автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Мероприятия по снижению динамическихвоздействий токов короткого замыкания на обмоткитяговых трансформаторов подстанций 27,5 кВ

Министерство Путей Сообщения Российской Федерации Ростовский Государственный Университет Путей Сообщения

~ п На правах рукописи

; •.:) - - .

'; ; . Костюкоз Александр Владимирович УДК 621.331:621.316.3:621.311

Мероприятия то снижению динамических воздейстшзй токоз короткого замьшашш на обмотки тяговых трансформаторов подстанщш 27,6 кВ

Специальность 05.22.09 - «Электрификация железнодорожного транспорта»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1997

Работа выполнена на кафедре «Теоретически основы электротехники» Ростовского Государственного Университета Путей Сообщения

Научный .руководитель -

академик АТ РФ, доктор технических наук, профессор Бочев Александр Сергеевич. (г. Ростов-на-Дону & Офшдиальныеогшоненты -

Декан энергетического факультета, доктор технических наук, профессор" Быкадоррэ Александр Леонович.

Заведующий кафедрой электротехники и автоматики Ростовского Государственного Строительного Унигерси-тега, кандидат технических наук, •доцент Кононенко Виталий Витальевич.

Ведущее предсфийтвс -

Зашита диссертации состоится « 9 рЛнЛаря • 1^98 года в часов в конференц-зале РГУПС иа заседании диссертационного совета Д. 114.08.01 при Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, Площадь. Народного ополчения 2, РГУПС.

С диссертацией можно ознакомиться о библиотеке университета.

Автореферат разослан « / » аекаорл 1997 г:

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять по адресу: 344038, г. . Ростов-на-Дону, Площадь Народного ополчения 2, РГУПС, учёному секретарю.

Учёный секретарь диссертационного совета Д. 114.08,01, кандидат технических наук, доцент ' Лившиц МЛ

■J

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Для бесперебойного движения поездов на электрифицированных участках необходимо прежде всего обеспечение высокой надёжности работы устр'йств электроснабжения, в частности одного из основных элементов системы электроснабжения - тягового трансформатора.

В последние годы участились случаи выхода из строя силовых трансформаторов на тяговых подстанциях переменного тока электрифицированных железных дорог. Наиболее часто разрушению подвергались трансформаторы мощностью 40 МВА, при этом большое число авзрий относится к трансформаторам, проработавший в среднем С 12 лет. Как, свидетельствуют акты внутреннего осмотра поврежденных.трансформаторов, основной причиной отказа является разрушение оинсгск под действием электродинамических усилий ,в режимах короткого згиыкания (КЗ).'

: Это обуславливается тем, что' на питающих 'фвдергх число коротких'замы-каннй по статистическим чанным часто преьашпет 1С0 КЗ в год. Особенно это характерно для коротка; фидеров, пигаюадх депозегеие й станционные пути.

Ввиду малой протяженности зон питаний этих фидеров /зее КЗ на них являются близкими и характеризуются большими ударными токами короткого замыкания. Переходкой процесс при близких, КЗ на стороне 27,5 кЕ сопрозождгетсй протеканием больших токоз с установившимся действующим значением до 7,27 кА, а импульсы тока короткого замыкания достигают в наиболее неблагоприятных случаях 13,5 /сА:; Они повторяются до момента отключения выключателя токовой отсечкой 6 4- 7 раз, постепенно незначительно снижаясь, что и приводит к разрушению обыотяк тяговых трансформаторов. Поэтому необходимо либо повысить механическую прочность обмоток, либо снизить величину ударного- тока короткого замыкания. Это, no-перзых/ приведет к снижению злектррдинам!1.ч0Ских;

воздействий на обмотки тяговых трансформаторов, а во-вторых, позволит

повысить надежность работы тягового трансформатора и продлить срок его

■ \

С этой целью можно использовать токоограничительные реакторы. 1 Однако применение демпфирующих реакторов вызывает возникновение дополнительных потерь энергий, ухудшение коэффициента мощности, возникновение неравенства напряжений на разомкнутом< воздушном промежутке и секционном изоляторе и ряд других нежелательных факторов.

