СПОСОБ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В СИСТЕМЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 КВ Российский патент 2015 года по МПК B60M3/02 H02J3/00 

Заявляемое изобретение относится к области электрифицированных железных дорог и может быть использовано для питания как тяговой, так и нетяговой нагрузки.

Общеизвестно, что в работе системы тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ используются как однофазные тяговые трансформаторы, так и трехфазные трехобмоточные тяговые трансформаторы. Наиболее широкое распространение получила система с трехфазными трехобмоточными тяговыми трансформаторами благодаря возможности питания как тяговых нагрузок, так и трехфазных нетяговых потребителей.

Использование в такой системе трехфазного трехобмоточного тягового трансформатора приводит к образованию в нем обмоток разной нагруженности, и как следствие, обмоток с разным значением износа их изоляции. Наличие обмотки с наибольшим износом изоляции увеличивает вероятность выхода ее из строя и, как следствие, отказа тягового трансформатора. Общеизвестно, что отказ тяговых трансформаторов существенно возрастает после 8-12 лет эксплуатации и в 19% случаев обусловлен повреждением их обмоток [Бардушко, В.Д. Контроль остаточного ресурса тяговых трансформаторов [Текст] / В.Д. Бардушко, В.П. Закарюкин, А.В. Крюков // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. - 2010. - №3. - С.104-110].

Проблема тяговых трансформаторов, работающих в системе тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ, заключается в сниженном фактическом сроке службы вследствие повреждения изоляции обмоток тягового трансформатора.

Известен способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ, основанный на принципе питания тяговой сети однофазными трансформаторами [Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст]: учеб. для вузов ж. д. трансп. / К.Г. Марквардт - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982. - С.33-35, 43].

Известный способ реализован в системе тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ, которая содержит линию электропередач, тяговые подстанции с однофазными тяговыми трансформаторами, тяговую сеть и тяговые нагрузки.

Однофазный тяговый трансформатор включает вводы высшего напряжения «A_т» и «X_т» и обмотку высшего напряжения «AX», у которой начало и конец обозначаются, соответственно, «A» и «X», а также вводы низшего напряжения «a_т» и «x_т» и обмотку низшего напряжения «ax», у которой начало и конец обозначаются, соответственно, «a» и «x».

Однофазные тяговые трансформаторы электрически объединены между собой посредством линии электропередач. Причем обмотка высшего напряжения каждого однофазного тягового трансформатора соединена с двумя любыми фазами линии электропередач, а обмотка низшего напряжения каждого однофазного трансформатора - с тяговой сетью.

Тяговая сеть включает рельсовую сеть и контактную сеть с нейтральными вставками и разделена на межподстанционные зоны. Контактная сеть секционирована нейтральными вставками в середине межподстанционных зон и представляет собой отдельные электрически разделенные части - секции контактной сети.

Тяговые нагрузки соединены с контактной и рельсовой сетями тяговой сети.

Способ подключения однофазных тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ заключается в том, что ввод тягового трансформатора «A_т», являющийся началом обмотки высшего напряжения, соединяют с одной фазой линии электропередач, а ввод тягового трансформатора «X_т», являющийся концом обмотки высшего напряжения, соединяют с другой фазой линии электропередач, ввод тягового трансформатора «a_т», являющийся началом обмотки низшего напряжения, соединяют с секциями контактной сети, а ввод тягового трансформатора «x_т», являющийся концом обмотки низшего напряжения, - с рельсовой сетью, при этом подсоединения вводов высшего напряжения тяговых трансформаторов смежных тяговых подстанций к фазам линии электропередач обеспечивают симметричную нагрузку этих тяговых подстанций на данную линии электропередач.

Подключение однофазного тягового трансформатора при одностороннем питании тяговых подстанций рассмотрено на примере одной тяговой подстанции, у которой тяговый трансформатор смежной тяговой подстанции, расположенной слева, получает линейное напряжение $${\dot{U}}_{AB}$$ линии электропередач, а тяговый трансформатор смежной тяговой подстанции, расположенной справа, - линейное напряжение $${\dot{U}}_{CA}$$ линии электропередач.

При таких условиях подключение тягового трансформатора данной тяговой подстанции в системе переменного тока 25 кВ осуществляют следующем образом.

При подключении обмотки высшего напряжения однофазного тягового трансформатора к линии электропередач его вводы «A_т» и «X_т» соединяют, соответственно, с фазами В и С линии электропередач.

При соединении с тяговой сетью обмотки низшего напряжения однофазного трансформатора его ввод «a_т» соединяют с секциями контактной сети, а ввод «x_т» - с рельсовой сетью.

Подключения обмоток высшего напряжения и низшего напряжения однофазных трансформаторов всех других тяговых подстанций выполняют аналогичным образом.

Такое подключение приводит к тому, что обмотка высшего напряжения тягового трансформатора получает линейное напряжение $${\dot{U}}_{BC}$$ линии электропередач. Преобразованное однофазным тяговым трансформатором линейное напряжение $${\dot{U}}_{bc}$$ линии электропередач подается от его обмотки низшего напряжения к участку

тяговой сети данной тяговой подстанции.

Таким образом, участок тяговой сети данной тяговой подстанции получает, соответственно, трансформируемые линейные напряжения $${\dot{U}}_{bc}$$ от одной тяговой подстанции, которая обеспечивает питание тяговых нагрузок, расположенных в пределах участка тяговой сети данной тяговой подстанции. При этом однофазный тяговый трансформатор обеспечивает питание только тягового потребителя.

Недостатком известного способа подключения тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ является ограничение функциональных возможностей его применения, обусловленное использованием этого способа подключения тягового трансформатора только для питания однофазной тяговой нагрузки. Это обусловлено тем, что питание тяговой нагрузки осуществляют при помощи однофазного тягового трансформатора.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ, основанный на принципе питания тяговой сети трехфазными трехобмоточными тяговыми трансформаторами. [Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст]: учеб. для вузов ж.д. трансп. / К.Г. Марквардт. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1982. - С.39, 43, 47-50].

Известный способ реализован в системе тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ, которая содержит линии электропередач, тяговые подстанции, каждая из которых включает трехфазный трехобмоточный тяговый трансформатор с устройством регулирования напряжения под нагрузкой, тяговую сеть, тяговые нагрузки, районные линии электропередач и трехфазного нетягового потребителя.

Каждый трехфазный трехобмоточный тяговый трансформатор имеет три обмотки высшего напряжения «AX», «BY» и «CZ» и три ввода высшего напряжения «A_т», «B_т» и «C_т», три обмотки районного напряжения «ax_p», «by_p» и «cz_p» и три ввода районного напряжения «a_тр», «b_тр» и «C_тp», три обмотки тягового напряжения «ax», «by» и «cz» и три ввода тягового напряжения «a_т», «b_т» и «c_т». В трехфазном трехобмоточном тяговом трансформаторе начала и концы обмоток высшего напряжения обозначены, соответственно, «A», «B», «C», и «X», «Y», «Z», начала и концы обмоток районного напряжения - соответственно, «a_р», «b_р», «c_р» и «x_р», «y_р», «z_p», начала и концы тяговых обмоток - соответственно, «a», «b», «c» и «x», «y», «z». Обмотки трехфазного трехобмоточного тягового трансформатора соединены по схеме Y_H/Y_H/Δ-0-11, где Y_H - соединение "звезда" с нулевым выводом, Δ - соединение "треугольник". При этом ввод тягового трансформатора «a_т» является началом тяговой обмотки «ax» и концом тяговой обмотки «by», ввод тягового трансформатора «b_т» является началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz» и ввод тягового трансформатора «c_т» является началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ax».

