели, трансформаторы тока и др.

Исходные положения

При расчётах нагрузочной способности трансформатора определяется:

· температура наиболее нагретых мест обмотки Т_ннт;

· зависимость скорости старения изоляции от температуры, при которой трансформатор будет работать заданный экономически оправданный срок.

Определение температуры наиболее нагретой точки обмотки Т_ннт сводится к расчёту:

· превышения температуры верхних слоёв масла θ_м над температурой охлаждающей среды Т_в;

· превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла θ_нтт.м при эквивалентной температуре охлаждающей среды Т_вэ .

Расчётные тепловые характеристики трансформаторов принимаются на основе результатов испытаний. Тепловая постоянная времени нагрева T_м приведена в паспорте трансформатора. При отсутствии таких данных используются значения параметров по нормам соответствующих стандартов (табл. 4.1).

Номинальное превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки θ_{нтт ном} над температурой масла характеризует номинальный режим работы трансформатора при неизменной нагрузке и равно сумме

θ_{нтт ном} = θ_{м ном} + θ_{нтт.м ном},

где θ_{м ном}, – номинальное значение превышения температуры масла над температурой окружающего воздуха и θ_{нтт.м ном} - номинальное значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла.

В отношении тепловых процессов трансформатор представляет собой сложную систему неоднородных тел и для упрощения расчётов принимают ряд допущений [1]:

· Превышения температуры масла θ_м и наиболее нагретой точки θ_нтт.м не зависят от температуры охлаждающей среды в диапазоне её изменения от минус 20 до плюс 40 °С.

· При расчётах не учитывается изменение сопротивления обмоток, теплоёмкости и вязкости масла с повышением температуры вследствие компенсации взаимного влияния этих факторов.

· Температура масла внутри обмоток повышается линейно от нижней части к верхней независимо от вида охлаждения (рис. 4.1).

· Среднее превышение температуры участков обмотки изменяется линейно по её высоте и параллельно принятому изменению температуры масла с постоянной разностью θ_{обм.м ср} = θ_{обм ср} – θ_{м ср}. С учётом дополнительных потерь от магнитных потоков рассеяния превышение температуры наиболее нагретой точки больше этой разности:

θ_{ннт.м ном} = b θ_{обм.м ср} , b = 1,1…1,5.

Таблица 4.1 – Расчетные тепловые характеристики трансформаторов с системами охлаждения видов М и Д

 

Параметр	Обо-значе-ние	Значение параметра по
[4]	ГОСТ 14209 –69	ГОСТ 14209 –85	ГОСТ 14209–97
Номинальное превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой окружающего воздуха, °С	θнтт ном
Номинальное превышение температуры масла в верхних слоях, °С	θм ном
Номинальное превышение температуры наиболее нагретой точки над температурой масла, °С	θннт.м ном
Тепловая постоянная времени масла, ч	T м	3,5	2,5–3,5	3,0	2,5
Отношение потерь к.з. и х.х.	d	2,3–4^*
Показатель степени при расчетах нагревания масла	x	0,8	0,8 (М) 0,9 (Д)	0,9	0,9
То же, обмотки	y	–	1,6 (М) 1,8 (Д)	1,6	1,6
^* по каталогам трансформаторов 1950-60 гг. изготовления

Рисунок 4.1 – Упрощенная схема распределения температуры масла и обмотки

В ГОСТ 11677 регламентируются предельные значения превышения температуры θ_{обм ср} и θ_{м ном} относительно температуры воздуха при испытаниях на нагрев. Поскольку θ_{обм ср} является средней величиной по высоте обмотки, а θ_{м ном} относится к верхней её части (см. рис. 4.1), значение указанной разности температур определяется выражением

θ_{обм.м ср} = θ_{обм ср} – a θ_{м ном}, a = θ_{м ср} / θ_{м ном} = 0,7…0,85.

