1. Решаемые задачи
Компьютерная модель расчёта температуры обмоток и степени износа изоляции трансформаторов предназначена для решения следующих задач:
исследования режимов работы трансформаторов тяговых подстанций в условиях обращения грузовых поездов повышенной массы и скоростных пассажирских поездов с целью разработки типовой методики выбора номинальной мощности трансформаторов при проектировании электрификации железнодорожных участков;
определение на основе моделирования графиков движения поездов допустимости различных эксплуатационных режимов нагрузки тяговых подстанций по нормам нагрева элементов и износа изоляции трансформаторов.
Результатами расчётов являются следующие данные:
максимальные значения температуры нагрева масла и обмоток трансформатора;
степень относительного износа витковой изоляции;
коэффициенты наибольшей средней нагрузки трансформатора за заданные периоды времени;
требуемая номинальная мощность трансформатора для заданного графика нагрузки.
Разработанная модель может функционировать как автономно, так и в составе программного комплекса расчётов тягового электроснабжения КОРТЭС, применяемого при проектировании и эксплуатации электрифицированных участков железных дорог.
2. Описание алгоритмов
Расчёты температуры масла в верхних слоях и наиболее нагретой точки обмотки, а также степень термического износа витковой изоляции трансформатора производятся по методике ГОСТ 14209–85, детально описанной в отчёте по первому этапу данной работы.
Нагрузка трансформатора задаётся разными способами в зависимости от системы тягового электроснабжения, в которой он работает.
При системе постоянного тока 3,3 кВ рассматривается симметричная трёхфазная нагрузка преобразовательного или понижающего трансформатора, приведенная к базовому напряжению UБ = 10 кВ. К этому же напряжению приводится номинальный линейный ток трансформатора и нагрузка районных и нетяговых потребителей. Приведение выпрямленного тока Id подстанции к стороне переменного напряжения UБ осуществляется по формуле:
Iл Б = Id kл Uv 0 / UБ ,
где kл – отношение приведенного действующего значения тока сетевой обмотки к выпрямленному току преобразователя в соответствии с ГОСТ 16772;
Uv 0 – действующее значение номинального напряжения вентильной обмотки преобразовательного трансформатора.
С учётом значений kл и Uv 0 для схем преобразователей, применяемых на тяговых подстанциях Российских железных дорог, имеем
Iл Б = 2,14 Id / UБ при 6-пульсовых схемах,
Iл Б = 2,06 Id / UБ при 12-пульсовых.
Нагрузки обмоток трёхфазного трансформатора системы переменного тока 27,5 кВ различны и зависят от токов плеч подстанции. В этом случае температуры нагрева и износ изоляции рассчитываются для каждой фазной обмотки по её отдельному графику тока, а результирующие показатели нагрузочной способности трансформатора определяются по максимальным значениям этих параметров.
Так же отдельно производятся расчёты для ветвей расщеплённой обмотки подстанционного однофазного трансформатора системы переменного тока 2х25 кВ, подключённых к контактной сети и питающему проводу. При определении нагрузочной способности автотрансформатора системы 2х25 кВ учитывается, что в его последовательной и общей обмотках всегда протекают одинаковые токи.
Нагрузка трансформатора в исходном виде представляется ступенчатым графиком реальных средних токов Ij обмотки на интервалах времени произвольной длительности Δtj . Исходный график преобразуется в последовательность усреднённых относительных (в долях номинального тока Iном) значений нагрузки Ki с постоянным заданным шагом по времени Δtс . По значениям нагрузки на каждом i-том шаге рассчитываются температуры масла τм i и наиболее нагретой точки обмотки Тннт i , а также относительный износ изоляции Fi . При первом расчёте начальные значения превышения температур масла и обмотки принимаются равными нулю. Полагая, что график нагрузки является периодическим, выполняются повторные расчёты с начальными превышениями температуры, равными значениям на последнем шаге предыдущего расчёта.
Из последовательности рассчитанных относительных нагрузок и температур выбираются максимальные значения
Kмакс = max(Ki) ; Тм макс = max(τм i) ; Тннт макс = max(τннт i) ,
и определяется относительный износ изоляции за время T моделирования графика: F = sum(Fi) .
Для тех случаев, когда расчётные параметры не соответствуют нормативным показателям Kмакс доп , ем доп , τннт доп , в модели предусмотрена корректировка заданного номинального тока Iном . На основе специальной итерационной процедуры с использованием обратных зависимостей относительных нагрузок от температуры определяется новое значение I'ном , при котором для заданного исходного графика токов обеспечиваются допустимые температуры масла и обмотки.
Реализована также дополнительная процедура расчёта требуемого номинального тока I"ном для соблюдения условия F = 1. Поскольку зависимости
температуры обмотки и износа изоляции от нагрузки трансформатора имеют сложный характер, эта процедура выполняется в пошаговом режиме на основе рекуррентного выражения
,
где h – номер шага вычислений параметров τннт макс и F; τв э – эквивалентная температура окружающего воздуха при определении износа изоляции.