Совершенствование схемных решений распределительных устройств питающего напряжения тяговых подстанций
На правах рукописи
Шумаков Константин Геннадьевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Екатеринбург – 2012
Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение транспорта» Феде рального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный университет пу тей сообщения» (ФГБОУ ВПО УрГУПС)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Галкин Александр Геннадьевич
Официальные оппоненты:
– Бурков Анатолий Трофимович, доктор технических наук, профессор, профес сор кафедры «Электроснабжение железных дорог» Петербургского государст венного университета путей сообщения (ФГБОУ ВПО ПГУПС);
– Сухогузов Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электрические машины» Уральского государственного университета путей сообщения (ФГБОУ ВПО УрГУПС).
Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образова тельное учреждение высшего профессионального образования «Омский госу дарственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ОмГУПС).
Защита состоится « 13 » « апреля » 2012 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном уни верситете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогоро ва, 66, аудитория Б2-15.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения, на сайте Мини стерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru, на официальном web портале УрГУПС www.usurt.ru.
Автореферат разослан « 12 » « марта » 2012 г.
Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью организа ции, просим направлять в адрес Диссертационного совета университета.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Асадченко Виталий Романович ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Тяговые и трансформаторные подстанции же лезных дорог Российской Федерации являются основными элементами тягово го и нетягового электроснабжения. Они состоят из распределительных уст ройств (РУ), основу которых составляет силовое электротехническое оборудо вание. Надежность этих устройств и схем их включения, в конечном счете оп ределяет бесперебойную работу электроподвижного состава и нетяговых по требителей.
В настоящее время освоен выпуск высоконадежного современного элек трооборудования, которое может считаться практически необслуживаемым.
Однако, до сих пор проектирование новых подстанций осуществляется на ос нове схемных решений разработанных в середине прошлого века с учетом па раметров надежности устаревшего оборудования (масляных выключателей, разъединителей, разрядников и так далее), применявшихся в то время.
Применение современных и достаточно дорогих электроаппаратов в ста рых схемных решениях приводят к значительному повышению стоимости под станций, что может явиться препятствием на пути внедрения новой техники.
Поэтому внедрение высоконадежного оборудования должно сопровождаться совершенствованием схем подстанций. Это должно привести к снижению ка питальных и эксплуатационных затрат при сохранении существующей степени надежности функционирования электрооборудования.
Актуальность выбранного направления научного исследования подтвер ждает разработанная Управлением электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» «Концепция обновления тяговых подстанций, трансформаторных под станций и линейных устройств тягового электроснабжения», согласно которой основополагающим принципом технической политики Российских железных дорог в области сооружения и реконструкции подстанций, является принцип совершенствования схемотехнических решений при сохранении существующей степени надежности функционирования.
Цель диссертационной работы — совершенствование схемных решений распределительных устройств питающего напряжения тяговых и трансформа торных подстанций с учетом увеличения надежности силового электротехниче ского оборудования.
Для достижения указанных целей необходимо решить следующие задачи.
1. Провести анализ существующих схемных решений, рассмотреть раз личные методики определения показателей надежности и выявить их преиму щества и недостатки.
2. Разработать новые схемные решения РУ питающего напряжения под станций.
3. Разработать математическую модель и создать программный ком плекс 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 под станций.
Предметом исследования являются схемные решения распределитель ных устройств питающего напряжения подстанций.
Методы исследования. Автором применен математический аппарат тео рии надежности, теории графов и теории игр. Для описания процессов исполь зованы 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 эконо мичные схемы РУ питающего напряжения подстанций.
Практическая значимость исследования.
1. Предложенные схемы РУ питающего напряжения могут быть исполь зованы при проектировании подстанций.
2. Разработанные методики и программа для ЭВМ позволяют опреде лять показатели надежности произвольной электрической схемы и могут быть применены при исследовании любых сложных систем.
3. Рекомендации по выбору схем РУ питающего напряжения для раз личных подстанций могут быть использованы при реконструкции действую щих подстанций и электрификации железных дорог.
На защиту выносятся.
1. Усовершенствованные схемные решения РУ питающего напряжения подстанций.
2. Математические модели, позволяющие определить параметры надеж ности произвольной электрической схемы: аналитическая – с применением ме тода включения-исключения и статистическая – с применением метода Монте Карло.