Фактические значения коэффициентов a и b зависят от мощности трансформатора, сопротивления короткого замыкания и конструкции обмоток.

По ГОСТ 11677–85 действующая в настоящее время норма θ_{м ном} = 60 °С (табл. 4.1) относится к трансформаторам герметичного исполнения или с расширителем независимо от номинальной мощности. В более ранних версиях этого стандарта указанная норма распространялась только на специальные герметичные трансформаторы, а для остальных устанавливалось θ_{м ном} = 55 °С. В перспективе следует ожидать, что для трансформаторов тяговых подстанций, относящихся к категории трансформаторов средней мощности по классификации ГОСТ 14209–97, будет принято θ_{м ном} = 52 °С.

Общие положения

1.1. Данная методика предназначена для определения требуемой номинальной мощности силовых масляных трансформаторов, питающих тяговую нагрузку на подстанциях постоянного и переменного тока, а также автотрансформаторов (АТ) системы 2х25 кВ, с видами охлаждения М (ONAN) и Д (ONAF).

Методика предлагается в качестве учебного пособия для выполнения контрольной работы, курсового проекта по дисциплине «Электроснабжение железных дорог» и для выполнения дипломных проектов по специальности «Электроснабжение железных дорог» при проектировании электрификации железнодорожных участков и усилении устройств тягового электроснабжения действующих участков железной дороги.

Выбор мощности подстанционных трансформаторов, не связанных с питанием тяговой нагрузки, осуществляется по соответствующим стандартам и техническим условиям производителей.

1.2. С использованием данной Методики решаются следующие задачи:

· приближённые расчёты требуемой мощности трансформаторов на стадии принятия предварительных технических решений для вновь проектируемого или для существующего реконструируемого участка;

· определение нагрузочной способности трансформаторов в составе электрических расчётов с применением программ комплекса КОРТЭС при детальном учёте параметров участка.

1.3. Основные положения Методики соответствуют следующим нормативным документам:

ЦЭ-462	Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации (ПУСТЭ)
ГОСТ 11677–85	Трансформаторы силовые. Общие технические условия
ГОСТ 14209–85	Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки
ГОСТ 16772–77	Трансформаторы и реакторы преобразовательные. Общие технические условия
ГОСТ Р 51559–2000	Трансформаторы силовые масляные классов напряжения 110 и 220 кВ и автотрансформаторы напряжением 27,5 кВ для электрических железных дорог переменного тока. Общие технические условия

1.4. Выбор требуемой мощности трансформаторов осуществляется по нормам допустимых систематических нагрузок при нормальных рабочих режимах системы тягового электроснабжения по заданным размерам движения на участке и с учётом наиболее вероятных сгущений поездов максимальной массы.

Проверка выбранной мощности трансформаторов для условий вынужденных режимов работы системы электроснабжения производится по нормам допустимых аварийных перегрузок.

1.5. Трансформаторы тяговых подстанций и автотрансформаторы системы 2х25 должны удовлетворять следующим нормам по нагреву элементов:

	При систематических нагрузках	При аварийных перегрузках
Допустимая температура наиболее нагретой точки обмотки Тнтт доп, °С		140 / 160^*
Допустимая температура масла в верхних слоях Тм доп, °С

 

^* В числителе для трансформаторов класса напряжения до 110 кВ включительно, в знаменателе – свыше 110 кВ

1.6. Максимальный ток любой обмотки трансформатора при условии соблюдения допустимого температурного режима по п. 1.5 не должен превышать следующих значений:

· для преобразовательных трансформаторов подстанций постоянного тока

Продолжительность нагрузки t, мин	Наибольшее среднее значение относительно номинального тока обмотки K доп t
	1,25
	1,50
	1,75
	2,00

 

· для понижающих трансформаторов подстанций постоянного и переменного тока и автотрансформаторов системы 2х25 кВ