Задача снижения элехтродинамиче^сих воздействий токов короткого замыкания требует комплексного рассмотрения ряда вопросов: причины разрушения обмоток тяговых трансформаторов; анализ влияния ^?окоо короткого замыкания на обмотки тяговых трансформаторов; определение показателей, характеризующих предельные параметры режимов работы тяговых трансформаторов; необходим сравнительный анализ влияния различных видов токоограничительных сопротивлений на процесс короткого замыкания; разработка устройств но ограничению ударных токов короткого замыкание и снижению электродинамических воздействий: разработка ор-' ганизационных мероприятий по снижению числа и уменьшению воздейст-> вия токов КЗ на устройства'электроснабжения; разработка технических требований на тяговый трансформатор с улучшенными электродинамическими характеристиками; разработка метода диагностики обмоток тяговых трансформаторов.

Работа была включена в план научно-исследовательских работ МПС (тема 14.02.8) за 1494 - 1996 годы и тема 14.03.45 за 1997 Г.).

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка . комплекса теоретических и практических мероприятий по снижению динамических воздействий токов короткого замыкания на обмотки тяговых трансформаторов подстанций 27,5 кВ.

ОРщаЯ МГТОДИКЯ ИссДЗДФМЕЦИ

Включает теоретические и экспериментальные методы. Был произве-

дён анализ основных показателей, характеризующих надёжность работы тягового трансформатора, на осноео которого намечены основные пути повышении стойкости обмоток тягового трансформатора к электродинамическим воздействиям.

Выполнен анализ воздействия различных токоограничительных устройств на процесс короткого замыкания, при этом предложены технические устройства по снижению ударных токов короткого замыкания. Производились теоретические исследования различных вариантов конструктивного исполнения и взаиморасположения обмоток тягового трансформатора. По полученным результатам теоретических исследований стало возможно определить основные конструктивные изменения при проектировании нового трансформатора с улучшенными электродинамическими характеристиками. Теоретически обоснована упрощённая методика диагностики обмоток тяговых трансформаторов.

Научная новизна:

- проведён "анализ кривой тока короткого замыкания при отсутствии и наличии токоограничительных устройств;

- разработано и теоретически обосновано устройство для комплексного решения двух задач: по ограничению токоз короткого замыкания и снижению величины уравнительных токов;

- в соответствии с проведёнными исследовании и расчётами был разработан проект «Технических требований на трансформатор с улучшенными электродинамическими характеристиками»;

- разработаны организационные мероприятия по снижению ч'/сла и уменьшению воздействия токов КЗ на обмотки тяговых трансформаторов;

- разработана упрощённая методика диагностики состояния обмоток тяговых трансформаторов, основанная на проведении опыта короткого замыкания.

Достоверность научных положении и выводов обоснована и

подтверждена результатами экспериментальных исследований, проведённых на действующих тяговых подстанциях переменного тока.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Токоограничительные сопротивления/ разработанные по заказу, рекомендованы ЦЭ МПС к использованию на фидерах контактной сети, питающих депо и станции.

На оснозо сформированных технических требований совместно с АО «Электротяжмаш» составлено «Техническое задание на разработку конст-рукторско-технологической документации на создание трансформатора ТДТНЖУ-40000/ НО-У1 с повышенной динамической стойкостью». Б 1997 г. выпущены первые экземпляры данного трансформатора, которые будут использоваться при электрификации участка Вологда-Архангельск.

Разработанная упрощённая методика диагностики состояния обмоток тяговых трансфооматорои, осноеанная на проведении опыта короткого замыкания, по техническому указанию МПС должна использоваться на тяговых подстанциях переменного тока.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на заседании технического совета Управления Электрификации и Электроснабжения МПС РФ 'в феврале 1995 г., на третьей международной научно-технической конференции МЕТ'97 в Политехническом Университете г. Варшава в сентябре 1997 г., на научных конференциях преподавателей и сотрудников РГУПС в 1997 г., на второй межвузовской научно-методической конференции РГОТУПС в 1997 г на расширенном заседании кафедры «Теоретические основы электротехники» РГУПС в 1997 г.

