CC BY
58
УДК 621.331
КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
В.Д.Бардушко1, В.П.Закарюкин2, А.В.Крюков3
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
В задаче определения износа витковой изоляции силовых трансформаторов тяговых подстанций железных дорог данные, получаемые из автоматизированной системы контроля и учета электропотребления, представлены в виде получасовых значений расхода активной и реактивной электроэнергии по трехфазным вводам, а тяговая нагрузка характеризуется существенной несимметрией. Эти обстоятельства требуют перехода к эффективным получасовым значениям тока и пофазного учета нагрузок. Представленная методика позволяет производить непрерывный пофазный контроль износа по данным электропотребления на тягу поездов и расходам электроэнергии нетяговыми потребителями. Разработанная авторами система программно-аппаратного контроля остаточного ресурса тяговых трансформаторов внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию. Ил. 9. Библиогр. 11 назв.
Ключевые слова: системы тягового электроснабжения; силовые трансформаторы; контроль ресурса.
CONTROL OF RESIDUAL RESOURCE OF TRACTION TRANSFORMERS V.D. Bardushko, V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov
Irkutsk State University of Railway engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
In the problem of determining the wear and tear of coil insulation of power transformers in traction railway substations the data from the automated system of control and accounting of electricity consumption are presented in half-hourly values of active and reactive power consumption for three-phase inputs. Traction load is characterized by the significant asymmetry. These circumstances require the transition to effective half-hourly current values and phase-by-phase load control. The presented procedure enables continuous phase-by-phase monitoring of wear and tear according to the data of power consumption for power trains traction and power consumption by non-tractive consumers. The authors developed the system of software and hardware control of the residual resource of traction transformers, which has been implemented in pilot production. 9 figures. 11 sources.
Key words: traction power supply systems; power transformers; resource control.
Содержание технических средств железнодорожного транспорта на высоком эксплуатационном уровне, обеспечивающем безопасность движения поездов и высокую эффективность процесса перевозок, невозможно без объективной информации об их фактическом состоянии. Объекты железных дорог содержат большое количество устройств, длительная эксплуатация которых без надлежащего диагностирования технического состояния может привести к выходу их из строя и значительному материальному ущербу. Для реализации эффективного диагностирования этих устройств необходимы современные методики и технические средства контроля.
Одним из наиболее дорогостоящих и ответственных элементов систем тягового электроснабжения являются силовые трансформаторы: тяговые (ТТ) и районные понизительные (РПТ). Многие из этих
трансформаторов отработали нормативный ресурс. На тяговых подстанциях одной из железных дорог Сибири установлено 266 тяговых и районных понизительных трансформаторов [1]. Группировка трансформаторов по сроку службы представлена на рис. 1.
Анализ приведенных данных позволяет сделать следующие выводы:
• треть трансформаторов имеют срок службы, превышающий нормативный, равный 25 годам;
• четвертая часть всех трансформаторов имеют срок службы, превышающий 30 лет.
Отечественный и мировой опыт показывает, что эффективная эксплуатация изношенных трансформаторов возможна только на основе развитых систем мониторинга технического состояния, выполненных на базе современных информационных технологий [2-6].
1Бардушко Валерий Данилович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроснабжения железнодорожного транспорта, тел.: (3952) 638345, e-mail: barvadan@irgups.ru
Bardushko Valery Danilovich, Doctor of technical sciences, professor, Head of the chair of Electrical Supply of Railway Transport, tel.: (3952) 638345, e-mail: barvadan@irgups.ru
Закарюкин Василий Пантелеймонович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта, тел.: (3952) 638345, e-mail: zakar@irk.ru
Zakaryukin Vasily Panteleimonovich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Electrical Supply of Railway Transport, tel.: (3952) 638345, e-mail: zakar@irk.ru
3Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта, тел.: (3952)638345, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Kryukov Andrey Vasilievich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Electrical Supply of Railway Transport, tel.: (3952) 638345, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Так, например, новые условия функционирования энергетики в Бразилии и Германии заставили обратить особое внимание на эксплуатацию трансформаторов, отработавших нормативный срок. Эффективным средством повышения надежности работы, снижения ремонтных расходов, продления срока службы является использование систем непрерывного контроля состояния трансформаторов. Обработка данных измерений и их анализ осуществляются вычислительной техникой, передача данных - современными средствами телекоммуникаций, включая Интернет [2]. Использование адекватных математических моделей трансформатора позволяет надежно оценивать его состояние. При этом расчетный ход процесса сравнивается с информацией, получаемой от измерительных датчиков, выявляющих большинство возникающих при работе дефектов.
