Повышение надежности и качества электроснабжения потребителей тяговых подстанций переменного тока

Актуальность научной работы. Система электроснабжения железной
дороги является одним из её основных комплексных элементов, во многом
определяющим пропускную способность и надежность железнодорожного
транспорта, а следовательно, во многом определяющим реализацию стратегии
развития железных дорог России.
Система электроснабжения включает в себя линии электропередач,
контактную сеть, питающую и отсасывающую линии, рельсовый путь, силовую
подстанцию.
Уровень надежности системы тягового электроснабжения (СТЭ)
непосредственно влияет как на безопасность движения поездов, так и на
бесперебойность движения поездов, что особенно важно при прохождении
тяжеловесных составов, так как значительно возрастают токовые нагрузки и
становятся выше номинальных значений.
В связи с этим к надежному функционированию системы тягового
электроснабжения предъявляются особые требования по надежности,
исключающие аварийные ситуации. Надежность такого оборудования
определяется следующими свойствами: вероятностью безотказной работы,
техническим ресурсом оборудования и его элементов, ремонтопригодностью
оборудования, качеством электроснабжения.
Повышение надежности, эффективности работы, продолжительности
сроков эксплуатации, качества электроэнергии в системе тягового
электроснабжения во много раз уменьшает экономические потери от простоя
оборудования и снижает затраты на ремонты.
Основные положения диссертационной работы находятся в рамках плана
научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на 2013-2015г.
и соответствуют направлениям: «Разработка системы диагностики силовых
трансформаторов в режиме реального времени», «Разработка интеллектуальной
системы тягового электроснабжения переменного тока 1х25 кВ», «Разработка
системы диагностики коммутационного оборудования тяговых подстанций».
Вопросам надежного функционирования и эффективной эксплуатации
системы тягового электроснабжения посвящены работы ученых: Бардушко В.Д.,
Гука Ю.Б., Крюкова А.В., Закарюкина В.П., Львова Ю.Н., Марквардта К.Г.,
Молина Н.И., Пантелеева В.И., Тихомирова П.М., Фигурнова Е.П., Христинича
Р.М., Худоногова А.М., Черемисина В.Т., Чижмы С.Н. и других. Известные работы
не содержат готовых методик, позволяющих учесть комплексное влияние
функционально не связанных параметров на надежное и эффективное
функционирование СТЭ и качество электроснабжения при повышенных тяговых
нагрузках.
Обеспечение надежного и эффективного функционирования системы
тягового электроснабжения, повышение качества электроснабжения потребителей
тяговых подстанций переменного тока при увеличении пропускной способности и
прохождении составов повышенной массы, разработка методики расчета
надежности СТЭ являются актуальными задачами.
Цель исследования: теоретическое обоснование технических решений для
повышения качества электроэнергии и эффективности работы системы тягового
электроснабжения, основанных на учёте взаимосвязи технического состояния и
режимов работы силовых трансформаторов тяговых подстанций на различных
этапах их жизненного цикла.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе
решены следующие задачи:
1. Выявлены причины повреждаемости силовых трансформаторов тяговых
подстанций при предельных тяговых нагрузках и проведен анализ современных
методов и способов их диагностики.
2. Построена математическая модель надежности повреждаемости силового
трансформатора тяговой подстанций, учитывающая взаимосвязи его технического
состояния и режимов работы на различных этапах его жизненного цикла.
3. Разработана методика расчета системы «симметрирующее устройство –
фильтрокомпенсирующее устройство» и выявлены границы ее применения при
определении качества напряжения системы тягового электроснабжения.
4. Создана методика прогнозирования режимов работы силового
оборудования системы тягового электроснабжения на основе комплексного
использования системы «Нейронная сеть – КОРТЭС».
5. Разработаны практические рекомендации по повышению надежности и
эффективности силового оборудования и качества напряжения системы тягового
электроснабжения.
Объект исследования: система тягового электроснабжения.
Предмет исследования: надежность системы тягового электроснабжения и
качество электроснабжения потребителей тяговых подстанций.
Методы исследований. Поставленные задачи решены современными
методами теории вероятности с использованием методов теории надежности,
методов прогнозирования и математической статистики, нейросетевого
моделирования, методов теории электрических цепей и электроснабжения,
экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Предложена математическая модель повреждаемости силового
трансформатора тяговой подстанции, учитывающая техническое состояние и
электрические тяговые нагрузки на различных этапах его жизненного цикла.
2. Установлены математические зависимости системы «симметрирующее
устройство-фильтрокомпенсирующее устройство», позволяющие определить
параметры качества электроэнергии для эффективной работы системы тягового
электроснабжения.
3. Выявлены взаимосвязи и характер влияния параметров и режимов работы
системы тягового электроснабжения на надежность и эффективность силовых
трансформаторов.
4. Разработана методика прогнозирования режимов работы силового
оборудования на основе комплексного использования системы «Нейронная сеть –
КОРТЭС», позволяющая определить номинальные параметры системы тягового
электроснабжения при прохождении составов повышенной массы.
Достоверность результатов. Достоверность полученных научных
результатов, изложенных в работе, определяется строгим обоснованием расчетных
методик и принимаемых допущений, корректным применением современных
методов научных исследований, удовлетворительным совпадением расчетных
результатов с экспериментальными данными, полученными на действующем
промышленном оборудовании. Все разделы работы логически взаимосвязаны, а
выводы и рекомендации органически вытекают из материалов теоретических и
экспериментальных исследований.
Реализация полученных результатов. Результаты исследований
диссертационной работы используются для повышения надежности силового
оборудования и улучшения качества электроснабжения потребителей тяговых
подстанций Красноярской железной дороги (КрасЖД), а также для увеличения
срока безаварийной эксплуатации оборудования районных подстанций публичного
акционерного общества «Межрегиональная распределительная сетевая компания
Сибири» (ПАО «МРСК Сибири). Результаты диссертационной работы внедрены в
учебный процесс Красноярского института железнодорожного транспорта –