3. Результаты расчета и анализ показателей надежности, а также реко мендации 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 190401 «Электроснабжение железных дорог».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы разви тия транспортного комплекса России» (г. Екатеринбург, 2006г.);
четвертый Международный симпозиум «Электрификация и организация скоростных и тя желовесных коридоров на железнодорожном транспорте» (г. Санкт-Петербург, 2007г.);
Научно-техническая конференция «Разработка и совершенствование электрооборудования для систем тягового электроснабжения железных дорог» (г. Екатеринбург, 2009г.);
Международная научно-техническая конференция «Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура» (г. Екате ринбург, 2011г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 12-и печатных работах, из которых 3 статьи в жур нале, входящем в Перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций, свидетельство о государственной регистра ции программ для ЭВМ и патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех 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 на именований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности научной проблемы, по ставлены цели и задачи исследований, отмечено научное и практическое значе ние работы, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен подробный литературный обзор по теме дис сертации, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.
Произведен анализ схем унифицированных тяговых подстанций, приме няемых в настоящее время проектными институтами, которые изложены в тру дах Ю. М. Бея, Р. Р. Мамошина, В. Н. Пупынина, М. Г. Шалимова, а также в типовых материалах для проектирования ОТМ32-4243-01 «Унифицированные тяговые подстанции магистральных железных дорог».
Анализ был выполнен для РУ питающего напряжения опорной (узловой), транзитной (проходной), отпаечной (на ответвлениях) и тупиковой (концевой).
Отмечены их достоинства и недостатки.
Выполнен анализ существующих методик определения показателей на дежности систем, отмечены их достоинства и недостатки. При анализе были использованы работы ученых Ю. Б. Гука, А. В. Ефимова, А. Г. Галкина, Ф. И.
Синьчугова, Г. Хана, С. Шапиро, а также иностранных ученых – J. Endrenyi, M.
L. Shooman, M. Hall.
Выявлено, что при существующем уровне надежности электротехниче ского оборудования, а также развития вычислительной техники создается по требность в новых схемных решениях и в вычислительной программе для оп ределения показателей надежности произвольных электрических схем.
Вторая глава посвящена разработке и анализу вновь предложенных ав тором схемных решений распределительных устройств питающего напряжения различных тяговых подстанций.
Для отпаечной тяговой подстанции (ОТП ТП) разработаны несколько схем РУ питающего напряжения как на отдельно стоящем оборудовании (ОСО), так и на интегральном силовом оборудовании (ИСО). ОСО представля ет собой отдельное электротехническое оборудование, такое как выключатели, измерительные трансформаторы, разъединители и прочее. ИСО, напротив, в одном корпусе содержит несколько электроаппаратов. Эти ячейки могут со держать от одного до двух выключателей, от одного до трех разъединителей и от одного до трех заземляющих ножей. Надежность такого оборудования очень высока. Так по данным фирмы АББ интенсивность отказа ячейки ПАСС, со стоящей из одного выключателя и одного разъединителя, равняется 0,005 год –1, что сопоставимо с интенсивностью отказа разъединителя типа РНДЗ.
В схеме ОТП ТП предложено перенести трансформаторы напряжения от перемычки за выключатель на участок присоединения понижающего транс форматора. Это связано с тем, что измерительные трансформаторы напряжения в РУ питающего напряжения ОТП ТП предназначены только для учета элек троэнергии. Такое подключение позволило отказаться от разъединителя в цепи подключения трансформатора напряжения, так как они будут выводиться в ре монт вместе с понижающим трансформатором. Кроме этого, при таком под ключении трансформаторы напряжения защищены соответственно выключате лями и ограничителями перенапряжений.
Так как типовая схема ОТП ТП предназначена для питания двух пони жающих трансформаторов и имеет два ввода подключенных к различным пи тающим линиям, то целесообразно иметь РУ питающего напряжения состоящее как минимум из двух ячеек ИСО. В этом случае они резервировали бы друг друга и выводились в ремонт вместе с понижающим трансформатором, к кото рому они подключены.
Недостатком такой схемы является достаточно большая сложность и как следствие высокая стоимость ячеек ИСО типа 1Q+3QS (один выключатель и три разъединителя). Кроме этого, так как данное оборудование производятся за рубежом, то к их стоимости добавляются затраты на растаможивание и достав ку груза. Поэтому была поставлена задача – разработать схему РУ питающего напряжения ОТП ТП на более простых ячейках ИСО, производство которых может быть организованно в России в самое ближайшее время.