Внедрение системы мониторинга состояния и режимов работы трансформаторов тяговых подстанций позволит создать базу для перехода к их обслуживанию по фактическому техническому состоянию. Технология контроля основных параметров режима и состояния витковой изоляции трансформаторов позволит получить следующие результаты:
• сокращение частоты текущих ремонтов;
• повышение надежности электроснабжения тяги
поездов и нетяговых потребителей;
• сокращение ущерба от аварийных и нештатных ситуаций;
• уменьшение времени нахождения системы тягового электроснабжения в вынужденных режимах;
• повышение безопасности движения и сокращение времени задержек поездов;
• обоснованное продление срока эксплуатации трансформаторов, отработавших 25 лет.
Анализ статистических данных [3-8] о повреждаемости трансформаторов (рис. 2, 3) позволяет сделать следующие выводы:
• повреждаемость трансформаторов ТДТНЖ существенно возрастает после 8-12 лет эксплуатации, а для трансформаторов ТДТНЖУ - после 25 лет (рис.
2);
• при условии интенсивного использования наиболее повреждаемым узлом является устройство регулирования напряжения (РПН), рис. 3;
• если интенсивность использования РПН невысока, что характерно для тяговых подстанций, то наиболее повреждаемым элементом следует считать изоляцию обмоток.
Процедуры оценки состояния изношенных трансформаторов находятся на стадии становления. В дистанциях электроснабжения филиалов ОАО «РЖД»
ш
о ср о
О -&
О X
го ср
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
QQ С
Более 50 лет Более 40 лет Более 30 лет Более 20 лет Более 10 лет Менее 10 лет Рис. 1. Распределение трансформаторов по сроку службы
lililí Вероятность
7
ТДТНЖ
ТДТНЖУ
1 2 3 4 5 6 7 В 9 10 11 12 13 14 15 16 17 15 19 20 21 22 23 24 25 26 27 20 29 30 31
Срок службы
Рис. 2. Кривые вероятности разрушения обмоток силовых трансформаторов
имеется современная вычислительная техника, которая обеспечивает информационную поддержку функционирования железной дороги. В частности, внедрение автоматизированных систем учета и контроля электропотребления (АСКУЭ) позволяет в режиме реального времени получать информацию о получасовых расходах активной и реактивной электроэнергии на тягу поездов и по вводам распредустройств районных потребителей 6-10 кВ. Эта информация может быть использована для мониторинга состояния силовых трансформаторов. При мониторинге целесообразно контролировать следующие параметры:
• кратность и длительность перегрузки;
• степень несимметрии токов;
• потери электрической энергии.
Структура системы мониторинга ТТ и РПТ представлена на рис. 4. В качестве исходной информации для определения степени старения витковой изоляции используются данные о получасовых расходах электроэнергии и показания датчиков температуры. При этом определение остаточного ресурса изоляции может осуществляться по методике, изложенной в [9].
Прочие 12%
Вводы 12%
На баке и в масле 15%
Рис. 3. Повреждаемость узлов трансформатора: МП - магнитопровод; РПН - устройство регулирования
напряжения под нагрузкой
(Датчик \ температуры
Рис. 4. Структура системы мониторинга тяговых трансформаторов
.0
ЕЗ 0,180
О X
£ 0,160 о
а 0,140 т
0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000
1 1 1 1 Д эля
£ 0,120 о
X
ЕЁ
о 0,100
<и ш
0,080
0,060
0,040
0,020
0,000
Рис. 5. Гистограмма распределения доли нагрузки левого плеча ТП1
-н — —
— —
п Доля
Рис. 6. Гистограмма распределения доли нагрузки левого плеча ТП2
Общий износ изоляции обмоток состоит из динамической и тепловой составляющих. Определение весовых коэффициентов этих составляющих требует обработки большого статистического материала, который может быть получен на основе системы мониторинга.
