ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЯГИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ

Тема научной работы посвящена повышению уровня надежности системы тягового электроснабжения (СТЭ) на железнодорожном транспорте. Надежность системы тягового электроснабжения непосредственно влияет на безопасность движения, ее бесперебойность, что крайне сложно сделать при прохождении тяжеловесных или скоростных составов.

Специалисты отмечают необходимость усиления и модернизации устройств тягового электроснабжения [5, c.18-19]. Такая ситуация сложилась в условиях обеспечения устойчивого тягового электроснабжения на основных  железнодорожных коридорах и перспективном полигоне вождения грузовых поездов весовой нормой 6000 тонн и более, а также на скоростных участках движения пассажирских поездов.

На железных дорогах полным ходом идут процессы оснащения их средствами диагностики узлов и элементов систем тягового электроснабжения.

Основными мероприятиями по повышению надёжности и устойчивости функционирования сетей российских железных дорог, обеспечивающих передачу и распределение электрической энергии на значительных расстояниях, являются следующие [7, c.140-146]:

• схема электрических сетей энергосистем должна предусматривать возможность автоматического деления энергосистемы на сбалансированные независимо работающие части. В случае выхода из строя основных электростанций, распределительная сеть может быть использована для передачи электрической энергии в города и на объекты от других источников электрической энергии (передвижные электростанции, энергопоезда и др.) [6, c.139-150];
• распределительные линии энергосистем напряжением 110-330 кВ должны быть закольцованы, подключены к нескольким независимым источниками электрической энергии и проходить по разным трассам;
• энергосистемы железнодорожных объектов должны иметь запасные защищённые командно-диспетчерские пункты, как правило, за пределами зон возможных разрушений категорированных городов, катастрофического затопления;
• линии электропередачи, передающие электрическую энергию объектам особой важности и первой категории, проходящие по территории категорированных городов, должны выполняться в кабельном исполнении с заглублением в грунт не менее чем на 0,5-0,8 м.;
• транзитные линии, проходящие через категорированные города, должны иметь обходные перемычки в виде воздушных линий за пределами зон возможных разрушений и катастрофического затопления. При прокладке воздушных линий должны соблюдаться требования по ограничению провиса проводов. Расстояние от поверхности земли до нижней точки провисающего провода напряжением 35-110 кВ должно быть не менее 5 м, 220-500 кВ - 5-7 м вне населённых пунктов и над судоходными реками и на 0,5 м больше (5,5-7,5 м) в населённых пунктах [2];
• в схемах электроснабжения железнодорожных объектов должна быть предусмотрена возможность краткосрочного отключения потребителей, цехов и участков железной дороги с целью обеспечения их световой маскировки. При этом должны быть обеспечены мероприятия по безаварийной остановке технологических процессов на опасных объектах, включая использование автономных источников электрической энергии.

Должны быть подготовлены силы и средства для восстановления электроснабжения железной дороги. Состав мероприятий, направленных на повышение безопасности функционирования железных дорог и устойчивости их работы, зависит от мощности трансформаторов, количества распределительных устройств, величины напряжения передаваемого тока, состава и особенностей функционирования противоаварийной автоматики, конструктивных решений выключателей и разъединителей, систем охлаждения трансформаторов.

Особое значение в процессе оптимизации электроснабжения электротяги на железнодорожном транспорте принадлежит оценке эффективности работы тяговых подстанций. 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 является своевременное отключение в резерв силовых трансформаторов при снижении их нагрузки и включение при росте нагрузки.

Силовой трансформатор – это ключевой элемент системы распределения и преобразования электрической энергии, и, по мнению специалистов [4, c.262-265], оптимизация работы тяговых подстанций связана с предотвращением возникновения аварийных и предаварийных ситуаций. Их можно избежать лишь при своевременном обнаружении неисправностей в силовых трансформаторах [3, с.263].

Э.А. Киреевой классифицировала неисправности силовых трансформаторов, выделяя несколько видов [3, с.265], представленных на рисунке 1.

