Развитие экономики нашей Родины, обладающей огромными территориями, невозможно без совершенствования работы транспортных систем. Исторически сложилось так, что уже не одно столетие в России главную роль в перевозочном процессе играют железные дороги, которые являются «кровеносными артериями» страны. Так сегодня открытое акционерное общество «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД») перевозит 42% всех грузов и 40% пассажиров [1]. Поэтому необходимым условием расцвета Российской Федерации в XXI веке является технический прогресс и оптимизация перевозочного прогресса на железнодорожном транспорте.
В связи с этим руководители ОАО «РЖД» неоднократно подчёркивали, что реализация «Стратегии развития железнодорожного транспорта на период до 2030 года», которая получила одобрение Президента и Правительства страны, невозможна без формирования инновационных направлений, основанных на последних достижениях научно-технического прогресса [2].
Одним из важнейших объектов железнодорожного транспорта являются тяговые и трансформаторные подстанции от надежности и бесперебойности работы которых зависит перевозочный процесс. Поэтому в Концепции обновления тяговых подстанций, трансформаторных подстанций и линейных устройств тягового электроснабжения, основополагающим принципом технической политики ОАО «РЖД» в области сооружения и реконструкции подстанций, является принцип необходимости достижения оптимального баланса между капитальными затратами на сооружение и реконструкцию электроэнергетических объектов, с одной стороны, и эксплуатационными расходами на их содержание, основу которых составляет показатели надежности функционирования этих объектов, с другой стороны.
Для решения этих задач необходим поиск новых резервов в совершенствовании работы, дальнейшего пути развития технических средств, технологий обслуживания, повышения надежности работы устройств в условиях повышения веса и скорости движения поездов.
Начиная со своего появления, увеличение надежности подстанций, достигалось в основном усложнением схем высоковольтных распределительных устройств, основным коммутационным аппаратом которых являлись баковые масляные выключатели.
Существующие типовые схемные решения распределительных устройств питающего напряжения ТП были разработаны с учетом надежности оборудования существовавшего в 70 — 80Ь1Е годы XX века (масляные выключатели, разъединители РНДЗ, разрядники и подобное оборудование). Такое оборудование в дальнейшем будем называть устаревшим.
В конце 90х годов как у нас в стране, так и за рубежом был освоен выпуск высоконадежного электротехнического оборудования, которое практически может считаться необслуживаемым. Это вакуумные (для среднего уровня напряжения) и элегазовые (для высокого уровня напряжения) выключатели, конструктивно более совершенные типы разъединителей, современные ограничители перенапряжений не имеющие ограничений по числу срабатываний, принципиально новые устройства для измерения тока (пояс Роговского) и напряжения (емкостной датчик). Такое оборудование в дальнейшем будем называть современным.
Значительный рывок в этом направлении был достигнут разработкой интегрального силового оборудования (ИСО), то есть содержащего в одном корпусе нескольких коммутационных и измерительных аппаратов. Примером ИСО могут служить элегазовые ячейки PASS производства ABB (Италия) [3] и элегазовые аппараты ВЭБР производства Энергомаш (Россия). Применение такого оборудования в распределительных устройствах позволяет практически на порядок увеличить надежность работы подстанций.
Однако стоимость этих устройств достаточно велика. Поэтому установка вышеперечисленных современных аппаратов в существующих схемах распределительных устройствах приведет к значительному повышению стоимости подстанций, что может явиться препятствием на пути внедрения новой техники.
Таким образом, внедрение высоконадежного оборудования должно сопровождаться совершенствованием схем распределительных устройств. Вполне вероятно, что это приведет не только к снижению капитальных затрат на сооружение подстанций и занимаемых ими площадей, но и, к увеличению надежности электроснабжения потребителей из-за снижения общего числа аппаратов.
Цель диссертационной работы — совершенствование схемных решений распределительных устройств (РУ) питающего напряжения тяговых и трансформаторных подстанций с учетом увеличения надежности силового электротехнического оборудования.
Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи.
1) Провести анализ существующих схемных решений, рассмотреть различные методики определения показателей надежности и выявить их преимущества и недостатки.
2) Разработать новые схемные решения РУ питающего напряжения подстанций.
3) Разработать математическую модель и создать программный комплекс для определения показателей надежности произвольной электрической схемы.
