УДК 621.311.42

Трансформаторные подстанции

Рыбалов Максим Евгеньевич – студент Оренбургского института путей сообщения – филиала Самарского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель Трубин Сергей Васильевич – доцент Оренбургского института путей сообщения – филиала Самарского государственного университета путей сообщения.

Аннотация: в данной статье рассматриваются два направления и специфические задачи эксплуатации трансформаторных подстанций.

Ключевые слова: электрическая тяга, разрешенная мощность, загрузка трансформатора, нагрузочные потери, норматив потерь.

В рамках реформирования энергетической отрасли в России ведется работа по совершенствованию нормативно-правовой базы, которая является важным фактором, определяющим эффективность энергетической отрасли не только в настоящее время, но и в будущем. В то же время можно выделить два направления, в которых следует более детально проанализировать методы инженерного подхода применительно к специфике системы электроснабжения электрических железных дорог переменным током.

Принятые в апреле 2019 года поправки к закону о недискриминационных правилах присоединения к электроустановкам потребителей создали предпосылки для упорядочения системы определения допустимой мощности использования. В частности, был предусмотрен механизм определения этой величины в случае утраты технических условий на присоединение электросетевых организаций (ЭСО) к сетям, а владельцам избыточных значений разрешенной мощности теперь разрешено продавать их частным предпринимателям. Данная законодательная мера в долгосрочной перспективе позволит повысить загрузку существующей передающей сети.

В конце 2018 года была принята вторая редакция Инструкции по регулированию расчета и обоснования норматива технических потерь. Этот документ совершенствует принятые в Российской Федерации нормативы по установлению тарифов на услуги по транспортировке электроэнергии и описывает порядок расчета нормативов потерь электроэнергии при транспортировке. Среди этих потерь очень важными являются потери, связанные с нагревом обмоток силовых трансформаторов на понижающих подстанциях.

В рамках рассматриваемого направления возникают две специфические инженерные задачи:

- Определение допустимой присоединенной нагрузки на трансформаторы электрических железных дорог и расчет нагрузочных потерь в обмотках трансформаторов с учетом характеристик режима энергопотребления тяговой нагрузки.

По данным ОАО "РЖД", общая протяженность электрифицированных линий составляет около 40 000 км. При этом 73% грузовых перевозок в России осуществляется на электрифицированных участках. Важность проблемы видна из того, что схемные решения тяговых понизительных подстанций (ТПП) сильно унифицированы, а среднее расстояние между подстанциями составляет около 50 км.

Основные характеристики эксплуатационных свойств трансформаторов подстанций определяются в зависимости от особенностей режима транспортировки электроэнергии потребителям электрической железной дороги (важные однофазные нагрузки, питающиеся от трехфазной сети).

Отсутствие информации о распределении фазных токов трансформаторов в пакетном режиме делает невозможным анализ режима с применением классического метода симметричных составляющих.

Целью данного исследования является определение фактической мощности трехфазных трансформаторов в условиях несимметричной (тяговой) нагрузки, питающихся от обмоток среднего напряжения.

Критерием наиболее нагруженной отдельной фазы в условиях несимметричной нагрузки является то, что ее значение не превышает номинальной фазной мощности обмотки (одна треть от номинального значения для симметричных нагрузок, подключенных к трансформатору). В случае маслонаполненных трансформаторов с системами охлаждения М и Д первый критерий приемлемости - температура наиболее нагретой части трансформатора не превышает 140°С - выполняется, а второй критерий - температура верхнего слоя масла не превышает 95°С - гарантируется значительно меньшей нагрузкой одной из трех фазных обмоток.

Особенностью данного анализа является необходимость оценки допустимого уровня мощности, передаваемой по обмоткам каждой фазы в условиях, когда оператор располагает только интегральными значениями режимных параметров (P, Q), полученными от объективного регулятора.

Рисунок 1. Схема питания тяговой сети однофазного тока с помощью трехфазного трансформатора, соединенного по схеме Y/-11 (а); векторная диаграмма напряжений первичной и вторичной обмоток (б):

1 – трехфазная линия передачи; 2 – трехфазный трансформатор; 3 – контактная сеть; 4 – рельсы; 5 – нейтральная вставка; 6 – электровоз.

Однолинейная схема исполнения ТПС соответствует схеме, при которой однофазные токи поступают в тяговую сеть от трехфазных трансформаторов (рис. 1). В этой схеме (а на рис. 1) вводится ряд обозначений, используемых для анализа режима работы трансформатора. Векторные диаграммы напряжений в первичной (110 кВ) и вторичной (27,5 кВ) обмотках связаны с начальной и конечной точками фазных обмоток (б на рис. 1), что соответствует группе соединения Y-o/ и общепринятой системе назначения против часовой стрелки. Более подробно описаны значения с индексами в виде римских цифр I, II и III.

С учетом введенных определений напряжения Uas между контактной сетью и рельсом (левая часть рис. 1 а) и Ucb между рельсом и контактной сетью (правая часть рис. 1 а) находятся в фазе с первичными напряжениями U A и UC соответственно (рис. 1 б). Данная схема является трехфазной двухфазной цепью. В общем случае трехфазная система в ней загружена неравномерно.