Тяговые подстанции электрически объединены между собой посредством линий электропередач и тяговой сети. На каждой тяговой подстанции питающие линии различных путей с одинаковым напряжением образуют плечо питания тяговой подстанции.

Тяговая сеть образована рельсовой сетью и контактной сетью с нейтральными вставками и разделена на межподстанционные зоны. Контактная сеть каждой межподстанционной зоны, соединенная с началом любой тяговой обмотки тягового трансформатора, образует межподстанционную зону с положительным знаком напряжения, а контактная сеть каждой межподстанционной зоны, соединенная с концом любой тяговой обмотки тягового трансформатора, - межподстанционную зону с отрицательным знаком напряжения.

Обмотки высшего напряжения каждого трехфазного трехобмоточного тягового трансформатора соединены с фазами A, B, и C линии электропередач, районные обмотки - с фазами A_р, B_р, и C_р районных линий электропередач, тяговые обмотки - с тяговой сетью.

В каждой обмотке высшего напряжения тягового трансформатора токи тяговых нагрузок направлены от начала к концу обмотки, а в каждой тяговой обмотке тягового трансформатора - от конца к началу обмотки. Причем токи тяговых нагрузок слева и справа от каждой тяговой подстанции образуют, соответственно, левый и правый токи плеч питания тяговой подстанции.

Тяговые нагрузки соединены с контактной и рельсовой сетями тяговой сети.

Способ подключения тягового трансформатора каждой тяговой подстанции в системе переменного тока 25 кВ заключается в том, что ввод тягового трансформатора «b_т», являющийся началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz», соединяют с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, ввод тягового трансформатора «a_т», являющийся началом тяговой обмотки «ax» и концом тяговой обмотки «by», - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения, ввод тягового трансформатора «C_т», являющийся началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ax», - с рельсовой сетью, ввод обмотки высшего напряжения «B_т» тягового трансформатора соединяют с наименее загруженной фазой линии электропередач, а два других ввода обмоток высшего напряжения - с наиболее загруженными фазами линии электропередач при одноименных напряжениях плеч питания данной тяговой подстанции напряжениям плеч питания смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа отданной тяговой подстанции, вводы районных обмоток «a_тр», «b_тр» и «c_тр» тягового трансформатора тяговой подстанции соединяют с фазами A_р, B_Р, и C_Р районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения.

Подключение трехфазного трехобмоточного тягового трансформатора рассмотрено на примере одной тяговой подстанции, у которой наименее загруженной фазой линии электропередач является фаза С линии электропередач. Контактная сеть межподстанционной зоны слева от данной тяговой подстанции имеет напряжение $${\dot{U}}_A$$ с положительным знаком, а контактная сеть межподстанционной зоны справа от данной тяговой подстанции - напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ с отрицательным знаком. Токи тяговых нагрузок левого плеча питания данной тяговой подстанции направлены в одну сторону, а токи тяговых нагрузок правого плеча питания данной тяговой подстанции направлены в другую сторону. Причем токи тяговых нагрузок левого плеча питания данной тяговой подстанции протекают от ввода тягового трансформатора по питающим линиям к контактной сети, а токи тяговых нагрузок правого плеча питания данной тяговой подстанции протекают к вводу тягового трансформатора по питающим линиям от контактной сети.

При таких условиях подключение тягового трансформатора тяговой подстанции в системе переменного тока 25 кВ осуществляют следующем образом.

При подключении тягового трансформатора к тяговой сети ввод тягового трансформатора «b_т», являющийся началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz», соединяют с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора «a_т», являющийся началом тяговой обмотки «ax» и концом тяговой обмотки «by», соединяют с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора «c_т», являющийся началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ax», соединяют с рельсовой сетью.

При подключении тягового трансформатора к линии электропередач ввод обмотки высшего напряжения «Вт» тягового трансформатора соединяют с фазой С линии электропередач, которая является наименее загруженной фазой. Ввод обмотки высшего напряжения «A_т» тягового трансформатора соединяют с фазой А линии электропередач, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $${\dot{U}}_A$$ левого плеча питания данной тяговой подстанции с положительным знаком одноименно напряжению $${\dot{U}}_A$$ правого плеча питания смежной тяговой

подстанции с положительным знаком, расположенной слева. Ввод обмотки высшего напряжения «C_т» тягового трансформатора соединяют с фазой В линии электропередач, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ правого плеча питания данной тяговой подстанции с отрицательным знаком одноименно напряжению $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ левого плеча питания смежной тяговой подстанции с отрицательным знаком, расположенной справа.

При подключении тягового трансформатора к районной линии электропередач ввод районной обмотки «a_тp» тягового трансформатора соединяют с фазой A_p районной линии электропередач. Ввод районной обмотки «b_тp» тягового трансформатора соединяют с фазой C_p районной линии электропередач. Ввод районной обмотки «c_тp» тягового трансформатора соединяют с фазой B_p районной линии электропередач.

При таком подключении вводов тягового трансформатора трансформируемое фазное напряжение $${\dot{U}}_A$$ с положительным знаком от линии электропередачи подается на контактную сеть межподстанционной зоны слева от данной тяговой подстанции через тяговую обмотку «ax» и, соответственно, обмотку «AX» высшего напряжения, а трансформируемое фазное напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ с отрицательным знаком от линии электропередач - на контактную сеть межподстанционной зоны справа от данной тяговой подстанции через тягрвую обмотку «cz» и, соответственно, обмотку «CZ» высшего напряжения. При этом по тяговой обмотке «ах» тягового трансформатора в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок левого плеча питания тяговой подстанции с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок правого плеча питания тяговой подстанции с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «by» тягового трансформатора в одном направлении протекает 1/3 правого и 1/3 левого тока тяговых нагрузок плеч питания тяговой подстанции с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «cz» тягового трансформатора в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок правого плеча питания тяговой подстанции с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок левого плеча питания тяговой подстанции с отрицательным знаком.

В тяговой обмотке «by» тягового трансформатора протекают токи тяговых нагрузок меньшей величины, чем в тяговых обмотках «ax» и «cz», то есть тяговая обмотка «by» является наименее нагруженной обмоткой, а тяговые обмотки «ax» и «cz» - наиболее нагруженными и, как следствие, обмотка высшего напряжения «BY» также является наименее нагруженной, а обмотки высшего напряжения «AX» и «CZ» - наиболее нагруженными.

Обмотки высшего напряжения «AX», «BY» и «CZ» тягового трансформатора получают, соответственно, фазные напряжения $${\dot{U}}_A$$ , $${\dot{U}}_C$$ и $${\dot{U}}_B$$ линии электропередач. На районную линию электропередач подаются трансформируемые фазные напряжения $${\dot{U}}_{Ap}$$ , $${\dot{U}}_{Bp}$$ и $${\dot{U}}_{Cp}$$ от районных обмоток тягового трансформатора, при этом фазные напряжения районных линий электропередач одноименны фазным напряжениям линии электропередач высшего напряжения.

При изменении напряжения в тяговой сети устройством для регулирования напряжения под нагрузкой изменяют число витков каждой обмотки высшего напряжения тягового трансформатора для поддержания напряжения тяговой сети в допустимых пределах.

Такое подключение тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ приводит к тому, что тяговая обмотка «by» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «BY» становятся наименее нагруженными, а тяговые обмотки «ax», «cz» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «AX», «CZ» - наиболее нагруженными. При этом обеспечивается как двустороннее питание тяговой нагрузки, так и питание трехфазного нетягового потребителя.

В процессе эксплуатации обмотки тягового трансформатора нагреваются. При этом наиболее нагруженные тяговые обмотки «ax», «cz» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «AX», «CZ» нагреваются сильней, чем наименее нагруженные тяговая обмотка «by» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «BY».