В задаче контроля износа витковой изоляции трансформатора есть два существенных аспекта:
• исходные данные представлены в виде получасовых значений расхода активной и реактивной электроэнергии по трехфазным вводам;
• тяговая нагрузка характеризуется существенной несимметрией.
Первый аспект ввиду малой постоянной времени нагрева обмотки (порядка 6 мин) обусловливает необходимость перехода к эффективным получасовым значениям тока, а второй аспект требует пофазного учета нагрузок. Методика решения задачи пофазного учета нагрузок по данным АСКУЭ предложена авторами в работе [10].
Износ изоляции сетевой обмотки тягового трансформатора определяется наиболее нагруженной фазой, однако информация, поступающая из АСКУЭ, содержит данные в целом по вводам трансформатора. Неопределенность расклада тяговой нагрузки по
плечам питания (и соответственно по фазам тяговой и сетевой обмоток) в первом приближении может быть устранена заданием фиксированной доли нагрузки тягового плеча. Однако такой подход занижает износ трансформатора. Прямое решение проблемы заключается в мониторинге токов плеч питания и в уменьшении интервала получения данных, что требует больших затрат. Снизить погрешности, возникающие за счет фиксации доли нагрузки плеча, можно на основе статистических методов. Получить доли нагрузок плеч к,, к,, можно путем экспериментального измерения мощностей или токов плеч питания за характерные сутки4. Ввиду получасового усреднения значений мощности, получаемых из АСКУЭ, можно ограничиться экспериментальной гистограммой распределе-
4Коэффициенты к,, к,, можно получить посредством использования программного комплекса имитационного моделирования систем тягового электроснабжения РД7ОИОР0, разработанного в Иркутском государственном университете путей сообщения [11]. С помощью комплекса РД70И0РО на основе данных о поездной работе можно выполнить имитацию работы рассматриваемого участка, что позволит определить искомые коэффициенты.
Навигация по ЭЧ
Файл Трансформаторы Настройки Помощь "1
и ИТа6лиц^| $ Дорога 3 'фВыход LI
^АТЬ-ИГИМСК 214
ЭЧ-1
ЭЧ-5
Рис. 7. Навигация по дистанциям электроснабжения
ния доли нагрузки с шагом около 0.05. Измерения подобного характера проведены для двух тяговых подстанций (ТП) Восточно-Сибирской железной дороги (рис. 5, 6). Среднее значение доли нагрузки левого плеча подстанции ТП1 равно 0.59 при среднеквадратичном отклонении 0.12, причем максимум заметно отличается от среднего значения. Распределение доли нагрузки плеча ТП2 значительно отличается от распределения рис. 5, что связано с большими уклонами профиля пути вблизи этой подстанции. Прохождение тяжелых поездов с интервалами около получаса приводит к преобладающей загрузке того плеча, на межподстанционной зоне которого находится тяжелый поезд. В такой ситуации неучет неравномерности загрузок плеч приводит к большой погрешности расчета износа: даже при загрузке трансформатора около 10% принятие гипотезы одинаковых долей нагрузок плеч приводит к занижению износа наиболее загруженной фазы примерно на 20%, а при приближении загрузки трансформатора к номинальной различия составят сотни процентов.
Алгоритм определения доли нагрузки по экспериментальному распределению сформирован следующим образом.
1. По вероятностям pi попадания значения kI в
заданный интервал определяется интегральная веро-
k
ятность Pk = ^ pi.
i=1
2. На основе использования стандартной процедуры Random определяется реализация случайной
величины, равномерно распределенной в диапазоне от нуля до единицы.
3. Полученное значение равномерно распределенной случайной величины сравнивается с интегральной вероятностью Pk и выбирается интервал наименьшего к, в котором Pk больше значения равномерно распределенной случайной величины.
4. Середина интервала к определяет искомое значение ^ для текущей реализации.