Продолжительность нагрузки t, мин	Наибольшее среднее значение относительно номинального тока обмотки K доп t при
систематических нагрузках	аварийных перегрузках
	1,5^*	2,0
	2,0	2,0

^* По согласованию с производителем трансформатора допускается кратность перегрузки до 2,0

1.7. Требуемая мощность трансформатора тяговой подстанции определяется как сумма мощностей для обеспечения тяговой нагрузки S _т в соответствии с расчётными режимами по п. 2.2, собственных нужд подстанции S _сн, дополнительных расходов электроэнергии на маневровую работу электровозов S _дм, заданной нагрузки нетяговых S _н и районных S _р потребителей, получающих питание от данного трансформатора, кВ·А:

S_треб = S_т + S_сн + S_дм + S_н + k_р S_р. (1.1)

где k _р – коэффициент, учитывающий несовпадение максимумов районной и тяговой нагрузок: k _р = 0,7.

Мощность S _р учитывается только для трёхфазных трансформаторов. Питание (возможно резервное) районных потребителей от однофазных трёхобмоточных трансформаторов системы 2х25 кВ, включённых по схеме открытого или полного треугольника при мощности 0,33 k _р S _р, приходящейся на один трансформатор, обеспечивается за счёт недоиспользования номинальной мощности обмотки высшего напряжения при условии S _р < (0,5…0,6) S _т.

Если мощности S _сн и S _дм не заданы, то они учитываются приближённо с использованием коэффициента k _дсм,

S_треб = k_дсм (S_т + S_н + k_р S_р), (1.1')

который принимают равным 1,025 при постоянном токе и 1,033 при переменном.

Методика определения расчётной мощности S _т тяговой нагрузки представлена в п. 3. Мощность S _т с учётом обеспечения противогололёдных режимов определяется в соответствии с «Инженерной методикой расчета тяговой сети при электрических способах борьбы с гололедом» (ЦЭТ-2/3 от 26.01.2006 г.).

По значению S _треб из стандартного ряда выбирается ближайшая бóльшая номинальная мощность S _ном трансформатора. При отсутствии в стандартах требуемого значения S _ном принимается решение об использовании двух параллельно работающих трансформаторов соответствующей мощности. В общем случае при любом количестве n _т рабочих трансформаторов должно выполняться условие

S_ном n_т > S_треб. (1.2)

1.8.Выбранная номинальная мощность и количество рабочих трансформаторов проверяются на соответствие требованиям пп. 1.5 и 1.6 по результатам электрических расчётов согласно п. 4.

Окончательный выбор номинальной мощности понижающих трансформаторов следует производить с учётом обеспечения среднего напряжения на шинах распределительных устройств (РУ) подстанции не менее, кВ:

РУ-10 (6) кВ подстанций постоянного тока	10,0 (6,0)
РУ-25 (2х25) кВ подстанций переменного тока (шины контактной сети)	25,0

Возможность и порядок использования резервного понижающего трансформатора параллельно с рабочими трансформаторами в периоды пиковых нагрузок при соответствующем обосновании согласовывается с ОАО «РЖД» и с энергоснабжающей организацией.

Расчетные режимы

2.2.1. Мощность трансформаторов и автотрансформаторов с учётом допустимых систематических нагрузок, превышающих номинальный ток обмоток, при нормальной (проектной) схеме электроснабжения должна обеспечивать пропуск поездов в соответствии с заданным графиком движения, включающим периоды наиболее интенсивной работы участка в отношении электропотребления.

При отсутствии расчётного графика движения поездов должны быть заданы следующие основные исходные параметры:

· размеры движения в средние сутки месяца интенсивных перевозок;

· минимальные межпоездные интервалы в пакетах поездов различных категорий;

· схема пропуска поездов повышенной массы в периоды интенсивной работы (например, 6300–8000–6300 т);

· продолжительность технологического «окна» и его положение на графике движения относительно периода интенсивной работы;

· перегоны, на которых наиболее вероятны регулярные сгущения поездов одновременно по обоим путям, например, исходя из технологии работы ближайших станций.