Начиная с 2001 года, отечественная промышленность выпускает баковый элегазовый выключатель ВЭБ-110, технические параметры которого находятся на уровне лучших мировых образцов. Кроме этого на базе выключателя ВЭБ 110 в ближайшее время будет начато российское производство ячеек ИСО типа 1Q+1QS (один выключатель и один разъединитель).
Поэтому для уменьшения стоимости РУ питающего напряже ния ОТП ТП автором предложена схема, состоящая из упрощенных ячеек ИСО типа 3QS (три разъеди нителя) и элегазового выключателя (рисунок 1).
Так как вводы РУ питающего напряжения ОТП ТП подключают ся к различным питающим линиям, то перемычка используется при вы воде в ремонт одного из выключа телей, установленных на участке присоединения силовых трансфор Рисунок 1 – Схема РУ питающего напряжения маторов. Учитывая то, что совре ОТП ТП с перемычкой на упрощенных ИСО менное электротехническое обору дование является достаточно надежным, а значит, ремонтная перемычка прак тически не будет использоваться, то была предложена схема без перемычки (рисунок 2, а).
б) а) а) схема на ОСО;
б) схема на ИСО Рисунок 2 – Схема РУ питающего напряжения ОТП ТП без перемычки Такая схема ОТП ТП представляет собой два независимых ввода, под ключенных к ЛЭП W1 и W2, в каждом из которых установлены: ограничители перенапряжения FV1 (FV2), разъединители QS1 (QS2), выключатели Q1 (Q2) и измерительные трансформаторы TA1 (TA2) и TV1 (TV2). При выводе в ремонт какого-либо электроаппарата отключается один из вводов.
Исключение перемычки уменьшает число электротехнического оборудо вания на два разъединителя.
Предложенная схема РУ питающего напряжения ОТП ТП без перемычки может быть реализована на упрощенных ячейках ИСО типа 1Q+1QS (рисунок 2, б).
Транзитные тяговые подстанции (ТРЗ ТП) отличаются от ОТП ТП тем, что РУ питающего напряжения включаются в рассечку ЛЭП и должны обеспе чивать транзит электрической энергии, а также автоматическое секционирова ние ЛЭП. В настоящее время на ТРЗ ТП получили распространение два вариан та РУ питающего напряжения.
Первая схема, по которой сооружено подавляющее количество транзит ных подстанций, называется схема «с ремонтной перемычкой со стороны ли нии». Недостатком данной схемы является то, что при выводе в ремонт выклю чателя рабочей перемычки транзит электроэнергии осуществляется по ремонт ной перемычке, состоящей из двух разъединителей и, тем самым, нарушается автоматическое секционирование ЛЭП. В этом случае повреждение в линии, как справа, так и слева от ремонтной перемычки приведет к полному отключе нию данной подстанции.
Вторая схема, которая была принята для проектирования ТРЗ ТП 01 янва ря 1990 года, называется схема «с ремонтной перемычкой со стороны транс форматоров». Её преимуществом, по сравнению с первой, является то, что при выводе в ремонт выключателя рабочей перемычки транзит электроэнергии осуществляется по ремонтной перемычке, состоящей из двух разъединителей, а секционирование ЛЭП осуществляется выключателями участков присоедине ния трансформаторов. Одновременно с этим вторая схема имеет существенный недостаток при транзите электроэнергии по ремонтной перемычке (при вы воде в ремонт выключателя рабочей перемычки) возникает необходимость па раллельной работы обоих головных трансформаторов. При этом выход из строя любого трансформатора приводит к отключению всей подстанции. Кроме этого в составе силового оборудования второй схемы на два разъединителя больше, чем в первой схеме.
При использовании современного оборудования могут быть получены две схемы РУ питающего напряжения ТРЗ ТП: «схема с выключателем в пере мычке» и «схема без выключателя в перемычке».
Первая схема (рисунок 3) имеет один выключатель в перемычке, ограж денный разъединителями с двух сторон.
Транзит электроэнергии осуществляется по перемычке, и автоматическое секциониро вание питающей линии осуще ствляется установленным в ней выключателем. При выводе Q в ремонт транзит прекращается, но питание потребителей не прерывается и осуществляется от соседних питающих ТП. От ключение или вывод в ремонт понизительных трансформато ров Т1 и Т2 осуществляется вы Рисунок 3 – Схема РУ питающего напряжения ТРЗ ключателями Q1 и Q2.