Расчеты износа можно проводить в двух вариантах:
• определение износа без учета ретроспективы по имеющимся данным получасовых расходов электроэнергии, без отображения оставшегося срока службы;
• расчеты с учетом предыдущей (до запуска АСКУЭ) работы трансформатора по информации о грузообороте и продолжительности окон; предполагается использование регрессионных зависимостей, обновляемых по мере накопления информации АС-КУЭ.
Система программно-аппаратного контроля остаточного ресурса тяговых трансформаторов, реализованная на основе первого варианта описанной методологии, внедрена в опытно-промышленную эксплуатацию. Программный комплекс мониторинга состояния и режима работы трансформаторов тяговых подстанций переменного тока 1х25 кВ предназначен для непрерывного контроля износа витковой изоляции трех-обмоточных тяговых трансформаторов по данным
АСКУЭ с решением следующих задач:
• получение текущей информации по расходам электроэнергии по вводам трансформаторов из базы данных АСКУЭ;
• расчеты потоков мощности по фазам районной, тяговой и сетевой обмоток с учетом изменения тяговой нагрузки и статистики ее разброса по плечам
Параметры подстанции
питания ТП;
• расчеты температур верхних слоев масла и наиболее нагретых точек фаз сетевой обмотки трансформатора с определением износа витковой изоляции с учетом неравномерности загрузки фаз и изменения температуры воздуха;
• представление динамики износа изоляции,
Подстанция ¡Иркутск-Сортировочная
Тр N° |подстанция
| Транс-р J ^
1 Иркутск-Сортировочная 1Т
2 ТайшетЗапад 1Т
yf Редактировать ; Сохранить
+ Добавить X Cancel
Удалить
Трансформатор |1Т
1ИП |ТДТНЖ-40000Л 1 5 Дата начала контроля |09.09.2007
Начальный износ
Г
Shom.кВА| 40000 Срок службы | 25 Цном. кВ Рк. кВт
115
IX. % | 200 Рх. кВт[
0.9
63
Среднегод.темп. возд.."С J~ Амплитуда год, хода. °С
7
Амплитуда суг. хода. "С |"
Нач. температура тран-ра. °с| 55
Постоянная нагрева масла, мин. | 150
Постоянная нагрева о ¡¡мотки. мин. 6
Выбор вариантов ввода новых имен
Выбор варианта Г* Заменить текущую запись
• Добавить новую запись
Название подстанции ¡рудногорск
Название ввода 27.5 кВ |Вв 27.5КВ 1Т Т|
Название районного ввода |Вв 27.5нВ 2Т Т|
^ Добавить и заполнить |
^ Добавить |
Щ Закрыть
Названия подстанций и точек учета должны совпадать с названиями в базе данных Альфа-Центра!
Рис. 8. Окно ввода паспортных параметров
Контроль состояний трансформаторов
Расчет игноса Импорт Помощь
в*! jy _®j
Износ изоляции
j Данные е
й форма j
Таблица расхода электроэнергии н к
ГЧв тр-ра I Дата |время Акт.СН+,кВт*ч|Акт.СН-,кВт*ч|Реа.СН+1квар»ч|реа.СМ-,квар •ч|акт.НН+,кВт*ч Акт.НН-,кВт*ч|Реа.НН+,квар*ч|р< л
► 1 10.09.2007 0:30:00 S2S3.5 0 2912 0 5649 0 4438
1 10.09.2007 1:00:00 6888 0 3990 0 3227 0 3003
1 10.09.2007 1:30:00 6671 0 3969 0 3020.5 G 30S9.5
1 10.09.2007 2:00:00 6251 0 3916.5 0 2947 0 3125.5
яш а
Параметры трансформаторов
N9 тр-ра (подстанц ия |Трансформатор |Тип тр -ра (дата начала|На ч.износ jcpc к службы |s л
1 Иркутос-Сортировеммя 1Т ГДТНЖ-40000Л15 £©.092007 0 25
2 Тайшет Запад 1Т ТДТНЖ~40000Л 1S 10.09 2007 0 25 „
Рис. 9. Определение текущего значения износа
температур и мощностей по фазам сетевой обмотки во времени в графической и табличной формах с выделением суточного, месячного и годового интервалов представления информации;
• экспорт графической и табличной информации в офисные программные комплексы;
• использование картографической информации для выбора дистанции электроснабжения (ЭЧ) и тяговой подстанции с возможностью использования любой географической карты в формате BMP и ее настройкой на границы ЭЧ и ТП (рис. 7);
• ведение локальной базы данных по расходам электроэнергии, температурам и износам изоляции.