Рисунок 1. Виды характерных неисправностей силовых трансформаторов

На рисунке 1 представлены следующие неисправности. 

1. Старение межлистовой изоляции магнитопровода имеют следующие признаки: растет ток, растут потери холостого хода, ухудшается качество масла за счет повышения его кислотности и понижается температура его вспышки.

2. Признаками повреждения под названием «пожар стали» является рост температуры, возникновение черного и бурого газа непосредственно в газовом реле, который воспламеняется при поджоге, что является следствием  замыкание листов магнитопровода.

3.Частые перегрузки и недостаточное охлаждение приводят к старению и износу изоляции. Проверяют прочность изоляции, вырезая из изоляции разных частей силовых трансформаторов. Проверяют старение и износ изоляции так:  если при полном сгибе под прямым углом электрокартон не ломается, то изоляция хорошая, неудовлетворительная, если ломается.

4. Признаками ослабления прессовки магнитопровода являются дребезжание, подозрительное гудение и даже жужжание.

5. Причинами возникновения виткового замыкание в обмотках является:

- разрушение изоляции обмотки по причине ее износа;

- деформация обмоток по причине КЗ;

- снижение уровня масла;

- толчок нагрузки;

- разного рода перенапряжения и др.

При таком виде неисправностей можно наблюдать нагрев силового трансформатора сверх меры, имеет место бульканье.

6. Визуально можно наблюдать такую неисправность как обрыв обмотки по причине сгорания выходных концов от термического действия. К обрыву приводят плохая пайка проводников и выгорание части витков.

7. Причинами пробоя и перекрытия внешней и внутренней изоляции силового трансформатора становятся  износ изоляции, возникновение трещин в ней, коммутационное и атмосферное перенапряжение.

Итак, объекты структуры железнодорожных путей находятся в режиме бесперебойной работы, а простои влекут за собой экономические потери, но не только это, перебои угрожают жизни и здоровью людей, что особенно важно. Поэтому к системе электроснабжения железной дороги предъявляются очень высокие требования.  Силовые трансформаторы в этой системе являются наиболее значимым звеном и имеют сложную структуру с точки зрения диагностики неисправностей, по сравнению с воздушными и кабельными линиями электропередачи. При диагностике требуются оценка неисправностей текущего состояния, которая представляет собой исследование целого ряда ключевых параметров.

Список литературы:

1. Горюнов С.С., Черодченко А.К. Оптимизация мощности и мест размещения источников реактивной мощности // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. LIII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 5(52). [Электронный ресурс] Режим доступа: https://sibac.info/archive/technic/5(52).pdf (дата обращения: 24.11.2019)
2. Ким К.К. Тяговый трансформатор со стабилизирующими свойствами по напряжению [Электронный ресурс]: монография/ Ким К.К., Ткачук А.А.— Электрон. текстовые данные.— Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2019.— 149 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/85856.html (Дата обращения 24.11.2019)
3. Киреева Э.А. Полный справочник по электрооборудованию и электротехнике (с примерами расчетов): справочное издание / Э.А. Киреева, С.Н. Шерстнев; под общ.ред. С.Н. Шерстнева. - 2-е изд., стер. - М.-: Кнорус, 2013. - 864 с.
4. Козменков О.Н., Калаев А.Е. Методы диагностики технического состояния силовых трансформаторов// Наука и образование транспорту. – Самара: Самарский государственный университет путей сообщения, 2016. - №1. – С. 262-265
5. Почавец В.С., Электрификация железнодорожного транспорта, состояние и перспективы развития железнодорожного транспорта // Московский государственный университет путей сообщения, Брянский филиал МИИТ/ 2012 - №2(2) – с.18-19
6. Седнев В. А. Инженерно-технические мероприятия по подготовке электроэнергетических сооружений и систем к устойчивому функционированию // Технологии техносферной безопасности. - Вып. 1 (83). - 2019. - С. 139-150
7. Членов А. Н., Самышкина Е. В. Организация формирования тактико-технических требований к системам комплексной безопасности объектов // Технологии техносферной безопасности/2017 - № 2 (72) - с. 140-146