Изоляция наиболее нагретых обмоток тягового трансформатора подвергается большему термическому износу и с течением времени быстрее изнашивается. В результате в каждом тяговом трансформаторе образуются обмотки с наибольшим износом изоляции.

Достоинством известного способа подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ является расширение функциональных возможностей его использования, что обусловлено обеспечением не только двустороннего питания тяговых нагрузок, но и питания трехфазного нетягового потребителя.

Недостатком известного способа подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ является снижение полного срока службы тяговых трансформаторов в процессе эксплуатации, обусловленное высокой вероятностью повреждения изоляции наиболее нагруженных обмоток тяговых трансформаторов за счет их повышенного термического износа изоляции.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в разработке способа подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ, использование которого приводит к повышению фактического срока службы тяговых трансформаторов в процессе эксплуатации, обусловленному снижением вероятности повреждения изоляции обмоток тягового трансформатора за счет обеспечения приблизительно равномерного термического износа изоляции всех обмоток тягового трансформатора к концу полного срока его службы.

Для решения поставленной задачи в способе подключения тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ, заключающемся в первоначальном соединении ввода тягового трансформатора «b_т», являющегося началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz», с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, ввода тягового трансформатора «a_т», являющегося началом тяговой обмотки «ах» и концом тяговой обмотки «by», - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения и ввода тягового трансформатора «c_т», являющегося началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ах», - с рельсовой сетью, в соединении ввода обмотки высшего напряжения «B_т» тягового трансформатора с наименее загруженной фазой линии электропередач, а двух других вводов обмоток высшего напряжения тягового трансформатора - с двумя другими фазами линии электропередач при одноименном напряжении каждого плеча питания данной тяговой подстанции напряжению плеча питания соответствующих смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа от соответствующей тяговой подстанции, в соединении вводов районных обмоток «a_тр», «b_тр» и «c_тp» тягового трансформатора тяговой подстанции с фазами A_p, B_p, и C_p районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения, в течение срока службы тягового трансформатора тяговой подстанции периодически определяют термический износ изоляции обмоток, и, в зависимости от величины износа изоляции обмоток тягового трансформатора осуществляют, по крайне мере, два переключения вводов его обмоток, при этом при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,30-0,40 ввод тягового трансформатора, являющийся началом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, соединяют с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, ввод тягового трансформатора, являющийся концом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения, и ввод тяговой обмотки с наименьшим износом изоляции тягового трансформатора - с рельсовой сетью, ввод обмотки высшего напряжения тягового трансформатора с наибольшим износом изоляции соединяют с наименее загруженной фазой линии электропередач, а два других ввода обмоток высшего напряжения - с двумя другими фазами линии электропередач при одноименном напряжении каждого плеча питания данной тяговой подстанции напряжению плеча питания соответствующих смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа от соответствующей тяговой подстанции, вводы районных обмоток тягового трансформатора тяговой подстанции соединяют с соответствующими фазами районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий, электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения, при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,55-0,70 первый ввод тягового трансформатора, являющийся началом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, соединяют с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, второй ввод тягового трансформатора, являющийся концом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения, и третий ввод тяговой обмотки с наименьшим износом изоляции тягового трансформатора - с рельсовой сетью, ввод тягового трансформатора обмотки высшего напряжения с наибольшим износом изоляции соединяют с наименее загруженной фазой линии электропередач, а два других ввода обмоток высшего напряжения - с двумя другими фазами линии электропередач при одноименном напряжении каждого плеча питания данной тяговой подстанции напряжению плеча питания соответствующих смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа от соответствующей тяговой подстанции, вводы районных обмоток тягового трансформатора тяговой подстанции соединяют с соответствующими фазами районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения.

Наличие в заявляемом способе, по крайней мере, двух дополнительных операций переключения вводов всех обмоток тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ в течение полного срока службы тягового трансформатора тяговой подстанции в зависимости от величины износа изоляции обмоток тягового трансформатора отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие в заявляемом способе существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Выполнение в способе подключения тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ, по крайней мере, двух дополнительных операций переключения вводов всех обмоток тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ в течение полного срока службы тягового трансформатора тяговой подстанции в зависимости от величины износа изоляции обмоток тягового трансформатора приводит к повышению фактического срока службы тяговых трансформаторов в процессе эксплуатации за счет снижения вероятности повреждения изоляции обмоток тягового трансформатора путем обеспечения приблизительно равномерного термического износа изоляции всех обмоток тягового трансформатора к концу полного срока его службы.

Это обусловлено следующим. После первого переключения вводов тягового трансформатора ток тяговых нагрузок, протекающий по обмоткам с наибольшим износом изоляции, уменьшается, что приводит к замедлению износа их изоляции, а ток тяговых нагрузок, протекающий по обмоткам с наименьшим износом изоляции, увеличивается, что приводит к ускорению износа их изоляции.

После второго переключения вводов тягового трансформатора ток тяговых нагрузок, протекающий по обмоткам, имеющим наибольший износ изоляции после первого их переключения, уменьшается, что приводит к замедлению износа их изоляции, а ток тяговых нагрузок, протекающий по обмоткам, имеющим наименьший износ изоляции после первого их переключения, увеличивается, что приводит к ускорению износа их изоляции.

Переключение, по крайней мере, два раза обмоток с наибольшим износом изоляции и обмоток с наименьшим износом изоляции обеспечивает к концу полного сока службы выравнивание износа изоляции всех обмоток тягового трансформатора, что снижает вероятность повреждения изоляции обмоток тягового трансформатора. При этом к концу полного сока службы износ изоляции каждой обмотки тягового трансформатора имеет значение меньше 1, что позволяет продлить фактический срок службы тягового трансформатора.

Причинно-следственная связь «Выполнение в способе подключения тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ, по крайней мере, двух дополнительных операций переключения вводов всех обмоток тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ в течение полного срока службы тягового трансформатора тяговой подстанции в зависимости от величины износа изоляции обмоток тягового трансформатора приводит к повышению фактического срока службы тяговых трансформаторов в процессе эксплуатации за счет снижения вероятности повреждения изоляции обмоток тягового трансформатора путем обеспечения приблизительно равномерного термического износа изоляции всех обмоток тягового трансформатора к концу полного срока его службы» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, следовательно, она является новой. Новизна причинно-следственной связи «существенные отличительные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фигуре 1 представлены схемы подключения тягового трансформатора тяговой подстанции в системе переменного тока 25 кВ в разные периоды его эксплуатации в пределах полного срока службы, где

а) - первоначальное подключение тягового трансформатора;

б) - подключение тягового трансформатора при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,30-0,40;

в) - подключение тягового трансформатора при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,55-0,70.

На фигуре 2 представлены совмещенные векторные диаграммы фазных напряжений линии электропередач, токов плеч питания тяговых подстанций и токов тяговых обмоток тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ в разные периоды его эксплуатации в пределах полного срока службы, где

а) - совмещенные векторные диаграммы напряжения и токов при первоначальном подключении тягового трансформатора;

б) - совмещенные векторные диаграммы напряжения и токов при подключении тягового трансформатора при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,30-0,40;

в) - совмещенные векторные диаграммы напряжения и токов при подключении тягового трансформатора при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,55-0,70.

Заявляемый способ реализован в системе тягового электроснабжения железной дороги переменного тока 25 кВ, которая содержит линии электропередач 1, тяговые подстанции 2, каждая из которых включает трехфазный трехобмоточный тяговый трансформатор 3 с устройством регулирования напряжения под нагрузкой 4, тяговую сеть 5, тяговые нагрузки 6, районные линии электропередач 7 и трехфазного нетягового потребителя 8.