ТП с выключателем в перемычке на ОСО Схема с выключателем в перемычке по сравнению с типовой схемой РУ питающего напряжения ТРЗ ТП с ремонтной перемычкой со стороны транс форматоров имеет на два разъединителя меньше (таблица 1).
Вторая схема (рисунок 4) имеет перемычку без выключателя обособлен ную разъединителями с двух сторон. Транзит электроэнергии и питание потре бителей подстанции осуществляется по выключателям Q1 и Q2, которые также секционируют питающую линию. Отключение одного из этих выключателей не приводит к потере питания потребителей подстанции, так как питание будет осуществляться по другому вводу.
Схема без выключателя в перемычке может иметь два режима работы трансформаторов:
питание РУ осуществ 1) ляется по двум вводам, а по требители питает один по нижающий трансформатор, при этом второй находится в резерве;
2) питание РУ осуществля ется по двум вводам, а по требители питают два по нижающих трансформатора работающих параллельно.
Если применяется первая схема питания, то Рисунок 4 – Схема РУ питающего напряжения ТРЗ ТП без выключателя в перемычке на ОСО при выходе из строя пони жающего трансформатора отключатся оба выключателя. В этом случае в бестоковую паузу должен от ключиться разъединитель поврежденного трансформатора, и включиться разъ единитель второго трансформатора, находящегося в резерве. При второй схеме питания, при выходе из строя понизительного трансформатора, также отклю чаются оба выключателя и в бестоковую паузу должен отключиться разъедини тель поврежденного трансформатора. Все это повышает требования к автома тике.
Предложенная схема на ОСО по сравнению с типовой схемой РУ питаю щего напряжения ТРЗ ТП с ремонтной перемычкой со стороны питающей ли нии имеет на четыре разъединителя и один выключатель меньше (таблица 1).
Таким образом, схема без выключателя в перемычке по числу электротехниче ского оборудования совпадает с типовой схемой ОТП ТП, но позволяет осуще ствлять автоматическое секционирование ЛЭП и тем самым обеспечить надеж ный транзит. Это позволяет позиционировать схему без выключателя в пере мычке как универсальную промежуточную ТП.
Таблица 1 – Количество выключателей и разъединителей в различных вариантах схем РУ питающего напряжения транзитных подстанций «с выключа- «без выключа «с ремонтной «с ремонтной пере телем в пере- теля в пере Оборудование перемычкой со мычкой со стороны мычке» (ри- мычке» (рису стороны линии» трансформаторов» сунок 3) нок 5) Выключатель, шт. 3 3 3 Разъединитель, шт. 10 12 8 Схемные решения РУ питающего напряжения ТРЗ ТП, приведенные на рисунок 3 и рисунок 4, аналогично схемам ОТП ТП, могут быть реализованы на укрупненных или упрощенных ячейках ИСО. Примеры схем на упрощенных ИСО с отдельно стоящем элегазовым выключателем приведены на рисунок 5, а и б соответственно.
б) а) а) схема с выключателем в перемычке;
б) схема без выключателя в перемычке.
Рисунок 5 – Схема РУ питающего напряжения ТРЗ ТП на упрощенных ИСО с элегазовыми выключателями Основное отличие РУ питающего напряжения опорной тяговой подстан ции (ОПР ТП) от РУ питающего напряжения промежуточных подстанций наличие трех и более вводов.
Типовой схемой РУ питающего напряжения для опорных подстанций при числе вводов не более пяти является схема РУ с одинарной секционированной выключателем и обходной системами шин. Основное назначение обходной шины вывод в ремонт выключателей вводов и участков присоединения трансформаторов без перерыва питания этих присоединений. Такая схема обес печивает достаточно высокую надежность и гибкость в эксплуатации.
Однако применение обходной системы шин требует установки дополни тельных коммутационных аппаратов: обходного выключателя, трех разъедини телей к нему, по одному разъединителю на каждый ввод и по одному разъеди нителю на участки присоединения трансформаторов.
Необходимость применения обходной системы шин была оправдана тем, что схема разрабатывалась под баковые масляные выключатели, надежность которых была на порядок ниже надежности разъединителей и имели высокую интенсивность ремонтных работ. При этом вывод в ремонт любого шинного разъединителя главной системы шин сопровождался отключением всей секции и, соответственно, всех ее присоединений.