2.2.2. В отсутствие исходных данных по п. 2.2.1 принимаются следующие расчётные графики движения поездов.

· На двухпутных и многопутных участках:

В направлении наибольшего электропотребления пакет из N _ич1 поездов, проложенный спустя 8–10 ч от начала графика движения, с интервалом J _р в соответствии с ЦЭ-462, остальные поезда (до и после пакета) средневзвешенной массы в количестве N _с1 – N _ич1 с интервалом, мин,

, (2.1)

где T _ич – продолжительность периода интенсивной работы, мин; T _тех – продолжительность технологического «окна»: T _тех = 120 мин, если не задано иное значение; N _с1 – суточное количество поездов на данном пути.

В обратном направлении поток поездов средневзвешенной массы в количестве N _с2, заданном в сутки для данного пути, с интервалом J ₂ = 1,4 J _р, но не менее 11 мин.

· На однопутных участках:

частично-пакетный график при пропуске пакета из трёх поездов с интервалом согласно ЦЭ-462 в направлении наибольшего электропотребления и при скрещении этого пакета со встречными поездами средневзвешенной массы на всех раздельных пунктах с путевым развитием.

2.2.3. В зависимости от конкретных проектных условий должны рассматриваться также дополнительные режимы:

· пропуск пакета поездов в обратном направлении (при потоке по другому пути), если расходы электроэнергии поездами в обоих направлениях примерно одинаковы;

· пропуск поездов по графику движения для зимнего периода, если электропотребление при нём выше, чем летом.

2.2.4. Проверка выбранной мощности трансформаторов для вынужденных режимов работы системы электроснабжения производится согласно требованиям ЦЭ-462 с учётом норм допустимых аварийных перегрузок. При этом параметры вынужденного режима системы электроснабжения должны соответствовать допустимым минимальным напряжениям на электровозе.

Нагрузки подстанции

2.3.1. Мощность тяговой подстанции постоянного тока или одного плеча подстанции переменного тока в период интенсивной работы, условно называемый “интенсивный час”, приближённо определяется как сумма часовых мощностей по каждому пути (направлению движения) f, кВ·А:

, (2.2)

где M_f – количество путей (направлений движения) в рассматриваемой межподстанционной зоне. На однопутном участке M_f = 2.

Значения S _{ич f} рассчитываются по формуле

, (2.3)

где U _{но м} – номинальное напряжение трансформатора на стороне контактной сети, кВ (п. 2.3.2); U _р – расчётное напряжение, при котором определены расходы электроэнергии поездами, кВ (п. 2.3.4); W _{0 срв f} – полный расход электроэнергии поездом средневзвешенной массы на пути (направлении) f за время хода по зонам, питаемым данной подстанцией (плечом) и отнесённый к этой подстанции, кВ·А·ч (п. 2.3.3); k _снэ – коэффициент, учитывающий мощность собственных нужд локомотива, жизнеобеспечения пассажирского и пригородного поезда (п. 2.3.5);

N _{ич f} – количество поездов в интенсивный час. Для расчётных графиков движения по п. 2.2.2 N _ич1 должно соответствовать ЦЭ-462; в обратном направлении на двухпутном (многопутном) участке N _ич2 = 60 / J ₂, на однопутном N _ич2 = 1; γ_{ч f} – коэффициент заполнения графика движения на пути f в интенсивный час: при длине межподстанционной зоны свыше 45 км для грузовых поездов γ_{ч f} = 0,85, для пассажирских γ_{ч f} = 0,92. Во всех остальных случаях, в том числе при T _ич > 60 мин и для равномерного потока поездов γ_{ч f} = 1.