Каждый трехфазный трехобмоточный тяговый трансформатор 3 имеет три обмотки высшего напряжения «AX», «BY» и «CZ» и три ввода высшего напряжения «A_т», «B_т» и «C_т», три обмотки районного напряжения «ax_р», «by_р» и «cz_p» и три ввода районного напряжения «a_тр», «b_тр» и «c_тp», три обмотки тягового напряжения «ax», «by» и «cz» и три ввода тягового напряжения «a_т», «b_т» и «c_т». В трехфазном трехобмоточном тяговом трансформаторе 3 начала и концы обмоток высшего напряжения обозначены, соответственно, «A», «B», «C», и «X», «Y», «Z», начала и концы обмоток районного напряжения - соответственно, «a_р», «b_р», «c_р» и «x_р», «y_р», «z_p», начала и концы тяговых обмоток - соответственно, «a», «b», «c» и «x», «y», «z». Обмотки трехфазного трехобмоточного тягового трансформатора 3 соединены по схеме Y_H/Y_H/Δ-0-11, где Y_H - соединение "звезда" с нулевым выводом, Δ - соединение "треугольник". При этом ввод тягового трансформатора 3 «a_т» является началом тяговой обмотки «ах» и концом тяговой обмотки «by», ввод тягового трансформатора 3 «b_т» является началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz» и ввод тягового трансформатора 3 «c_т» является началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ax».

Тяговые подстанции 2 электрически объединены между собой посредством линий электропередач 1 и тяговой сети 5. На каждой тяговой подстанции 2 питающие линии 13 различных путей с одинаковым напряжением образуют плечо питания тяговой подстанции 2.

Тяговая сеть 5 образована рельсовой сетью 9 и контактной сетью 10 с нейтральными вставками 11 и разделена на межподстанционные зоны 12. Контактная сеть 10 каждой межподстанционной зоны 12, соединенная с началом любой тяговой обмотки тягового трансформатора 3, образует межподстанционную зону 12 с положительным знаком напряжения, а контактная сеть 10 каждой межподстанционной зоны 12, соединенная с концом любой тяговой обмотки тягового трансформатора 3, - межподстанционную зону 12 с отрицательным знаком напряжения.

Обмотки высшего напряжения каждого трехфазного трехобмоточного тягового трансформатора 3 соединены с фазами A, B, и C линии электропередач 1, районные обмотки - с фазами A_р, B_р, и C_р районных линий электропередач 7, тяговые обмотки - с тяговой сетью 5.

В каждой обмотке высшего напряжения тягового трансформатора 3 токи тяговых нагрузок 6 направлены от начала к концу обмотки, а в каждой тяговой обмотке тягового трансформатора 3 - от конца к началу обмотки. Причем токи тяговых нагрузок 6 слева и справа от каждой тяговой подстанции 2 образуют, соответственно, левый и правый токи плеч питания тяговой подстанции.

Тяговые нагрузки 6 соединены с контактной 10 и рельсовой 9 сетями тяговой сети 5.

Способ подключения тяговых трансформаторов 3 каждой тяговой подстанции 2 в системе переменного тока 25 кВ заключается, по крайней мере, в двухразовом изменении порядка подключения вводов обмоток тягового трансформатора 3 каждой тяговой подстанции 2 в зависимости от износа изоляции обмоток тягового трансформатора 3 в течение полного срока его службы для равномерного распределения тяговой нагрузки 6 за этот период по обмоткам тягового трансформатора 3 каждой тяговой подстанции 2.

Заявляемый способ подключения тяговых трансформаторов 3 рассмотрен на примере одной тяговой подстанции 2, у которой наименее загруженной фазой линии электропередач 14 является фаза С линии электропередач 1. Контактная сеть 10 межподстанционной зоны 12 слева от данной тяговой подстанции 2 имеет напряжение $${\dot{U}}_A$$ с положительным знаком, а контактная сеть 10 межподстанционной зоны 12 справа от данной тяговой подстанции - напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ с отрицательным знаком. Токи тяговых нагрузок 6 левого плеча питания данной тяговой подстанции 2 направлены от тягового трансформатора 3, а токи тяговых нагрузок 6 правого плеча питания данной тяговой подстанции 2 направлены к тяговому трансформатору 3.

При таких условиях подключение тягового трансформатора 3 данной тяговой подстанции 2 в системе переменного тока 25 кВ осуществляют следующем образом.

Первоначально тяговый трансформатор 3 подключают к тяговой сети 5. Для этого ввод тягового трансформатора 3 «b_т», являющийся началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz», соединяют с одним концом нейтральной вставки 11 контактной сети 10 межподстанционной зоны 12 с отрицательным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора 3 «a_т», являющийся началом тяговой обмотки «ах» и концом тяговой обмотки «by», соединяют с другим концом нейтральной вставки 11 контактной сети 10 межподстанционной зоны 12 с положительным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора «c_т», являющийся началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ax», соединяют с рельсовой сетью.

Далее тяговый трансформатор 3 подключают к линии электропередача 1. Для этого ввод обмотки высшего напряжения «B_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой С линии электропередач 1, которая является наименее загруженной фазой 14. Ввод обмотки высшего напряжения «A_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой А линии электропередач 1, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $${\dot{U}}_A$$ левого плеча питания данной тяговой подстанции 2 с положительным знаком одноименно напряжению $${\dot{U}}_A$$ правого плеча питания смежной тяговой подстанции 2 с положительным знаком, расположенной слева. Ввод обмотки высшего напряжения «С_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой В линии электропередач 1, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ правого плеча питания данной тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком одноименно напряжению $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ левого плеча питания смежной тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком, расположенной справа.

Затем тяговый трансформатор 3 подключают к районной линии электропередач 7. Для этого ввод районной обмотки «a_тр» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой A_р районной линии электропередач 7. Ввод районной обмотки «b_тр» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой C_р районной линии электропередач 7. Ввод районной обмотки «c_тp» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой B_р районной линии электропередач 7.

При таком подключении вводов тягового трансформатора 3 на контактную сеть 10 межподстанционной зоны 12 слева от данной тяговой подстанции подается трансформируемое фазное напряжение $${\dot{U}}_A$$ с положительным знаком от линии электропередачи 1, а на контактную сеть 10 межподстанционной зоны 12 справа от данной тяговой подстанции 2 - трансформируемое фазное напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ с отрицательным знаком от линии электропередач 1. При этом по тяговой обмотке «ах» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок 6 левого плеча питания тяговой подстанции 2 с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок 6 правого плеча питания тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «by» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 1/3 правого и 1/3 левого тока тяговых нагрузок 6 плеч питания тяговой подстанции с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «cz» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок 6 правого плеча питания тяговой подстанции 2 с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок 6 левого плеча питания тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком.

В тяговой обмотке «by» тягового трансформатора 3 протекают токи тяговых нагрузок 6 меньшей величины, чем в тяговых обмотках «ax» и «cz», то есть тяговая обмотка «by» является наименее нагруженной обмоткой, а тяговые обмотки «ах» и «cz» - наиболее нагруженными и, как следствие, обмотка высшего напряжения «BY» также является наименее нагруженной, а обмотки высшего напряжения «AX» и «CZ» - наиболее нагруженными.

Обмотки высшего напряжения «AX», «BY» и «CZ» тягового трансформатора 3 получают, соответственно, фазные напряжения $${\dot{U}}_A$$ , $${\dot{U}}_C$$ и $${\dot{U}}_B$$ линии электропередач 1.