4) Определить параметры надежности существующих и предложенных схем РУ подстанций, выполнить их анализ, и на основе технико-экономического сравнения, дать рекомендации по выбору схем РУ питающего напряжения для всех типов подстанций.
Объектом исследования являются распределительные устройства подстанций.
Предметом исследования являются схемные решения распределительных устройств питающего напряжения подстанций.
Методы исследования. Автором применен математический аппарат теории надежности, теории графов и теории игр. Для описания процессов использованы аналитическая модель с применением метода включения-исключения и статистическое моделирование по методу Монте-Карло.
Научная новизна работы.
1. Разработаны схемные решения РУ питающего напряжения различных типов подстанций.
2. Разработаны аналитическая и статическая математические модели, позволяющие определить параметры надежности произвольной электрической схемы.
3. Выполнены расчеты, произведен анализ и выбраны наиболее экономичные схемы РУ питающего напряжения подстанций.
Практическая значимость исследования.
1) Предложенные схемы РУ питающего напряжения могут быть использованы при проектировании подстанций.
2) Разработанные методики и программа для ЭВМ позволяют определять показатели надежности произвольной электрической схемы и могут быть применены при исследовании любых сложных систем.
3) Рекомендации по выбору схем РУ питающего напряжения для различных подстанций могут быть использованы при реконструкции действующих подстанций и электрификации железных дорог.
На защиту выносятся.
1) Усовершенствованные схемные решения РУ питающего напряжения подстанций.
2) Математические модели, позволяющие определить параметры надежности произвольной электрической схемы: аналитическая — с применением метода включения-исключения и статистическая — с применением метода Монте-Карло.
3) Результаты расчета и анализ показателей надежности, а также рекомендации по выбору различных схемных решений РУ питающего напряжения.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании тяговых подстанций 53-х километрового обхода станции Березники Свердловской железной дороги — филиала ОАО «РЖД», а также используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 190 401 «Электроснабжение железных дорог».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (г. Екатеринбург, 2006 г.) — четвертый Международный симпозиум «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.) — Научно-техническая конференция «Разработка и совершенствование электрооборудования для систем тягового электроснабжения железных дорог» (г. Екатеринбург, 2009 г.) — Международная научно-техническая конференция «Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура» (г. Екатеринбург, 2011 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 12-и печатных работах, из которых 3 статьи в журнале, входящем в Перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций, свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ и патент на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Содержание изложено на 128 машинописных страницах, в том числе включает 14 таблиц и 51 рисунок.
Список использованных источников
содержит 68 наименований.
4.3 Выводы по разделу.
1. Сравнение параметров надежности различных схем распределительных устройств питающего напряжения однотипных подстанций показало, что их надежности имеют незначительное расхождение, а в ряде случаев практически совпадают. Это подтверждает сделанное ранее в данной диссертации предположение о том, что некоторое упрощение сложных электрических схем, при повышении надежности их отдельных элементов, не приводит к снижению, а в отдельных случаях даже увеличивает показатели надежности всей системы в целом. Применение ИСО незначительно повышает показатели надежности по сравнению с заменой всего электротехнического оборудования на современное, но при этом имеет наименьшее время восстановления, что позволяет его применять при электроснабжении наиболее ответственных потребителей, например, участков высокоскоростного движения.
2. Анализ результатов расчета показателей надежности для распределительных устройств питающего напряжения отпаечных подстанций показал, что:
1) замена в типовой схеме устаревшего оборудования современным приводит к увеличению надежности на 18% (замена разрядников на ОПН — на 2,5%, замена разъединителей — на 6%, замена выключателей — 15,8%);
2) в предложенной схеме без перемычки, при её реализации на современном отдельно стоящем оборудовании, вероятность отказа в 2 раза меньше по сравнению с типовой на устаревшем оборудовании;
3) установка интегрального силового оборудования приводит к уменьшению вероятности отказа от 2 (схема с перемычкой) до 5,5 (схема без перемычки) раз по сравнению с типовой на современном отдельно стоящем оборудовании.