При необходимости учёта фактических расходов электроэнергии поездами различной массы в пакете используется выражение

, (2.4)

2.3.2. Напряжение U _ном для трансформаторов подстанций постоянного тока равно напряжению холостого хода обмоток U_{d 0т} , приведенному к стороне выпрямленного тока:

· U_ном = U_d0т = 3,7 кВ при 6-пульсовых схемах выпрямителей;

· U_ном = U_{d0 т} = 3,6 кВ при 12-пульсовых.

При системах переменного тока U _ном = 27,5 кВ.

2.3.3. Расход электроэнергии поездом любого типа n может быть получен на основе следующих результатов расчётов.

По удельным расходам электроэнергии w _{у n} , Вт·ч/(т·км), поезда данной категории на участке профиля соответствующего типа:

W_0n = 10^–3 κ w_уn Q_i l_з / k_м, (2.5)

где κ – доля нагрузки, приходящаяся на данную подстанцию: при одностороннем питании зоны κ = 1; при двустороннем κ = 0,5, если не задано иное значение; Q_n – масса поезда, т; l _з – длина зон, питаемых подстанцией (плечом), км; k _м – коэффициент мощности нагрузки трансформатора. При системе постоянного тока k _м = 0,98; при системе переменного тока в условиях движения скоростных поездов с вентильными или асинхронными тяговыми двигателями k _м = 0,95, в остальных случаях k _м = 0,8.

Значение удельного расхода электроэнергии следует принимать по результатам расчётов для участков с аналогичными характеристиками профиля и плана пути, массами поездов и допускаемыми скоростями движения.

По тяговым расчётам для поезда данного типа на участке длиной l _з:

W_0n = κ W_n / k_м, (2.6)

где W_n – потребление активной электроэнергии поездом на данном участке, кВт·ч. Если по результатам расчёта для тяги на переменном токе определяется потребление полной электроэнергии в кВ·А·ч, то коэффициент k _м не учитывается.

По результатам электрических расчётов значение W _{0 n} определяется непосредственно при моделировании графика пропуска одиночного поезда данного типа по рассматриваемым межподстанционным зонам. Расчёты должны производиться без учёта смежных межподстанционных зон (т. е. для выделенного контролируемого участка) при одинаковых напряжениях холостого хода подстанций и при отключённых установках поперечной компенсации реактивной мощности.

2.3.4. При определении W_0n по удельным расходам электроэнергии и по тяговым расчётам напряжение U_р в (2.3), (2.4) принимается:

· U_р = 3 кВ при электротяге на постоянном токе;

· U_р = 25 кВ на переменном.

Если расходы энергии определяются по результатам электрических расчётов, то напряжение U_р принимается равным среднему значению на шинах контактной сети.

2.3.5. В зависимости от категории поезда используются следующие значения коэффициента k _снэ:

· для грузовых 1,02;

· пассажирских 1,05;

· пригородных и скоростных 1,1.

Если мощность собственных нужд и жизнеобеспечения поезда учтена в характеристиках электроподвижного состава, то в (2.3), (2.4) принимают k _снэ = 1.

Подстанции постоянного тока

С учётом характера нагрузок тяговых подстанций постоянного тока определяющим фактором при выборе мощности преобразовательных и понижающих трансформаторов является допустимая кратность перегрузок. Полагая наиболее критичной 1-минутную двукратную нагрузку (см. п. 1.6), для указанных трансформаторов, кВ·А,

S _т = [ S _ич + 0,9 U_{d 0т} (I _{э1 пуск} + I _{э2 пуск})] / 2, (3.1)

где S _ич – часовая мощность подстанции (см. п. 2.3.1); U_{d 0т} – приведенное напряжение холостого хода трансформатора (см. п. 2.3.2); I _{э1 пуск}, I _{э2 пуск} – пусковые токи электровозов поезда наибольшей массы по характеристикам «Правил тяговых расчётов для поездной работы» соответственно в направлении наибольшего электропотребления и в обратном направлении, А. Ток I _{э2 пуск} учитывается только для подстанций, питающих крупные станции.