На районную линию электропередач 7 подаются трансформируемые фазные напряжения $${\dot{U}}_A{}_p$$ $$$$ , $${\dot{U}}_B{}_p$$ и $${\dot{U}}_C{}_p$$ от районных обмоток тягового трансформатора 3, при этом фазные напряжения районных линий электропередач 7 одноименны фазным напряжениям линии электропередач 1 высшего напряжения.

При изменении напряжения в тяговой сети 5 устройством для регулирования напряжения под нагрузкой 4 изменяют число витков каждой обмотки высшего напряжения тягового трансформатора 3 для поддержания напряжения тяговой сети 5 в допустимых пределах.

Такое подключение тягового трансформатора 3 в системе переменного тока 25 кВ приводит к тому, что тяговая обмотка «by» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «BY» становятся наименее нагруженными, а тяговые обмотки «ax», «cz» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «AX», «CZ» - наиболее нагруженными. При этом обеспечивается как двустороннее питание тяговой нагрузки 6, так и питание трехфазного нетягового потребителя 8.

В процессе эксплуатации обмотки тягового трансформатора 3 нагреваются. При этом наиболее нагруженные тяговые обмотки «ax», «cz» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «AX», «CZ» нагреваются сильней, чем наименее нагруженные тяговая обмотка «by» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «BY».

Изоляция наиболее нагретых обмоток высшего напряжения «AX», «CZ» и тяговых обмоток «ax», «cz» тягового трансформатора 3 подвергается большему термическому износу и с течением времени быстрее изнашивается, чем изоляция наименее нагруженных обмотки высшего напряжения «BY» и тяговой обмотки «by».

В результате в тяговом трансформаторе 3 образуются обмотки высшего напряжения «AX», «CZ» и тяговые обмотки «ax», «cz» с наибольшим износом изоляции.

Состояние изоляции его обмоток контролируют в течение всего срока службы тягового трансформатора 3 в режиме онлайн. Для определения степени термического износа изоляции обмоток тягового трансформатора 3 используют автоматизированные системы непрерывного контроля нагрева, например систему ТЕС (компания ABB) [Алексеев, Б.А. Крупные силовые трансформаторы: контроль состояния в работе и при ревизии [Текст]: Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик»; Вып.1 (133) / Б.А. Алексеев - М.: НТФ «Энергопрогресс», 2010. - С.12].

Величина термического износа изоляции обмоток служит критерием для изменения порядка подключения вводов обмоток тягового трансформатора 3 тяговой подстанции 2.

Первый раз порядок подключения (фиг.1б) вводов обмоток тягового трансформатора изменяют при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток (например, обмотки высшего напряжения «CZ» и тяговой обмотки «cz») в диапазоне 0,30-0,40. Для этого ввод тягового трансформатора 3 «b_т», являющийся началом тяговой обмотки «by» с наименьшим износом изоляции и концом тяговой обмотки «cz» с наибольшим износом изоляции, соединяют с одним концом нейтральной вставки 11 контактной сети 10 межподстанционной зоны 12 с отрицательным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора 3 «c_т», являющийся началом тяговой обмотки «cz» с наибольшим износом изоляции и концом тяговой обмотки «ax», соединяют с другим концом нейтральной вставки 11 контактной сети 10 межподстанционной зоны 12 с положительным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора «a_т», являющийся началом тяговой обмотки «ax» и концом тяговой обмотки«by» с наименьшим износом изоляции, соединяют с рельсовой сетью.

Ввод обмотки высшего напряжения «c_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой С линии электропередач 1, которая является наименее загруженной фазой 14. Ввод обмотки высшего напряжения «B_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой А линии электропередач 1, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $${\dot{U}}_A$$ левого плеча питания данной тяговой подстанции 2 с положительным знаком одноименно напряжению $${\dot{U}}_A$$ правого плеча питания смежной тяговой подстанции 2 с положительным знаком, расположенной слева. Ввод обмотки высшего напряжения «A_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой В линии электропередач 1, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ правого плеча питания данной тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком одноименно напряжению $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ левого плеча питания смежной тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком, расположенной справа.

Ввод районной обмотки «a_тр» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой B_р районной линии электропередач 7. Ввод районной обмотки «b_тр» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой A_р районной линии электропередач 7. Ввод районной обмотки «c_тp» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой С_р районной линии электропередач 7.

При таком подключении вводов тягового трансформатора 3 напряжения каждого плеча питания данной тяговой подстанции 2 остаются такими же, как в первоначальном подключении вводов тягового трансформатора 3.

При этом на контактную сеть 10 межподстанционной зоны 12 слева от данной тяговой подстанции подается трансформируемое фазное напряжение $${\dot{U}}_A$$ с положительным знаком от линии электропередачи 1, а на контактную сеть 10 межподстанционной зоны 12 справа от данной тяговой подстанции 2 - трансформируемое фазное напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ с отрицательным знаком от линии электропередач 1.

Кроме того, тяговая нагрузка 6 данной тяговой подстанции 2 перераспределяется по тяговым обмоткам тягового трансформатора 3, что приводит к перераспределению протекающих по каждой обмотке тягового трансформатора 3 токов тяговых нагрузок 6 плеч питания данной тяговой подстанции. По тяговой обмотке «ах» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок 6 правого плеча питания тяговой подстанции 2 с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок 6 левого плеча питания тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «by» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок 6 левого плеча питания тяговой подстанции 2 с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок 6 правого плеча питания тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «cz» тягового трансформатора в одном направлении протекает 1/3 левого и 1/3 правого тока тяговых нагрузок 6 плеч питания тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком.

В тяговой обмотке «cz» тягового трансформатора 3 протекают токи тяговых нагрузок 6 меньшей величины, чем в тяговых обмотках «ax» и «by», то есть тяговая обмотка «cz» является наименее нагруженной обмоткой, а тяговые обмотки «ax» и «by» - наиболее нагруженными и, как следствие, обмотка высшего напряжения «CZ» также является наименее нагруженной, а обмотки высшего напряжения «AX» и «BY» - наиболее нагруженными.

Обмотки высшего напряжения «AX», «BY» и «CZ» тягового трансформатора 3 получают, соответственно, фазные напряжения $${\dot{U}}_B$$ , $${\dot{U}}_A$$ и $${\dot{U}}_C$$ линии электропередач 1.

На районную линию электропередач 7 подаются трансформируемые фазные напряжения $${\dot{U}}_A{}_p$$ , $${\dot{U}}_B{}_p$$ и $${\dot{U}}_C{}_p$$ от районных обмоток тягового трансформатора 3, при этом фазные напряжения районных линий электропередач 7 одноименны фазным напряжениям линии электропередач 1 высшего напряжения.

Такое подключение тягового трансформатора 3 в системе переменного тока 25 кВ приводит к тому, что тяговая обмотка «cz» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «CZ», которые при первоначальном подключении были наиболее нагруженными, становятся наименее нагруженными, а тяговая обмотка «by» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «BY», которые при первоначальном подключении были наименее нагруженными, становятся наиболее нагруженными. При этом продолжает обеспечиваться как двустороннее питание тяговой нагрузки 6, так и питание трехфазного нетягового потребителя 8.

В процессе эксплуатации теперь наиболее нагретыми обмотками тягового трансформатора 3 становятся тяговые обмотки «ax», «by» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «AX», «BY», интенсивность износа изоляции в них увеличивается по сравнению с интенсивностью их износа изоляции при первоначальном их подключении в систему. С течением времени изоляция этих обмоток изнашивается быстрее, чем изоляция наименее нагруженных обмотки высшего напряжения «CZ» и тяговой обмотки «cz».