Сдуунтур? .и Диссертация содержит 170

страниц машинописного текста, 33 рисунка, 22 таблицы и состоит из введения. ыести глав, заключения, списка использованных источников (71 наименование) н 4 приложений на 27 страницах

Основное содержание раАотм.

Во введении приведены данные, подтверждающие актуальность темы и определены основные направления исследований.

В первой главе производится обзор существующего состояния вопроса, дана общая характеристика токов короткого замыкания и воздействия различных видов коротких замыканий на обмотки тпговых трансформат ров. Рассмотрены тепловые процессы в трансформаторе при аварийных ргжимах, особенно в зимний период. Показано, что возн'лкгоилиг при этом резкие и неравномерные изменения температуры прнацд<? к значительной деформации электроизоляционных материалов, что, п свою очередь, снижает электродинамическую стойкость обмоток трансформатора. По статистическим данным выхода из строя тяговых трансформаторов производится анализ повреждаемости тяговых трансформаторов. Анализ показывает, что основным видом повреждений является потеря механической прочности обмоток.

Определены основные показатели, характеризующие предельные параметры режимов работы трансформаторов в реальных условиях.

На основе проведённого анализа предложены организационно-технические мероприятия, позволяющие снизить разрушение обмоток тя-. говых трансформаторов от динамических воздействии токов короткого за мыкания. Структурная схема решения поставленной задачи представлена на рис.

Бо второй главе приводятся результаты расчёта кривой нарастания тока короткого замыкания при близких коротких замыканиях и выполнен анализ технических мероприятий по ограничению ударных токоз короткого замыкания. Рассматриваются возможные способы ограничения ударного тока короткого замыкания с использованием активного, индуктивного и емкостного сопротивлений. Проведён сравнительный анализ влияния то-коограничивающнх сопротивлений на процесс короткого згмыкания. Анализ показал, что основным эффективным средством ограничения токов ко-

Структурная схема решения проблемы

Рис. 1.

?

роткого замыкания является демпфирующее активное сопротивление. 1$ отличие от других рассмотренных способов ограничения токов короткого замыкания, помимо снижения ударного тока короткого замыкания, происходит еще и более быстрое затухание апериодической составляющей тока короткого замыкания, что также уменьшает степень динамических воздействий на обмотки тяговых трансформаторов (рис. 2.). По директиве ЦЭ МПС (ЦЭТ/5 от 01.08.95) рекомендуется использовать разработанные РГУПС токоогранцчительные сопротивления, включаемые в рассечку деповских фидеров, где токи в среднем ие превышают 50 А. Во избежание дополнительных потерь энергии при постоянном включении в рассечку питающего фидера активного сопротивления разработано устройство, позволяющее вводить демпфирующее сопротивление только в момент КЗ.

Для комплексного одновременного решения двух задач: по ограничению токов короткого замыкания и снижению уровня уравнительных токов разработано устройство, представленное на рис. 3. Данное устройство состоит из зольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка ВДТ включается в цепь отсоса тяговой подстанции, а первичная обмотка подключается к тяговой обмотке одной из фазы АВ, ВС или СА с прямой или обратной полярностью. 3 качестве "ВДТ -рекомендуется использовать трансформаторы ОЦР, применяемые на ЭЛС. Данное устройство позволяет во-первых, снизить величину уравнительного тока фидерной зоны за счёт регулирования угла сдвига фаз я величины напряжений плеч питания подстанций (рис. 4.).

Зо-вгорыу/ устройство позооляет ограничить величину ударного тока короткого замыкания. При возникновении короткого замыкания вторичная обмотка ВДТ играет роль демпфирующего реактора с сердечником. При 5том в момент КЗ происходят изменение направления потока мощности, сольтодобзвочным трансформатором. На рис. 5 представлен один из вариантов схем замещения с использованием ВДТ. Согласно рис. 5 составлена, система уравнений по методу уравнений Кирхгофа;

Кривая тока короткого замыкания

1 - без использования токоограничительных сопротивлений;

2 - использованием токоограиичительного сопротивления /? = 7,27 Ом;

3 - с использованием демпфирующего рггктора Хр = 4;2 Ом.