Отметим, что напряжения фидерной зоны находятся в фазе с фазными напряжениями двух фаз трехфазной системы, в данном случае UC (справа на рис. 1) и U A (слева). Эти фазы условно называются рабочими, а третья фаза B - нерабочей. Эта нерабочая фаза В обозначается цифрой III, затем фаза С - цифрой I и фаза А - цифрой II в соответствии с траекторией вращения вектора.

Комбинированные трансформаторы обычно комплектуются двумя 3-фазными трехобмоточными специальными трансформаторами, основные технические характеристики которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Паспортные данные силовых трансформаторов ТПС

Наименование параметра	Ед.изм.	Т-1	Т-2
Тип		ТДТНГЭ-31 500/110	ТДТНГЭ-31 500/110
Группа соединений обмоток		Y-o//	Y-o//
Номинальные напряжения:
ВН	кВ	110	110
СН	кВ	27,5	27,5
НН	кВ	6,6	6,6
Номинальная мощность обмоток:
ВН	кВ∙А	31500	31 500
СН	кВ∙А	31 500	31 500
НН	кВ∙А	18 000	18 000
Номинальные токи:
ВН	А	165,5	165,5
СН	А	662	662
НН	А	1 591	1 591
Мощность потерь х.х.	кВт	108	87,3
Ток х.х.	%	3,7	1,6
Мощность потерь к.з.:
Рк(в-н)	кВт	288,88	293,3
Рк(в-с)	кВт	204,767	267,3
Рк(с-н)	кВт	310,6	235,3

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• Суммарная мощность тяговых обмоток составляет 31,5 МВ/А;
• Номинальная мощность каждой фазы - 10,5 МВ/А;
• Номинальное напряжение тяговой обмотки - 27,5 кВ;
• Номинальное напряжение обмотки - 27,5 кВ;
• Номинальный ток каждой фазы - 0,662 кА.

С учетом несимметрии нагрузки номинальный ток каждой фазы составляет кА:

I_a=0,662

I_a=0,250

I_c=0,662

Предельные полные фазные мощности по отдельным обмоткам, МВ∙А:

S_a=10,5

S_b=4,0

S_c=10,5

Теперь предлагается использовать эффективные сопротивления ответвлений в диаграмме смещения трансформатора для расчета нагрузочных потерь в обмотках трехфазного трехобмоточного трансформатора. Важнейшим допущением является симметричная загрузка фаз трансформатора, что справедливо для большинства понижающих трансформаторов, но не для тяговых трансформаторов с комбинированной нагрузкой.

Несимметричная загрузка обмотки трансформатора 27,5 кВ

Для анализа влияния несимметричной загрузки обмоток 27,5 кВ на потери в нагрузке удобнее использовать уравнения, в которых используются значения мощности потерь короткого замыкания обмоток, коэффициенты загрузки обмоток и трехпроводная схема замещения тягового трансформатора. Приведенные коэффициенты нагрузки для каждой фазы трансформатора ТПС позволили определить численные значения поправочных коэффициентов на потери в обмотках 110 кВ и 27,5 кВ в зависимости от доли тяговой нагрузки в нагрузке ТПС (табл. 2).

Таблица 2. Кратность увеличения нагрузочных потерь в обмотках тяговых трансформаторов

Доля тяговой нагрузки в общей нагрузке ТПС, о.е.	Кратность увеличения нагрузочных потерь в обмотках трансформаторов по сравнению с симметричным режимом
	Обмотка ВН	Обмотка СН
0	1,000	1,135
0,1	1,001	1,135
0,2	1,005	1,135
0,3	1,012	1,135
0,4	1,022	1,135
0,5	1,034	1,135
0,6	1,049	1,135
0,7	1,066	1,135
0,8	1,087	1,135
0,9	1,110	1,135
1	1,135	1,135
kсредн	1,040	1,135

1. Получены значения, при которых максимально допустимая мощность, передаваемая по обмоткам среднего (27,5 кВ) и высокого (110 кВ) напряжения, меньше номинальной мощности соответствующих обмоток трансформатора.
2. Получены номограммы, позволяющие определить величину допустимой нетяговой нагрузки в зависимости от нагрузки обмоток 27,5 кВ.
3. В нормативном расчете технических потерь транспорта электроэнергии получено уравнение, повышающее точность расчета нагрузочных потерь трансформаторов ТЭС.

Список литературы

1. Постановление Правительства РФ от 27 декабря 2004 г. N 861 "Об утверждении правил недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг, правил недискриминационного доступа к услугам по оперативно-диспетчерскому управлению в электроэнергетике и оказания этих услуг, правил недискриминационного до ступа к услугам администратора торговой системы оптового рынка и оказания этих услуг и правил технологического присоединения энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, объектов по производству электрической энергии, а также объектов электросетевого хозяйства, принадлежащих сетевым организациям и иным лицам, к электрическим сетям".
2. "Инструкция по организации в Министерстве энергетики РФ работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям", утверждена приказом Минэнерго России от 30 декабря 2008 г. № 326, зарегистрирована в Минюсте России 12 февраля 2009 г. №13314.
3. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К.Г. Марквардт. – 4-е изд. – М.: Транспорт, 2021. – 528 с.
4. Копытов, Ю.В. Экономия электроэнергии в промышленности: справочник / Ю.В. Копытов, Б.А. Чуланов. – М.: Энергия, 2022. – 120 с.