В результате первого переключения обмоток тягового трансформатора тяговая обмотка «cz» и обмотка высшего напряжения «CZ», являющиеся при первоначальном подключении тягового трансформатора наиболее нагруженными, становятся наименее нагруженными, что приводит к замедлению в ней износа изоляции.

Тяговая обмотка «by» и обмотка высшего напряжения «BY», являющиеся при первоначальном подключении тягового трансформатора наименее нагруженными, становятся наиболее нагруженными, что приводит к ускорению в ней износа изоляции. В процессе эксплуатации тягового трансформатора происходит выравнивание между собой износа изоляции тяговых обмоток «by», «cz» и соответственно, обмоток высшего напряжения «BY», «CZ». Тяговая обмотка «ах» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «AX», являющиеся при первоначальном подключении тягового трансформатора наиболее нагруженными, остаются наиболее нагруженными.

Для достижения наиболее равномерного износа изоляции всех обмоток тягового трансформатора 3 производят второе переключение обмоток тягового трансформатора данной тяговой подстанции 2 в системе переменного тока 25 кВ.

Второй раз изменяют порядок подключения (фиг.1в) вводов обмоток тягового трансформатора 3 при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток (например, обмотка высшего напряжения «AX» и тяговая обмотка «ax») в диапазоне 0,55-0,70. Для этого ввод тягового трансформатора 3 «a_т», являющийся началом тяговой обмотки «ах» с наибольшим износом изоляции и концом тяговой обмотки «by» с наименьшим износом изоляции, соединяют с одним концом нейтральной вставки 11 контактной сети 10 межподстанционной зоны 12 с отрицательным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора 3 «c_т», являющийся началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки «ах» с наибольшим износом изоляции, соединяют с другим концом нейтральной вставки 11 контактной сети 10 межподстанционной зоны 12 с положительным знаком напряжения. Ввод тягового трансформатора «b_т», являющийся началом тяговой обмотки «by» с наименьшим износом изоляции и концом тяговой обмотки «cz», соединяют с рельсовой сетью.

Ввод обмотки высшего напряжения «A_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой С линии электропередач 1, которая является наименее нагруженной фазой 14. Ввод обмотки высшего напряжения «c_т» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой А линии электропередач 1, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $${\dot{U}}_A$$ левого плеча питания данной тяговой подстанции 2 с положительным знаком одноименно напряжению $${\dot{U}}_A$$ правого плеча питания смежной тяговой подстанции 2 с положительным знаком, расположенной слева. Ввод обмотки высшего напряжения «Вт» тягового трансформатора 3 соединяют с фазой В линии электропередач 1, которая является наиболее загруженной фазой. При этом напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ правого плеча питания данной тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком одноименно напряжению $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ левого плеча питания смежной тяговой подстанции 2 с отрицательным знаком, расположенной справа.

Вводы районной обмотки «a_тр», «b_тр» и «c_тp» тягового трансформатора 3 соединяют, соответственно, с фазами C_p, B_р и A_р районной линии электропередач 7.

При каждом из трех описанных выше подключениях вводов тягового трансформатора 3 сохраняют напряжение каждого плеча питания данной тяговой подстанции. При этом на контактную сеть 10 межподстанционной зоны 12 слева от данной тяговой подстанции подается трансформируемое фазное напряжение $${\dot{U}}_A$$ с положительным знаком от линии электропередачи 1, а на контактную сеть 10 межподстанционной зоны 12 справа от данной тяговой подстанции 2 - трансформируемое фазное напряжение $$\left(-{\dot{U}}_B\right)$$ с отрицательным знаком от линии электропередач 1.

Тяговая нагрузка 6 данной тяговой подстанции 2 перераспределяется по тяговым обмоткам тягового трансформатора 3, что приводит к перераспределению протекающих по каждой обмотке тягового трансформатора 3 токов тяговых нагрузок 6 плеч питания данной тяговой подстанции. По тяговой обмотке «ах» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 1/3 левого и 1/3 правого тока тяговых нагрузок 6 плеч питания тяговой подстанции с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «by» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок 6 правого плеча питания тяговой подстанции с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок 6 левого плеча питания тяговой подстанции с отрицательным знаком. По тяговой обмотке «cz» тягового трансформатора 3 в одном направлении протекает 2/3 тока тяговых нагрузок 6 левого плеча питания тяговой подстанции 2 с положительным знаком и в обратном направлении - 1/3 тока тяговых нагрузок 6 правого плеча питания тяговой подстанции с отрицательным знаком.

В тяговой обмотке «ах» тягового трансформатора 3 данной тяговой подстанции 2 протекают токи тяговых нагрузок 6 меньшей величины, чем в тяговых обмотках «by» и «cz», то есть тяговая обмотка «ax» является наименее нагруженной обмоткой, а тяговые обмотки «by» и «cz» - наиболее нагруженными и, как следствие, обмотка высшего напряжения «AX» также является наименее нагруженной, а обмотки высшего напряжения «BY» и «CZ» - наиболее нагруженными.

Обмотки высшего напряжения «AX», «BY» и «CZ» тягового трансформатора 3 данной тяговой подстанции 2 получают, соответственно, фазные напряжения $${\dot{U}}_C$$ , $${\dot{U}}_B$$ и $${\dot{U}}_A$$ линии электропередач 1.

На районную линию электропередач 7 подаются трансформируемые фазные напряжения $${\dot{U}}_A{}_p$$ , $${\dot{U}}_{Bp}$$ и $${\dot{U}}_{Cp}$$ от районных обмоток тягового трансформатора 3, при этом фазные напряжения районных линий электропередач 7 одноименны фазным напряжениям линии электропередач 1 высшего напряжения.

Такое подключение тягового трансформатора 3 в системе переменного тока 25 кВ приводит к тому, что тяговая обмотка «ах» и, соответственно, обмотка высшего напряжения «AX», которые при первоначальном подключении и первом переключении были наиболее нагруженными, становятся наименее нагруженными. Тяговая обмотка «by» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «BY», которые при первоначальном подключении были наименее нагруженными и после первого переключения были наиболее нагруженными, остаются наиболее нагруженными. Тяговая обмотка «cz» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «CZ», которые при первоначальном подключении были наиболее нагруженными и после первого переключения были наименее нагруженными, остаются наиболее нагруженными. При этом продолжает обеспечиваться как двустороннее питание тяговой нагрузки 6, так и питание трехфазного нетягового потребителя 8, также как и при первоначальном подключении и первом приключении.

В процессе эксплуатации теперь наиболее нагретыми обмотками тягового трансформатора 3 становятся тяговые обмотки «by», «cz» и, соответственно, обмотки высшего напряжения «BY», «CZ». При этом изоляция наиболее нагретых обмоток высшего напряжения «BY», «CZ» и тяговых обмоток «by», «cz» тягового трансформатора 3 подвергается большему термическому износу и с течением времени быстрее изнашивается, чем изоляция наименее нагруженных обмотки высшего напряжения «AX» и тяговой обмотки «ax».

В результате второго переключения обмоток тягового трансформатора тяговая обмотка «ax» и обмотка высшего напряжения «AX», являющиеся при первоначальном подключении тягового трансформатора наиболее нагруженными и после первого переключения наиболее нагруженными, становятся наименее нагруженными, что приводит к замедлению в ней износа изоляции. Тяговая обмотка «by» и обмотка высшего напряжения «BY», являющиеся при первоначальном подключении тягового трансформатора наименее нагруженными и после первого переключения наиболее нагруженными, становятся наиболее нагруженными, что приводит к ускорению в ней износа изоляции. Тяговая обмотка «cz» и обмотка высшего напряжения «CZ», являющиеся при первоначальном подключении тягового трансформатора наиболее нагруженными и после первого переключения наименее нагруженными, становятся наиболее нагруженными, что приводит к ускорению в ней износа изоляции. При этом в процессе эксплуатации тягового трансформатора такое переключение вводов тягового трансформатора 3 приводит к выравниванию между собой износа изоляции тяговых обмоток «ax», «by», «cz» и обмоток высшего напряжения «AX», «BY», «CZ».