3. Анализ результатов расчета показателей надежности для распределительных устройств питающего напряжения транзитных подстанций при транзите электрической энергии показал, что:
1) замена в типовых схемах устаревшего оборудования на современное, приводит к увеличению надежности транзита от 1,5% (при схеме с ремонтной перемычкой со стороны питающей линии) до 28% (при схеме с ремонтной перемычкой со стороны понижающих трансформаторов);
2) в предложенной схеме без выключателя в перемычке, при её реализации на современном отдельно стоящем оборудовании, надежность транзита уменьшается на 15%, но по сравнению с типовой на устаревшем оборудовании увеличивается на 8,9%;
3) в предложенной схеме с выключателем в перемычке, при её реализации на современном отдельно стоящем оборудовании, надежность транзита уменьшается на 9%, но по сравнению с типовой на устаревшем оборудовании увеличивается на 16,5%;
4) применение интегрального силового оборудования в предложенных схемах распределительных устройств позволяет повысить надежность транзита до 10% по сравнению с типовой на современном отдельно стоящем оборудовании.
4. Анализ результатов расчета показателей надежности для распределительных устройств питающего напряжения транзитных подстанций при электроснабжении потребителей показал, что:
1) замена в типовых схемах устаревшего оборудования на современное приводит к увеличению надежности на 10,5% (замена разрядников на ОПН — на 2,9%, замена разъединителей — на 0,45%, замена выключателей — 8,4%) в схеме с ремонтной перемычкой со стороны питающей линии и на 9,8% (замена разрядников на ОПН — на 1,1%, замена разъединителей — на 0,5%, замена выключателей — 6,47%) в схеме с ремонтной перемычкой со стороны понижающих трансформаторов;
2) в предложенной схеме без выключателя в перемычке, при её реализации на современном отдельно стоящем оборудовании, вероятность отказа уменьшается на 23% по сравнению с типовой на устаревшем оборудовании;
3) в предложенной схеме с выключателем в перемычке, при её реализации на современном отдельно стоящем оборудовании, вероятность отказа уменьшается на 38%) по сравнению с типовой на устаревшем оборудовании;
4) реализация предложенных схем распределительных устройств на интегральном силовом оборудовании позволяет уменьшить вероятность отказа в 8,3 раза по сравнению с типовой на современном отдельно стоящем оборудовании.
5. Анализ результатов расчета показателей надежности для распределительных устройств питающего напряжения опорных подстанций при электроснабжении промежуточных подстанций и потребителей показал, что:
1) замена в типовой схеме устаревшего оборудования современным приводит к увеличению надежности на 22,3% (замена разрядников на ОПН — на 2,7%>, замена разъединителей — на 0,7%, замена выключателей — 16,7%>) при числе вводов равном четырем;
2) в предложенной схеме без обходной системы шин, при её реализации на современном отдельно стоящем оборудовании, вероятность отказа уменьшается на 19% по сравнению с типовой на устаревшем оборудовании;
3) реализация предложенных схем на интегральном силовом оборудовании позволяет увеличить надежность от 3,6% до 26,7% в зависимости от доли современного отдельно стоящего оборудования.
6. Оценка удельного параметра эффективности замены оборудования показала, что наиболее эффективным способом модернизации является замена разрядников на ограничители перенапряжений (отпаечная ТТП — 24,8, транзитные ТТП — от 0,22 до 28,8, опорные ТТП — 27), однако они позволяет повысить надежность не более чем на 3%. А наименее эффективным способом модернизации является замена разъединителей (отпаечная ТТП — 1,91, транзитные ТТП — от 0,086 до 0,85, опорные ТТП — 0,064), так как их число достаточно велико, что повышает затраты, а вносимое изменение надежности в большинстве случаев минимально и не превышает 6%. Замена выключателей позволит значительно повысить показатели надежности при высоком показателе эффективности замены оборудования (отпаечная ТТП — 5,27, транзитные ТТП — от 0,19 до 4,91, опорные ТТП — 1,59).
7. Технико-экономическое сравнение показало, что при реализации предложенных схем на современном отдельно стоящем оборудовании, по сравнению с типовыми схемами, приведенные затраты уменьшаются: для отпаечных подстанций на 28%, для транзитных подстанций на 18%) и для опорных — на 25%. Реализация предложенных схем на интегральном силовом оборудовании увеличит приведенные затраты: для отпаечных подстанций на 44%, для транзитных подстанций на 31% и для опорныхна 46%.
7. Учитывая то, что в настоящее время интегральное силовое оборудование не выпускается в Российской Федерации, то распределительные устройства питающего напряжения следует комплектовать на современном отдельно стоящем оборудовании. Поэтому на сегодняшний день наиболее перспективными для внедрения являются:
1) для отпаечных подстанций — это схема без перемычки;
2) для транзитных подстанций — это схема без выключателя в перемычке;
3) для опорных подстанций — это схема без обходной системы шин.