Рис. 2.

.1,1 .

Устройство для ограничения ударных токов короткого заммкания и минимизации уравнительных токоз

Рис. 3 '

Векторная диаграмма напряжений при использовании зодьто&О'Зяпфшого

трансформатора

Рис. 4.

1К '<¿2 + + Л -'¿ст - Л

./и-г,+ /ж-г*+■/,<., = £ (1)

где £ - питающее напряжение системы, приведенное к напряжению 27,5

2С - сопротивление система приведенное к напряжению 27,5 кВ, Ом;

2т - сопротивление тягового трансформатора, Ом;

2/, - эквивалентное сопротивление ВДТ первичной и вторичной

обмотки, Ом;

¡1 - ток нагрузки тягового трансформатора, Л;

](п - первичный тох ВДТ, А, - ток петли КЗ, А;

£к - сопротивление петЛи КЗ, Ом;

Яд - сопротивление взаимоиндукции, Ом;

Ит - коэффициент трансформации;

~ ¿с *

После 'решения системы (I.), получим:

На рис. 6. представлен график зависимости / = Из этого ри-

сунка видно, что ток 7ет меняет знак, а следовательно осуществляется передача мощности через ВДТ в фазу, к которой подключена первичная об-моткг ВДТ.

В третьей главе проанализированы причины возникновения коротких замыканий на электрических железных дорогах, в частности проведён анализ технологических процессов работы депо и станций. Было установлено, что большое число КЗ на фидерах, питающих электродепо вызвано самими условиями выполнения технического обслуживания электровозов.

Это связано с испытаниями электровоза под напряжением контактной сети. Проверяют действие защит от коротких замыканий на корпус

Эквивалентная однофазная схема замещения

Рис. 5

График зависимости тока в первичной обмотке трансформатора Цт) от сопротивления короткого замыкания I?*)

ЛОо

А

О

-¡оо ■1оо •Н-а»

-♦оо

-300

-еоо

< 3 4 .5 б ? 4

/

/

/

/

! ........

1»

Рпс. б.

.силовых и вспомогательных цепей, дифференциального реле, реле контроля защиты, а также работу гласного выключателя при включении и отключении его при пониженном давлении воздуха в резервуарах и т.п. Исходя из анализа причин возникновения коротких замыканий предложены мероприятия по снижению числа и уменьшению воздействия токов КЗ на устройства электроснабжения.

3 четвертой глав« определены показатели, характеризующие предельные параметры работы трансформаторов в реальных условиях и конструктивные параметры трансформаторов, обеспечивающих требуемую надежность их работы в аварийных режимах. Проводились и анализировались расчёты динамической устойчивости тяговых трансформаторов для различных вариантов конструктивного исполнения. Проведённый анализ позволяет сформулировать основные пути повышения электродинамической стойкости силовых трансформаторов тяговых подстанций:

.-' повышение напряжения короткого замыкания между тяговой обмоткой и обмоткой высокого напряжения;

- дополнительное вложение меди (в тяговую обмотку);

- изменение взаиморасположения обмоток (тяговой обмотки и сетевой);

- оптимизация строения обмоток;

- применение освоенных в последние годы новых технологических решений, направленных на повышение стойкости обмоток трансформаторов при коротких замыканиях.

На основе проведённых исследований был разработан проект «Техничесгшк требований из трансформатор с улучшенными электродинамическими характеристиками». На основе этих технических требований совместно с сотрудниками АО «Электротяжмаш» разработано «Техническое задание ш разработку конструкторско-технологической документации на согданне трансформатора ТДТНЖУ-40000/1Ю-У8 с повышенной динамической стойкостью». Данный тип трансформатора выпущен

и будет использоваться для электрификации участка Вологда-Архангельск.

В пятой главе рассматривается система контроля и диагностики состояния тяговых трансформаторов.

Произведён сравнительный анализ распространённых и современных методов диагностики обмоток тягсвых трансформаторов, таких как: импульсное дефектографирование обмоток с помощью низковольтных импульсов, диагностика усилий прессовки обмоток с'помощью трансформаторов по их вибрационным характеристикам, метод измерения сопротивления короткого замыкания.