В настоящее время надежность элегазовых выключателей практически достигла надежности разъединителей. Поэтому появилась возможность отка заться от обходной системы шин в РУ питающего напряжения опорных под станций. Это значительно сократило бы количество и стоимость устанавливае мого оборудования при сохранении необходимого уровня надежности электро снабжения потребителей.
Одним из вариантов совершенствования схемного решения РУ питающе го напряжения ОПР ТП может быть схема без обходной системы шин выпол ненной на упрощенных ячейках ИСО типа 1Q+1QS (рисунок 6).
Рисунок 6 – Схема РУ питающего напряжения опорной подстанции без обходной системы шин на упрощенных ИСО В этой схеме секционирование главной системы сборных шин осуществ ляется двумя электроаппаратами: ячейкой ИСО3 типа 1QS и ячейкой ИСО4 ти па 1Q+1QS. Установка двух элементов для секционирования необходима для вывода в ремонт ИСО3 или ИСО4 без отключения всего РУ. Так для работы на ИСО3 отключаются все присоединения секции 1, выключатель Q3 (ИСО4) и разъединитель QS4 (ИСО4). Секция 2 при этом остается в работе. Для работы на ИСО4 отключаются все присоединения секции 2, выключатель Q3 (ИСО4) и разъединитель QS3 (ИСО3). Секция 1 при этом остается в работе.
Для вывода в ремонт ИСО присоединения какой-либо секции необходимо отключить всю секцию, так как это было в типовых схемах при выводе в ре монт шинных разъединителей.
Дальнейшее увеличение числа вводов для питания промежуточных под станций может осуществляться ячейками ИСО типа 1Q+1QS, которые на рису нок 6 показаны пунктиром.
С целью сокращения числа ячеек ИСО (снижения времени монтажа, уменьшения площади РУ) можно применить ИСО с более высокой степенью интеграции. Так опорная подстанция может быть реализована на двух укруп ненных ячейках ИСО.
По разработанным схемным решениям питающего напряжения на группу схем был получен патент №2403662 на изобретение «Устройство для питания и распределения электрической энергии на промежуточных тяговых подстанци ях».
В третьей главе автором предложены две математические модели, по зволяющие определить параметры надежности различных электрических схем:
аналитическая – с применением метода включения-исключения и статистиче ская – с применением метода Монте-Карло.
Для оценки степени возможного совершенствования схем РУ питающего напряжения ТП необходимо определить показатели их надежности.
Любую электрическую систему можно представить структурной схемой надежности (ССН), на которой оборудование заменяют элементом с опреде ленными параметрами надежности. В простейшем случае она представляет системы, которые образованы последовательно-параллельным включением элементов. Однако, если структурная схема не является таковой, то решить её общей аналитической моделью практически невозможно.
В свою очередь ССН можно сопоставить графу, в котором один или не сколько последовательно соединенных элементов представлены ребрами графа (е12…еmv), а узлы схемы – вершинами графа (1…М) (рисунок 7).
Рисунок 7 – Граф произвольной электрической системы с входной вершиной u и выходной v Для анализа исследуемых систем воспользуемся теорией путей и сечений.
Введем понятие структурной функции, которая характеризует систему и определяется из (1).
(1) Любой вектор состояний называется вектором пути, если. Причем Наличие хоть одного рабочего вектора пути во всей системе равнозначно задается структурной функцией.
Вектор пути называется минимальным, если для всех удовлетворяю щих условию, выполняется равенство. Условимся, что, если и, по крайней мере, для одного j из множест, ва. Минимальному вектору пути соответствует минимальное множе ство элементов пути.
Каждому вектору пути поставим в соответствие множество тех k-ых элементов, для которых, то есть. Множество элемен тов пути характеризует те элементы, которые работоспособны.
Для дальнейших рассуждений воспользуемся теорией графов.
Допустим, что для ССН, полученной по произвольной электрической системе, составлен направленный граф, где V – множество вершин графа G (обычно занумерованные натуральными числами);
– множе ство ребер графа G;
– параметр, присваивающийся каждому ребру со единяющему вершины i и j, как некоторое неотрицательное число. Выделим две вершины (рисунок 7): входную u и выходную v. Очевидно, что система ра ботоспособна тогда и только тогда, когда в графе существует, по крайней мере, один путь от вершины u к вершине v, содержащий лишь ребра работоспособ ных элементов.