Библиографический список
1. Программно-аппаратный контроль остаточного ресурса 1999. С. 207-208 тяговых трансформаторов / В.Д.Бардушко [и др.] // Комплексная система содержания инфраструктуры ОАО "РЖД". Инфраструктура 2009. М.: Интекст, 2009. С. 104-106.
2. Алексеев Б.А. Обследование состояния силовых трансформаторов // Электрические станции. 2003. №5. С. 74-80.
3. Бочев А.С., Костюков А.В., Щурская Т.В. Диагностика состояния обмоток тяговых трансформаторов // Локомотив. 1997. № 11. С. 37-39.
4. Бочев А.С., Щурская Т. В. О концепции построения комплексной системы управления техническим состоянием трансформаторов тяговых подстанций // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. М., 2001. С. VII-7.
5. Щурская Т.В. Комплексная система технического обслуживания силовых трансформаторов тяговых подстанций электрических железных дорог // Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта. Ростов-на-Дону,
Окно ввода паспортных параметров трансформатора показано на рис. 8. На рис. 9 представлен пример расчета текущего износа.
Вывод. На основе данных об электропотреблении, получаемых из автоматизированной системы учета электроэнергии, возможен непрерывный мониторинг износа силовых трансформаторов. Разработанная программно-аппаратная система позволяет производить пофазный контроль износа с учетом несимметрии и различий нагрузок тяговых плеч питания по данным электропотребления на тягу поездов и расходам электроэнергии нетяговыми потребителями.
6. Береговских А.В., Сазыкин В.Г. Экспресс-диагностика и мониторинг состояния трансформаторного электрооборудования газодобывающих комплексов // Проблемы энергетики. 2006. № 7-8. С. 93-96.
7. Воропай Н.И. Надежность систем электроснабжения. Новосибирск: Наука, 2006. 205 с.
8. Ершевич В.В., Зейлигер А.Н., Илларионов Г.А. [и др.]. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1985. 352 с.
9. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982. 528 с.
10. Непрерывный контроль остаточного ресурса тягового трансформатора / В.Д.Бардушко [и др.]. // Контроль. Диагностика. 2008. № 8. С. 23-28.
11. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Имитационное моделирование систем тягового электроснабжения. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2007. 124 с.
УДК 621.311
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА И РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
В.А.Пионкевич1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен вопрос разработки математической модели асинхронного генератора и регулятора напряжения на базе пакетов расширения Simulink и SimPowerSystems программы MATLAB. Представлены схема регулятора напряжения на основе встречно-параллельно включенных тиристоров, коммутирующих емкости возбуждения асинхронного генератора. Приведено описание по настройке параметров моделирования асинхронного генератора и регулятора напряжения. Ил. 7. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: асинхронный генератор; регулятор напряжения; источник реактивной мощности.
MATHEMATICAL MODEL OF ASYNCHRONOUS GENERATOR AND VOLTAGE REGULATOR V.A. Pionkevich
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author deals with the question of developing a mathematical model of the asynchronous generator and voltage regulator on the basis of Simulink and SimPowerSystems expansion packages of the MATLAB program. He presents the circuit for the voltage regulator on the basis of the counter-parallel-connected thyristors, switching the excitation capacities of the asynchronous generator. The description of modeling parameters setting of the asynchronous generator and voltage regulator is given. 7 figures. 3 sources.
Key words: asynchronous generator; voltage regulator; source of reactive power.
1Пионкевич Владимир Андреевич, аспирант, тел.: (3952) 405749, e-mail: pionkevichva@istu.edu Pionkevich Vladimir Andreevich, postgraduate student, tel.: (3952) 405749, e-mail: pionkevichva@istu.edu