Анализ показал, что наиболее простым и доступным, не требующим дополнительных затрат и использования сложного дорогостоящего оборудования является метод измерения сопротивления КЗ. Данный метод основан на измерении величины индуктивного сопротивления рассеяния Хц, Х/з, Х?з и в сравнении этих значений с результатами измерений заведомо исправного оборудования. При деформациях обмоток, особенно радиальных, изменяются расстояния обмоток- между собой и относительно магни-топровода. Происходит изменение конфигурации магнитных потоков рассеяния, это приводит к изменению сопротивления короткого замыкания Хк, а следовательно и к изменению 2*.

Активное сопротивление обмоток тяговых трансформаторов существенно меньше индуктивного сопротивления, поэтому можно принять Zк « Хк и численные значения индуктивных сопротивлений можно считать пропорциональными соответствующим значениям напряжения короткого замыкания Кк/2, ик!3, ик2.г

■ При обнаружении изменения напряжения короткого замыкании в пределах от 1,5 до 3% от паспортных значении необходимо производить измерения ик после каждого последующего короткого замыкания С величиной тока более 2500 Л, а при изменении более, чем на 3% трансформатор следует вывести из работы в ремот\

Разработанная методика позволяет проводить опыты короткого замыкания при пониженном напряжении 0,4 кВ, от трансформатора собственных нужд. Данная методика является простой и доступной для внедрения в ближайшее время на тяговых подстанциях.

На основании проведённых работ с участием автора разработанная методика утверждена ЦЭ МПС и разослана на дистанции электроснабжения.

В шестой главе приводятся методика и результаты технико-экономических обоснований использования трансфооматора с улучшенными электродинамическими характеристиками и токоограничительных сопротивлений.

Технико-экономическая оценка использования трансформатора с повышенной динамической устойчивостью обмоток состоит из двух этапов: из оценки стоимости нового трансформатора и оценки целесообразности его использования. Расчёты показали, что приведенные годовые затраты нового трансформатора с улучшенными электродинамическими характеристиками отличаются от серийного несущественно, не более, чем приблизительно на 2%. Однако при усовершенствовании конструкции нового трансформатора коэффициент запаса радиальной устойчивости возрос приблизительно в четыре раза, следовательно, в четыре раза ожидается и увеличение значения средней наработки до первого отказа, что приводит к значительному повышению надежности работы трансформатора. Экономический эффект от использования трансформатора с улучшенными электродинамическими характеристиками с учетом всех затрат составит 1039,58 млн. рублен за 25 лет эксплуатации. Экономический.эффект от использования токоограничительного сопротивления также определяется относительно повышения устойчивости обмоток к динамическим воздействиям. Годовой экономический эффект от использования токоограничивающего сопротивлени. в цепи деповского фидера составляет 32,025 млн. рублей.

Заключение.

I. По анализу статистических данных о лыходе из строя тяговых транс-

¡юрматоров были выявлены основные виды повреждений тяговых трансформаторов. Установлено, что наиболее часто выходят из строя обмотки ■яговых трансформаторов, питающих депо и станции. Составлена расчётная схема замещения тягового трансформатора и оп-»еделены её параметры. Из теоретических расчётов следует, что при ¡лизких коротких замыканиях для уменьшения воздействия токов КЗ на >бмотки тяговых трансформаторов необходимо использовать дополнительные токоограничивающие сопротивления, включаемые в рассечку Лидера контактной сети.

Проведён сравнительный анализ влияния различных токоогрй:'.««»лвах»-цнх сопротивлений на процесс коротких замыканий. Разработано устройство для ограничения ударных токов Kjpc.w-.orq за-1ыкани>. на основе принципа ограничения тока КЗ с помощью резистор-[ого ограничителя, а также жидкометаллического самовосстанавлнваю-го с я предохранителя и тиристоров. На данное устройство оформлена аявка на получение патента Российской Федерации.'на изобретение, 'азработаио устройство для снижения уравнительных токов и ограни-ения токов короткого замыкания. Данное устройство позволяет ком-лексно решить следующие вопросы: снизить величину уравнительного ока межподстанционной зоны и величину ударного тока короткого заикания. В нормальном рабочем режиме обеспечивается минимизация равнительного тока, а в аварийном режиме безннерцнонио обеспечива-тся ограничение ударного тока короткого замыкания. На устройство формлена заявка на получение патента Российской Федерации на нзо-ретение.