8. По мере освоения производства упрощенных ячеек интегрального силового оборудования в РФ будет появляться возможность замены нескольких коммутационных аппаратов одной ячейкой. Поэтому в краткосрочной перспективе подстанции могут быть выполнены по следующим схемным решениям:
1) отпаечные подстанции — это схема без перемычки на ячейках интегрального силового оборудования типа 10+108;
2) транзитные подстанции — это схема без выключателя в перемычке на ячейках интегрального силового оборудования типа 308 и элегазовым выключателем или на ячейках интегрального силового оборудования типа 10+108 и 208;
3) опорные подстанции — это схема без обходной системы шин выполненной на ячейках интегрального силового оборудования 10+108.
9. В долгосрочной перспективе, когда в РФ будет освоен выпуск всего спектра силового оборудования, подстанции могут быть выполнены по следующим схемным решениям:
1) транзитные подстанции — это схема без выключателя в перемычке на двух укрупненных ячейках интегрального силового оборудования 1(^+3(28.
2) опорные подстанции — это схема без обходной системы шин выполненной на двух укрупненных ячейках интегрального силового оборудования типа 4С)+6С)8 и 5(3+6С)8.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
При выполнении диссертационной работы были достигнуты следующие результаты.
1. Произведен анализ существующих схемных решений распределительных устройств питающего напряжения тяговых и трансформаторных подстанций, рассмотрены различные методики определения показателей надежности, выявлены их преимущества и недостатки.
2. Разработаны новые схемные решения распределительных устройств питающего напряжения для всех типов тяговых и трансформаторных подстанций: отпаечной (на ответвлениях), транзитной (проходной) и опорной (узловой). При разработке схем учитывалось значительное увеличение в последние годы надежности силового оборудования.
3. Для отпаечных подстанций предложено пять схем распределительных устройств питающего напряжения, причем в двух из них исключена перемычка, состоящая из двух разъединителей. Отсутствие перемычки позволит в схеме на отдельно стоящем оборудовании значительно снизить, с восьми до двух, количество разъединителей, а в схеме на интегральном силовом оборудовании применить более простые ячейки. Схема распределительных устройств питающего напряжения отпаечных подстанций без перемычки на интегральном силовом оборудовании была внедрена при сооружении тяговых подстанций во время электрификации 53-х километрового участка Свердловской железной дороги — филиала ОАО «РЖД».
4. Для распределительных устройств питающего напряжения транзитных подстанций разработана группа схем без выключателя в перемычке, новизна которых подтверждена патентом на изобретение РФ № 2 403 662. В предложенных схемах, по сравнению с типовыми, число.
114 разъединителей снижается на четыре, а выключателей — на один. Применение таких схемных решений позволит сооружать промежуточные подстанции, по количеству и составу оборудования аналогичные отпаечным, но которые смогут осуществлять транзит электроэнергии, автоматически секционируя при этом линию электропередач.
5. Для опорных подстанций предложены схемы распределительных устройств питающего напряжения без обходной системы шин. Отказ от обходной шины позволил уменьшить число выключателей на один, а разъединителей от восьми (при числе вводов равным трем) и до одиннадцати (при числе вводов равным шести), по сравнению с типовой схемой.
6. Разработаны две математические модели расчета надежности сложных электрических систем. Эти модели основаны на представлении распределительных устройств структурной схемой надежности с дальнейшим её преобразованием в направленный />граф и нахождением множеств минимальных путей используя теорию путей и сечений. По множеству минимальных путей определяется надежность системы в целом. В одной модели — аналитической — это производится методом включения-исключения, в другой — статистической — методом Монте-Карло. Преимуществом аналитической модели является высокая точность полученных результатов, а недостатком — экспоненциальный рост числа слагаемых в уравнении при увеличении числа элементов системы. При этом возникает необходимость составления и решения очень сложного уравнения. Поэтому для произвольных электрических схем более предпочтительным является статистический метод, в котором нет необходимости составлять громоздкие уравнения и который при достаточно большом числе розыгрышей дает вполне точные результаты.
7. Для расчета параметров надежности, анализа и сравнения схем между собой по статистической модели была составлена методика расчета, разработан алгоритм и написана программа расчета показателей надежности, которая закреплена авторским свидетельством о государственной регистрации № 2 009 612 452.