Таким образом, в течение полного срока службы тягового трансформатора каждая тяговая обмотка «ax», «by», «cz» и, соответственно, каждая обмотка высшего напряжения «AX», «BY», «CZ» два периода времени находится в наиболее нагруженном состоянии и один период времени - в наименее нагруженном состоянии, т.е. находится в одинаковых условиях работы, что обеспечивает приблизительно равномерный термический износ изоляции всех обмоток тягового трансформатора к концу полного срока его службы. При этом к концу полного сока службы износ изоляции каждой обмотки тягового трансформатора имеет значение меньше 1, что дает возможность использовать трансформатор после окончания полного срока его службы.

Технический результат, получаемый от использования заявляемого способа подключения тягового трансформатора в системе переменного тока 25 кВ, подтверждается математическим расчетом исходя из следующих условий.

1. Полный срок службы тягового трансформатора составляет 25 лет (T=25 лет) в соответствии с ГОСТ Р 51559-2000 [Государственный стандарт. Трансформаторы силовые масляные классов напряжения 110 и 220 кВ и автотрансформаторы напряжением 27,5 кВ для электрических железных дорог переменного тока [Текст]: ГОСТ Р 51559-2000: принят и введен в дейст. пост. Госстандарта России от 27 января 2000 г. утв. постановлением Гос. Ком. РФ по стандартизации, метрологии и сертификации от 28 августа 1998 г. №18 - ввод в действие с 01.01.01].

2. Первое и второе переключение вводов тягового трансформатора осуществляют через равные промежутки времени в течение срока его службы: через 8,3 года и через 16,6 лет.

3. Первоначальное подключение по способу-прототипу и по заявляемому способу вводов тягового трансформатора к тяговой сети, линии электропередач высшего напряжения и районной линии электропередач, а также их переключение по заявляемому способу в процессе эксплуатации осуществляют, как представлено в таблицах 1 и 2.

4. Принято, что износ изоляции любой тяговой обмотки и соответствующей ей обмотки высшего напряжения тягового трансформатора совпадают в течение всего срока его службы.

Износ изоляции любой тяговой обмотки и соответствующей ей обмотки высшего напряжения за рассматриваемый период времени эксплуатации (a-b) тягового трансформатора $$F_{\left(a-b\right)}$$ определяется по формуле

$$F_{\left(a-b\right)}=F_{пр}\cdot T_{пр}+F_{лев}+F_{н.в}\cdot T_{н.в}\text{ (1)}$$

где F_пр. - значения годового износа изоляции тяговой обмотки, которая работала подключенной к правому плечу питания тяговой подстанции;

F_лев. - значение годового износа изоляции тяговой обмотки, которая работала подключенной к левому плечу питания тяговой подстанции;

F_н.в - значение годового износа изоляции тяговой обмотки, которая работала подключенной к нейтральной вставке контактной сети;

T_пр - период времени, в течение которого соответствующая тяговая обмотка работала подключенной к правому плечу питания тяговой подстанции;

T_лев - период времени, в течение которого соответствующая тяговая обмотка работала подключенной к левому плечу питания тяговой подстанции;

T_н.в - период времени, в течение которого соответствующая тяговая обмотка работала подключенной к нейтральной вставке контактной сети.

Пример 1. Тяговый трансформатор эксплуатируется 16,6 лет. Годовой износ изоляции обмоток тягового трансформатора определяется из условия их первоначального подключения к тяговой сети, линии электропередач высшего напряжения и районной линии электропередач в течение полного срока службы тягового трансформатора, как в способе-прототипе. В конце полного срока службы тягового трансформатора значение износа изоляции тяговой обмотки $$F_{\left(a-b\right)}$$ , которая работала подключенной к правому плечу питания тяговой подстанции, принято равным 1 с годовым износом ее изоляции F_пр=0,04; значение износа изоляции тяговой обмотки $$F_{\left(a-b\right)}$$ , которая работала подключенной к левому плечу питания тяговой подстанции, - 0,85 с годовым износом ее изоляции F_лев=0,034; значение износа изоляции тяговой обмотки $$F_{\left(a-b\right)}$$ , которая работала подключенной к нейтральной вставке контактной сети, - 0,55 с годовым износом ее изоляции F_год.н.=0,022.

Согласно таблице 1 в течение 16,6 лет эксплуатации тягового трансформатора тяговая обмотка «ax» в течение первых 8,3 лет работала подключенной к левому плечу питания тяговой подстанции T_лев=8,3 года, и в течение вторых 8,3 лет - подключенной к правому плечу питания тяговой подстанции T_пр=8,3 года. Тяговая обмотка «by» в течение первых 8,3 лет работала подключенной к нейтральной вставке контактной сети T_н=8,3 года, и в течение вторых 8,3 лет - подключенной к левому плечу питания тяговой подстанции T_лев=8,3 года. Тяговая обмотка «cz» в течение первых 8,3 лет работала подключенной к правому плечу питания тяговой подстанции T_пр=8,3 года, и в течение вторых 8,3 лет - подключенной к нейтральной вставке контактной сети T_н=8,3 года.

Износ изоляции тяговой обмотки «ax» и обмотки высшего напряжения «AX» после 16,6 лет эксплуатации тягового трансформатора составляет F_ax(0-166)=0,04·8,3+0,034·8,3+0,022·0=0,62; тяговой обмотки «by» и обмотки высшего напряжения «BY» - F_by(0-16,6)=0,04·8,3+0,034·0+0,022·8,3=0,47; тяговой обмотки «cz» и обмотки высшего напряжения «CZ» - F_cz(0-16,6)=0,04·8,3+0,034·0+0,022·8,3=0,52.

Результаты расчета износа изоляции обмоток тягового трансформатора в разные периоды его эксплуатации приведены в таблице 3.

Расчеты показывают, что при подключении обмоток тягового трансформатора к тяговой сети линии электропередач высшего напряжения и районной линии электропередач, заявляемым способом, к концу полного срока его службы изоляция всех обмоток тягового трансформатора имеет значение 0,8, значение ниже максимального F_max, равного 1, что позволяет эксплуатировать тяговый трансформатор со сниженной вероятностью повреждения изоляции его обмоток еще некоторое время.

Фактический срок службы тягового трансформатора зависит от обмотки с наибольшим значением износа изоляции, которая подвержена большему термическому износу, определяется из соотношения

$$\frac{F_{\max }}{F_{\left(a-b\right)}}=\frac{T_{фак.}}{T}\text{ (2)}$$

где T - полный срок службы тягового трансформатора, равен 25 годам;

T_фак. - фактический срок службы тягового трансформатора, год.

F_max - наибольший износ изоляции тяговой обмотки и соответствующей ей обмотки высшего напряжения, равен 1;

$$F_{\left(a-b\right)}$$ - износ изоляции любой тяговой обмотки и соответствующей ей обмотки высшего напряжения за рассматриваемый период времени эксплуатации тягового трансформатора (a-b). В примере 1 обмоткой с наибольшим значением износа изоляции, которая подвержена большему термическому износу в конце полного сока службы тягового трансформатора, являются тяговая обмотка «by» и обмотка высшего напряжения «BY», F_by(0-25)=0,80 (таблица 3).

Для рассматриваемого примера расчетный фактический срок службы тягового трансформатора составляет 31,25 лет (таблица 3) и на 6,25 лет превышает полный срок его службы.