Работоспособность системы можно описать лишь минимальными путями (рисунок 8).
Для получения минимальных путей можно воспользоваться способом по тенцирования матрицы инцидентности ребер, а также методом понижения ран га матрицы инцидентности ребер или методом определителей.
Получение минимальных путей способом потенцирования матрицы ин цидентности ребер производится следующим образом.
Если каждый элемент в матрице инцидентности заменить символом соответствующего ребра ekm, то получим матрицу инцидентности ре бер, где (2) Рисунок 8 – Диаграмма полурешетки пересечений минимальных путей Матрица обладает следующим важным свойством: слагаемые, из ко торых состоит элемент, взаимно однозначно соответствуют путям длины r из узла i в узел j.
Матрица получается в результате (r–1) кратного умноже ния матрицы, полученной из (2), самой на себя, причем с элементами ekm формально обходятся как с числами. Очевидно, что.
Зная минимальные пути для системы, можно вычислить вероятность пол ной парной связности (вероятность безотказной работы системы), применяя ме тод включения-исключения (3), где i, j, k – индексы суммирования, которые удовлетворяя указанным ограниче ниям, пробегают значения от 1 до w.
Случайное событие А равносильно существованию, по крайней мере, од ного исправного пути от узла u к узлу v.
Предложенная методика позволяет производить расчет структур не яв ляющихся последовательно-параллельными. При использовании метода вклю чение–исключение имеется слагаемых, что значительно затрудняет расчет при больших значениях w.
Наравне с методом включения-исключения возможно применение метода статистического моделирования.
Предлагаемая методика заключается в следующем. Для каждого элемента разыгрывается случайное число, определяющее его состояние. После чего оп ределяется вероятность отказа для каждого пути и для всей системы в целом.
Рассмотрим более подробно применение этого метода.
После розыгрыша каждый элемент схемы (системы) принимает одно из двух логических значений, а именно исправен ( ) или не исправен ( ). Таким образом (4) где PiH – нормативная вероятность безотказной работы i-го элемента.
Любой i-ый элемент системы может принадлежать нескольким j-ым пу тям и занимать в них одно l-ое место. Тогда логическое состояние j-ого пути определяется как (5) где – количество элементов в j-ом пути;
– логическое состояние l-го эле мента в j-ом пути.
Формула (5) представляет собой перемножение логических состояний элементов, входящих в путь, и означает, что j-ый путь исправен только тогда, когда работоспособны все элементы принадлежащие пути.
Логическое состояние всей системы R будет представлять собой сумму логических состояний минимальных путей полученных в (5) (6) где М – максимальное число минимальных путей для выбранной схемы;
– логическое состояние j-го минимального пути.
Это означает, что если исправен хотя бы один путь, то работоспособна система в целом.
Полученные в (6) для каждого розыгрыша результаты, позволяют опреде лить вероятность безотказной работы системы (7) где D – число произведенных розыгрышей методом Монте-Карло;
s – номер ро зыгрыша.
На основе выше изложенных методик была построена математическая модель определения показателей надежности сложных электрических систем.
По этой модели автором разработан программный продукт «Расчет пока зателей надежности различных схем подстанций» моделирования с использо ванием метода Монте-Карло, новизна которого подтверждена свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009612452 от 15 мая 2009г.
В четвертой главе по изложенным методикам и разработанной програм ме выполнены расчеты показателей надежности существующих и предложен ных в диссертации схемных решений РУ питающего напряжения. На основе этих расчетов произведен анализ полученных данных и осуществлено технико экономическое сравнение всех выше перечисленных схем.
Технико-экономическое сравнение сооружения различных вариантов РУ тяговых подстанции проведено на основе методических рекомендаций по оцен ке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте. Так как вариан ты РУ тяговых подстанций отличаются друг от друга только размерами капи тальных затрат и эксплуатационными расходами, то наиболее эффективное ре шение будет отвечать минимуму приведенных затрат ЗПР.
При расчете капитальных затрат учитывалась стоимость основного сило вого оборудования. Эксплуатационные расходы учитывали стоимость обслу живания и ремонта силового оборудования, а также ущерб, вызванный недоот пуском электрической энергии. Для оценки ущерба в денежном эквиваленте необходимо определить объем недоотпущенной электроэнергии.