8. Выполненное сравнение параметров надежности предложенных схем распределительных устройств питающего напряжения однотипных подстанций показало, что их показатели надежности не ниже показателей типовых схем. Так при реализации предложенных схем на современном отдельно стоящем оборудовании, по сравнению с типовыми схемами, вероятность отказа уменьшается: для отпаечных подстанций в 2,13 раза, для транзитных подстанций в 1,75 раза и для опорных в 1,23 раза. Это подтверждает сделанное ранее в данной диссертации предположение о том, что некоторое упрощение сложных электрических схем, при повышении надежности их отдельных элементов, не приводит к снижению, а в большинстве случаев ведет к увеличению показателей надежности всей системы в целом. Реализация предложенных схем на интегральном силовом оборудовании уменьшает вероятность отказа по сравнению со схемами на отдельно стоящем оборудовании: для отпаечных подстанций в 2,61 раза, для транзитных подстанций в 1,3 раза и для опорных в 4,5 раза.
9. Оценка эффективности замены того или иного оборудования показала, что наибольший удельный эффект (на сколько процентов увеличится надежность работы устройства при капитальных затратах в один млн. руб.) наблюдается от замены разрядников ограничителями перенапряжений, из-за низкой стоимости последних. Однако надежность работы распределительных устройств при этом увеличивается незначительно до 3%). Поэтому внедрение ограничителей перенапряжений следует применять при низком уровне финансирования. Если же уровень финансирования достаточно высок, то в первую очередь необходимо осуществить замену масляных выключателей на элегазовые, что приведет к существенному повышению (до 22,08%) надежности работы распределительных устройств питающего напряжения подстанций.
Наименьший эффект наблюдается при внедрении на подстанции новых.
116 разъединителей. Поэтому замену старых разъединителей при модернизации распределительных устройств можно рекомендовать в последнюю очередь.
10. Из проведенного технико-экономического сравнения видно, что при реализации предложенных схем на современном отдельно стоящем оборудовании, по сравнению с типовыми схемами, приведенные затраты на сооружение и эксплуатацию распределительных устройств питающего напряжения подстанций снижаются: для отпаечных на 28%, для транзитных на 18% и для опорных на 25%. Выполнение предложенных схем на интегральном силовом оборудовании увеличивает, по сравнению с типовыми схемами, приведенные затраты: для отпаечных подстанций на 44%, для транзитных подстанций на 31% и для опорных на 46%.
11. Обобщая результаты диссертационной работы можно дать следующие рекомендации по выбору схемных решений распределительных устройств питающего напряжения тяговых и трансформаторных подстанций: а) в настоящее время интегральное силовое оборудование не выпускается в РФ и, как следствие, распределительные устройства, выполненные на отдельно стоящем оборудовании, имеют значительно меньшие затраты. Это значит, что в ближайшие годы распределительные устройства питающего напряжения следует комплектовать на современном отдельно стоящем оборудовании. Поэтому на сегодняшний день для внедрения можно рекомендовать следующие схемы устройств питающего напряжения: для отпаечных подстанций — это схема без перемычкидля транзитных подстанций — это схема без выключателя в перемычкедля опорных подстанций — это схема без обходной системы шинб) при организации производства в РФ упрощенных ячеек интегрального силового оборудования, когда их стоимость значительно снизится, следует сооружать распределительные устройства по предложенным в диссертации схемам на базе этих ячеек. Поэтому в краткосрочной перспективе подстанции могут быть выполнены по следующим схемным решениям: отпаечные подстанции — это схема без перемычки на ячейках типа «один.
117 выключатель и один разъединитель" — транзитные подстанции — это схема без выключателя в перемычке на ячейках типа «три разъединителя» и элегазовых выключателях или на ячейках типа «один выключатель и один разъединитель» и «два разъединителя" — опорные подстанции — это схема без обходной системы шин на ячейках типа «один выключатель и один разъединитель" — в) в долгосрочной перспективе подстанции могут быть выполнены по следующим схемным решениям: транзитные подстанции — это схема без выключателя в перемычке на двух укрупненных ячейках типа «один выключатель и три разъединителя" — опорные подстанции — это схема без обходной системы шин на двух укрупненных ячейках тип которых будет определяться числом вводов подстанции.