Пример 2. Тяговый трансформатор эксплуатируется 16,6 лет.

Годовой износ изоляции обмоток тягового трансформатора определяется из условия их первоначального подключения к тяговой сети, линии электропередач высшего напряжения и районной линии электропередач в течение полного срока службы тягового трансформатора, как в способе-прототипе. В конце полного срока службы тягового трансформатора значение износа изоляции тяговой обмотки $$F_{\left(a-b\right)}$$ , которая работала подключенной к правому плечу питания тяговой подстанции, принято равным 1 с годовым износом ее изоляции F_пр=0,04, значение износа изоляции тяговой обмотки $$F_{\left(a-b\right)}$$ , которая работала подключенной к левому плечу питания тяговой подстанции, - 0,9 с годовым износом ее изоляции F_лев=0,036, значение износа изоляции тяговой обмотки $$F_{\left(a-b\right)}$$ , которая работала подключенной к нейтральной вставке контактной сети, - 0,7 с годовым износом ее изоляции F_год.н=0,028.

Фактический срок службы тягового трансформатора рассчитывается, как в примере 1, и составляет 28,85 года.

Результаты расчета износа изоляции обмоток тягового трансформатора в разные периоды его эксплуатации приведены в таблице 3.

В таблице 3 также приведены значения износа изоляции тяговых обмоток и обмоток высшего напряжения тягового трансформатора в конце полного срока его эксплуатации, подключенного к тяговой сети, линии электропередач высшего напряжения и районной линии электропередач по способу-прототипу.

Таким образом, использование заявляемого способа подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ по сравнению со способом-прототипом позволяет увеличить срок службы тягового трансформатора в 1,15-1,25 раза.

Таблица 1 Подключение тяговых обмоток тягового трансформатора к тяговой сети Подключение тяговых обмоток трансформатора К элементам тяговой сети Первоначальное Через 8,3 года Через 16,6 лет ax by cz ax by cz ax by cz По заявляемому способу - к левому плечу питания тяговой подстанции ++       ++       ++ - к правому плечу питания тяговой подстанции     ++ ++       ++   - к нейтральной вставке контактной сети   ++       + ++     По способу-прототипу - к левому плечу питания тяговой подстанции ++     ++     ++     - к правому плечу питания тяговой подстанции     ++     ++     ++ - к нейтральной вставке контактной сети   ++     ++     ++  

Таблица 2 Подключение вводов высшего напряжения тягового трансформатора к линии электропередач Подключения вводов высшего напряжения тягового трансформатора К фазам линии электропередач Первоначальное Через 8,3 года Через 16,6 лет A_т B_т C_т A_т B_т C_т A_т B_т C_т По заявляемому способу Фаза A =+       ++       ++ Фаза B     ++ ++       ++   Фаза C   ++       ++ ++     По способу-прототипу Фаза A ++     ++     ++     Фаза B     ++     ++     ++ Фаза C   ++     ++     ++  

Таблица 3 Результаты расчета износа изоляции обмоток тягового трансформатора и фактического срока его службы Способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ Износ изоляции тяговых обмоток и обмоток высшего напряжения F_(a-b), безразмерная величина Фактический срок службы тягового трансформатора Через 8,3 года Через 16,6 лет Через 25 лет ax (AX) by (BY) cz (CZ) ax (AX) by (BY) cz (CZ) ax (AX) by (BY) cz (CZ) T_фак., лет Пример 1 0,28 0,18 0,33 0,62 0,47 0,52 0,80 0,80 0,80 31,25 Пример 2 0,30 0,23 0,33 0,63 0,53 0,57 0,87 0,87 0,87 28,85 Прототип (пример 1) - - - - - - 0,85 0,55 1 25 Прототип (пример 2) - - - - - - 0,9 0,7 1 25

Способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ относится к области электрифицированных железных дорог и может быть использован для питания как тяговой, так и нетяговой нагрузки. Способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ заключается, по крайней мере, в двухразовом изменении порядка подключения вводов обмоток тягового трансформатора каждой тяговой подстанции в зависимости от износа изоляции обмоток тягового трансформатора в течение полного срока его службы. Первый раз переключение обмоток вводов тягового трансформатора осуществляют при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,30-0,40, второй раз - при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,55-0,70. При этом тяговую обмотку с наибольшим износом подключают к нейтральной вставке контактной сети, обмотку с наименьшим износом изоляции к плечу питания тяговой подстанции. Технический результат заключается в увеличении срока службы тягового трансформатора. 2 ил., 3 табл.

Способ подключения тяговых трансформаторов в системе переменного тока 25 кВ, заключающийся в первоначальном соединении ввода тягового трансформатора «b_т», являющегося началом тяговой обмотки «by» и концом тяговой обмотки «cz», с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, ввода тягового трансформатора «a_т», являющегося началом тяговой обмотки «ax» и концом тяговой обмотки «by», - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения и ввода тягового трансформатора «c_т», являющегося началом тяговой обмотки «cz» и концом тяговой обмотки«ах», - с рельсовой сетью, в соединении ввода обмотки высшего напряжения «B_т» тягового трансформатора с наименее загруженной фазой линии электропередач, а двух других вводов обмоток высшего напряжения тягового трансформатора - с двумя другими фазами линии электропередач при одноименном напряжении каждого плеча питания данной тяговой подстанции напряжению плеча питания соответствующих смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа от соответствующей тяговой подстанции, в соединении вводов районных обмоток «a_тр», «b_тр» и «c_тр» тягового трансформатора тяговой подстанции с фазами A_р, B_р, и C_р районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения, отличающийся тем, что в течение полного срока службы тягового трансформатора тяговой подстанции периодически определяют термический износ изоляции обмоток и в зависимости от величины износа изоляции обмоток тягового трансформатора осуществляют, по крайне мере, два переключения вводов его обмоток, при этом при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,30-0,40 ввод тягового трансформатора, являющийся началом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, соединяют с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, ввод тягового трансформатора, являющийся концом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения, и ввод тяговой обмотки с наименьшим износом изоляции тягового трансформатора - с рельсовой сетью, ввод обмотки высшего напряжения тягового трансформатора с наибольшим износом изоляции соединяют с наименее загруженной фазой линии электропередач, а два других ввода обмоток высшего напряжения - с двумя другими фазами линии электропередач при одноименном напряжении каждого плеча питания данной тяговой подстанции напряжению плеча питания соответствующих смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа от соответствующей тяговой подстанции, вводы районных обмоток тягового трансформатора тяговой подстанции соединяют с соответствующими фазами районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения, при достижении износа изоляции наиболее изношенных обмоток в диапазоне 0,55-0,70 первый ввод тягового трансформатора, являющийся началом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, соединяют с одним концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с отрицательным знаком напряжения, второй ввод тягового трансформатора, являющийся концом тяговой обмотки с наибольшим износом изоляции, - с другим концом нейтральной вставки контактной сети межподстанционной зоны с положительным знаком напряжения и третий ввод тяговой обмотки с наименьшим износом изоляции тягового трансформатора - с рельсовой сетью, ввод тягового трансформатора обмотки высшего напряжения с наибольшим износом изоляции соединяют с наименее загруженной фазой линии электропередач, а два других ввода обмоток высшего напряжения - с двумя другими фазами линии электропередач при одноименном напряжении каждого плеча питания данной тяговой подстанции напряжению плеча питания соответствующих смежных тяговых подстанций, расположенных слева и справа от соответствующей тяговой подстанции, вводы районных обмоток тягового трансформатора тяговой подстанции соединяют с соответствующими фазами районной линии электропередач при одноименности фаз районных линий электропередач фазам линии электропередач высшего напряжения.