Ожидаемое количество электроэнергии W, недоотпущенное потребителям за период времени, определяется как суммарный ожидаемый недоотпуск элек троэнергии всем N потребителям, присоединенным к данной системе электро снабжения, то есть (8) Ожидаемый недоотпуск i-му потребителю соответствует произведению средней величины нагрузки Pi на эквивалентную продолжительность простоя Э за рассматриваемый период времени Э. (9) Эквивалентная продолжительность простоя i-го потребителя, (10) где i – интенсивность отказов i-го потребителя, год –1;
ТВi – среднее время вос становления i-го потребителя, год;
i – интенсивность преднамеренных отклю чений i-го потребителя, год –1;
ТОi – среднее время обслуживания i-го потреби теля, год;
– коэффициент, отражающий меньшую тяжесть последствий от преднамеренных отключений по сравнению с внезапными отказами. В практи ческих расчетах принимают =0,33.
Результаты определения приведенных затрат рассматриваемых схемных решений представлены в таблице 2.
Все расчеты выполнены по данным полученным в Службе электрифика ции и электроснабжения Свердловской железной дороги – филиала ОАО «РЖД».
Таблица 2 – Приведенные затраты рассматриваемых схемных решений РУ питающего напряжения Вероятность Приведенные затраты, Наименование схемных решений отказа, QС тыс. рублей Схемы РУ питающего напряжения отпаечных подстанций 0, Типовая схема РУ на ОСО 12 450 0, РУ без перемычки на ОСО (рисунок 2, а) 0,0102 9 000 РУ с перемычкой на упрощенных ИСО (рисунок 1) 0,0109 18 900 РУ без перемычки на ИСО (рисунок 2, б) 0,0039 16 200 Схемы РУ питающего напряжения транзитных подстанций Типовая схема РУ с ремонтной перемычкой со сто- 0, 16 800 роны питающей линии на ОСО 0, Типовая схема РУ с ремонтной перемычкой со сто- 0, 18 000 роны понижающих трансформаторов на ОСО 0, РУ с выключателем в перемычке на ОСО (рисунок 3) 0,0165 15 000 РУ без выключателя в перемычке на ОСО (рисунок 4) 0,0205 13 950 РУ с выключателем в перемычке на упрощенных 0,0057 21 210 ИСО с элегазовым выключателем (рисунок 5, а) РУ без выключателя в перемычке на упрощенных 0,0117 20 250 ИСО с элегазовым выключателем (рисунок 5, б) Схемы РУ питающего напряжения опорных подстанций Типовая схема РУ с обходной системой шин на ОСО 0, 29 650 0, РУ без обходной системы шин на ОСО 0,0339 22 350 РУ без обходной системы шин на упрощенных ИСО 0,0075 42 000 (рисунок 6) Примечание: в числителе приведены значения при выполнении схемы на современном обо рудовании, а в знаменателе – на устаревшем.
Данные приведенные в таблице 2 справедливы для вновь проектируемых и сооружаемых подстанций. Однако, из-за сильного износа основных фондов ОАО «РЖД», чаще всего перед Дистанцией электроснабжения ставится задача модернизации или замены определенного типа оборудования.
Замена того или иного типа электротехнического оборудования в РУ пи тающего напряжения типовых схем непременно приведет к изменению надеж ности и требует определенных капитальных затрат, которые, в первом прибли жении, можно считать равными стоимости основных коммутационных аппара тов. Для оценки вносимого эффекта, с учетом стоимости оборудования, введем величину удельной эффективности замены оборудования, которую будем определять по следующей формуле (11) где С – стоимость оборудования которое подлежит замене, млн. руб;
Р – из менение вероятности безотказной работы при замене определенного типа обо рудования в %, определяемое по формуле (12) где Ртип – надежность электроснабжения потребителей типовой схемы для рас сматриваемой подстанции;
Робор – надежность электроснабжения потребителей типовой схемы для рассматриваемой подстанции после замены определенного типа оборудования.
Физический смысл параметра на сколько процентов увеличится на дежность работы РУ при капитальных затратах в один млн. руб. Очевидно, что чем выше, тем эффективнее замена данного оборудования.