Подстанции переменного тока

Нагрузочная способность трансформаторов при системах переменного тока определяется, в основном, допустимыми температурами нагрева масла и обмоток, а в отдельных случаях также допустимой 1,5-кратной перегрузкой, которая в данной Методике учитывается для 10-минутного интервала времени. В этих условиях мощность для обеспечения тяговой нагрузки рассчитывается по формуле, кВ·А,:

S _т = k _нич (k _{то б} S _{ич б} + k _{то м} S _{ич м}), (3.2)

где k _нич – коэффициент соотношения требуемого номинального и расчётного часового токов обмотки. При наличии в расчётном пакете (а также в данных для определения средневзвешенной массы) от 20 до 60% поездов с максимальной массой, превышающей в 1,4 раза и более массу остальных поездов, k _нич = 0,87, при всех других сочетаниях поездов k _нич = 0,82; S _{ич б}, S _{ич м} – соответственно большее и меньшее значения часовой мощности из рассчитанных для обоих плеч подстанции (см. п. 2.3.1); k _{то б}, k _{то м} – доля мощности в обмотке от нагрузок плеч соответственно S _{ич б} и S _{ич м}; трёхфазного трансформатора с учётом неодновременности максимумов часовых нагрузок плеч k _{то б} = 2, k _{то м} = 0,45; однофазного трансформатора системы 2х25 кВ k _{то б} = 1,25, k _{то м} = 0; трёхфазного симметрирующего трансформатора системы 25 кВ k _{то б} = 2, k _{то м} = 0; то же системы 2х25 кВ k _{то б} = 2,5, k _{то м} = 0.

В значениях коэффициентов k _{то б} и k _{то м} учтено отношение номинальных мощностей S _ном трансформатора и S _{о ном} фазной обмотки (секции расщеплённой обмотки при системе 2х25 кВ).

Исходные данные и методы расчета

 

Окончательный выбор мощности силового трансформаторного оборудования в системах тягового электроснабжения производится по результатам электрических расчётов с использованием соответствующих программ комплекса КОРТЭС.

Основными исходными данными для расчётов являются:

· схема питания и секционирования электрифицированного участка для нормальных (проектных) условий с предварительно выбранными номинальными мощностями и количеством параллельно работающих трансформаторов;

· расчётный суточный график движения в соответствии с п. 2.2.

Для условий аварийных и вынужденных режимов работы системы тягового электроснабжения схема питания задаётся согласно ЦЭ-462. Допустимый для этих условий график движения определяется подбором категорий, масс поездов и межпоездных интервалов либо расчётами пропускной способности участка.

В соответствии с данной Методикой в программы комплекса КОРТЭС, предназначенные для расчёта режимов работы систем тягового электроснабжения и определения пропускной способности, внесены следующие дополнения:

· токи обмоток трёхфазного трансформатора определяются с учётом заданной мощности районных и нетяговых потребителей;

· в процессе моделирования графика движения поездов для каждой обмотки понижающего трансформатора (автотрансформатора) рассчитываются коэффициенты K _{н t} наибольшей нагрузки относительно номинального тока за периоды t = 1, 10, 60 мин и за время моделирования (среднее значение).

· Допустимые по п. 1.6 значения K _{доп t} коэффициентов нагрузки контролируются только для периодов 1 и 10 мин;

· по методике ГОСТ 14209–85 для каждого трансформатора и автотрансформатора определяются максимальные температуры наиболее нагретой точки обмотки τ_{обм макс} и масла τ_{м макс} в верхних слоях;

· при расчётах пропускной способности устройств электроснабжения определяются коэффициенты K _{инс t} , K _{инс τо}, K _{инс τм} использования нагрузочной способности трансформатора с учётом допустимых значений по каждому из указанных выше показателей:

K_{инс t} = K_нt / K_{доп t} ; ; , (4.1)

где Т_в – температура окружающего воздуха (см. п. 2.1.1);

· из значений, рассчитанных по (4.1), выбирается результирующий (максимальный) коэффициент K _инс. Если его значение больше единицы, то оно автоматически заносится в таблицу ограничивающих устройств (форма № 5 ЭП). Этот коэффициент показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность трансформатора для обеспечения заданной пропускной способности участка.