'абота выполнялась п рамках отраслевой программы МПС, полученные езультаты были доложены на заседании секции ЦЭ МПС и нашли от-ажения в техническом указании ЦЭ при. использовании тохоограничи-яющих сопротивлений.

1роизпедён анализ технологических процессов работы депо и станции,

предложены организационно-технические мероприятия по снижению числа и уменьшению воздействия токов КЗ на устройства электроснабжения.

8. Разработан проект «Технических требований на трансформатор с улучшенным» электродинамическими характеристиками*.

9. На основе разработанных технических требований совместно с сотрудниками АО «Электротяжмаш» разработано «Техническое задание на разработку конструкторско-технологнческон документации на создание трансформатора ТДТНЖУ-'10000/110-У1 с повышенной динамической стойкостью.

10. Разработана упрощённая методика измерения сопротивления короткого замыкания, в качестве источника испытательного напряжения рекомендуется использовать либо трансформатор собственных нужд подстанции, либо обмотку 6 -г Ш кВ другого трансформатора, либо источник питания повышенной частоты. Данная методика утверждена ЦЭ МПС и разосла-

. на на участки.железных дорог.

11. Выполнено технико-экономическое обоснование мероприятий и технических устройств снижения влияния ударных токов короткого замыкания на обмотки тяговых трансформаторов.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах;

1. Костюков A.B. Шурская Т.В., Кузнецов А.З. Анализ токов короткого замыкания силовых трансформаторов тяговых подстанций переменного тока. //Актуальные проблемы железнодорожного'транспорта. Межвузовский сборник научных трудов, 4.2. Ростов-на-Дону: РГУПС, 1995, с. 140-144.

2. Бочез A.C., Костюков A.B., Щурская 7.В. Повреждаемость обмоток тяговых трансформаторов,можно снизить. //Локомотивы, 1997, №4, с. 37-38.

3. Бачеи A.C., Костюков A.B. Продление срока службы тяговых транс-

форматоров. //Материалы второй межвузовской научно-методической конференции: Тезисы докладов. Москва: РГОТУПС, 1997, с. 23-24.

1. Бочев Л.С., Щурская Т.В., Костюков A.B. Динамические воздействия

^ <

токов короткого замыкаиия на тяговые трансформаторы и защита от них. //Тяга и системы электроснабжения для современных электрических железных дорог.: Тезисы докладов третьей международной научно-технической конференции. Варшава: Политехнический университет. 1997, с. 112-114. (англ.) 5. A.C. РФ. Устройство для защиты обмоток тяговых трансформаторов от динамических воздействий токов КЗ. A.C.- Бочев, Т.В. Щурскап, В.В. Кузнецов, A.B. Костюков, Н.М. Шумун (РФ) - Положительное решение по заявке №96114117/11 (0/9895). !. A.C. РФ. Устройство для снижения уравнительных токов и ограничения ударных токов КЗ. A.C. Бочев, А.В- Костюков (РФ) - Положительное решение по заявке №97113990/28 (014024). Бочев A.C., Щурская Т.В., Костюков A.Bi Диагностика состояния обмоток тяговых трансформаторов. //Локомотивы, 1997 (в печати). I. Костюков A.B., Шумун Н.М. Разработка принципов создания быстродействующих защит на деповских фидерах //Повышение надёжности и долговечности устройств электрических железных дорог. Межвузовский сборник научных трудов, Ч.З. Ростов-на-Дону: РГУПС (в печати).

Автор выражает признательность к.т.н., ведущему научному сотруд-ику РГУПС Тамаре Всеволодовне Щурской за консультации н поддержку ри выполнении диссертационной работы.