Анализ результатов

Полученные в результате расчётов значения температуры нагрева Т_{обм макс}, Т_{м макс} и коэффициенты нагрузки K _н1, K _н10 любого трансформатора (автотрансформатора) должны удовлетворять требованиям пп. 1.5 и 1.6. При этом должны соблюдаться также допустимые параметры режима по уровню напряжения и нагреву проводов тяговой сети в соответствии с ЦЭ-462. Недопустимые значения параметров в отчётных таблицах отмечаются звёздочкой.

Если температура τ_в окружающего воздуха отличается от расчётной 35°С (см. п. 2.1.1), то необходимо учитывать фактические максимальные температуры обмотки и масла:

Т_{обм макс ф} = Т_{обм макс} + Т_в – 35; Т_{м макс ф} = Т_{м макс} + Т_в – 35. (4.2)

При превышении температуры и (или) коэффициента нагрузки допустимого значения требуемая мощность трансформатора определяется по формуле

S_треб = S_ном K_инс, (4.3)

где S _ном – номинальная мощность, при которой выполнены расчёты; K _инс – наибольшее значение коэффициента из рассчитанных по (4.1).

Температура обмотки какого-либо трансформатора не превышает 80°С, и коэффициент 10-минутной нагрузки ниже 0,9–0,8, следует выполнить проверочные расчёты при меньшей номинальной мощности этого трансформатора.

Примеры расчетов

Пример 1. Определить требуемую мощность понижающего трансформатора для замены устаревшего на тяговой подстанции постоянного тока. Общая длина подстанционной зоны l _з = 26,7 км. На подстанции установлены агрегаты с 12-пульсовой схемой выпрямителей. В период интенсивной работы планируется осуществлять пропуск пакетов из пяти пар грузовых поездов массой: в нечётном направлении 6300 т двумя электровозами ВЛ10, в чётном 3800 т с одним электровозом той же серии. Мощность районной нагрузки S _р = 1600 кВ·А. Станция является промежуточной: трогание одновременно двух поездов не рассматривается.

Р е ш е н и е.

Расход активной электроэнергии на рассматриваемом участке поездами заданной массы по пути I и II согласно результатам тяговых расчётов, выполненных с учётом собственных нужд локомотивов, составляет соответственно W_I = 2930, W_II = 550 кВт·ч.

Расходы электроэнергии каждого поезда, отнесённые к расчётной подстанции, по формуле (2.6) при κ = 0,5 и k _м = 0,98:

W _{0 I} = 0,5 · 2930 / 0,98 = 1495, W _{0 II} = 0,5 · 550 / 0,98 = 281 кВ·А·ч.

Поскольку длина подстанционной зоны l _з = 26,7 < 45 км, коэффициенты заполнения часового графика движения для обоих путей γ_{ч I} = γ_{ч II} = 1. Согласно п. 2.3.2 номинальное приведенное напряжение трансформатора при 12-пульсовой схеме выпрямителя U _ном = 3,6 кВ. Тяговые расчёты выполнены при напряжении U _р = 3 кВ. Значения часовой мощности на каждом пути по формуле (2.3) при k _снэ = 1 (см. п. 2.3.5) и N _{ич I} = N _{ич II} = 5

S _{ич I} = (3,6/3) · 1495 · 1 · 5 · 1 = 8970; S _{ич II} = 1686 кВ·А.

Мощность подстанции по (2.2) S _ич = 8970 + 1686 = 10656 кВ·А.

Максимальный ток электровоза ВЛ10 на позиции П-ОП3 составляет 2780 А. При двух электровозах в поезде массой 6300 т I _{э1 пуск} = 2 · 2780 = 5560 А