Наиболее важными элементами РУ можно считать коммутационные ап параты (силовой выключатель, разъединитель) и средства защиты от перена пряжений (разрядники, ограничители перенапряжений). Поэтому расчет на дежности будем производить для четырех вариантов:
1) установка только ограничителей перенапряжений взамен разрядников;
2) установка только современных разъединителей взамен устаревших;
3) установка только элегазовых выключателей взамен масляных;
4) одновременная замена всех выше перечисленных аппаратов.
Для типовых схем РУ подстанций, после расчета по формулам (11) – (12), получаем гистограммы, приведенные на рисунке 9.
Анализ рисунка 9 показывает, что наибольший относительный эффект наблюдается от замены разрядников ограничителями перенапряжений, из-за низкой стоимости последних. Однако, надежность работу РУ при этом увели чивается незначительно. Поэтому внедрение ограничителей перенапряжений следует применять при низком уровне финансирования. Если же уровень фи нансирования достаточно высок, то в первую очередь необходимо осуществить замену масляных выключателей элегазовыми, что приведет к существенному повышению надежности работы РУ питающего напряжения подстанций. Наи меньший эффект, как относительный, так и абсолютный, наблюдается при вне дрении на подстанции новых разъединителей. Поэтому замену старых разъеди нителей при модернизации РУ можно рекомендовать в последнюю очередь.
26, 24, Ограничитель Ограничитель перенапряжений перенапряжений Разъединитель Разъединитель Элегазовый Элегазовый выключатель выключатель Всё оборудование Всё оборудование современное современное 5, 2, 1,91 1,59 1, 0, а) для отпаечных подстанций б) для опорных подстанций 11, 28, Ограничитель Ограничитель перенапряжений перенапряжений Разъединитель Разъединитель Элегазовый Элегазовый выключатель выключатель Всё оборудование Всё оборудование современное современное 1, 0,91 1,86 1, 0,085 0, в) для транзитных подстанций с ремонтной г) для транзитных подстанций с ремонтной перемычкой со стороны понижающих транс- перемычкой со стороны питающей линии форматоров Рисунок 9 – Удельная эффективность замены оборудования для типовых схем подстанций ЗАКЛЮЧЕНИЕ При выполнении диссертационной работы были достигнуты следующие результаты.
1. Выполнен анализ существующих схемных решений распределитель ных устройств питающего напряжения тяговых и трансформаторных подстан ций, рассмотрены различные методики определения показателей надежности, выявлены их преимущества и недостатки.
2. Предложены новые схемные решения распределительных устройств питающего напряжения для всех типов тяговых и трансформаторных подстан ций: отпаечной (на ответвлениях), транзитной (проходной) и опорной (узло вой). При разработке схем учитывалось значительное увеличение в последние годы надежности силового оборудования.
3. В распределительных устройствах питающего напряжения отпаечных подстанций предложено отказаться от перемычки. Исключение перемычки по зволит в схеме на отдельно стоящем оборудовании значительно снизить, с восьми до двух, количество разъединителей, а в схеме на интегральном сило вом оборудовании применить более простые ячейки. Схема распределительных устройств питающего напряжения отпаечных подстанций без перемычки на ин тегральном силовом оборудовании была внедрена при сооружении тяговых подстанций во время электрификации 53-х километрового участка Свердлов ской железной дороги – филиала ОАО «РЖД».
4. Для распределительных устройств питающего напряжения транзит ных подстанций предложена группа схем без выключателя в перемычке. При менение таких схем распределительных устройств питающего напряжения по зволит сооружать промежуточные подстанции, которые по количеству и соста ву оборудования будут аналогичны отпаечным, и вместе с тем смогут осущест влять транзит электроэнергии, секционируя при этом линию электропередач.
По сравнению с типовой схемой, число разъединителей снизится на четыре, а выключателей на один. Новизна группы схем подтверждена патентом на изо бретение РФ № 2403662.
5. Для опорных подстанций предложены схемы распределительных уст ройств 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 математические модели расчета надежности сложных электрических систем: в одной модели, аналитической, определение надежно сти системы в целом производится методом включения–исключения, в другой, статистической, методом Монте-Карло. По статистической модели был состав лен алгоритм и разработана программа расчета показателей надежности, кото рая закреплена авторским свидетельством о государственной регистрации №2009612452.
7. Сравнение параметров надежности предложенных схем распредели тельных устройств питающего напряжения однотипных подстанций показало, что их показатели надежности не ниже показателей типовых схем. Так при реа лизации предложенных схем на современном отдельно стоящем оборудовании, по сравнению с типовыми схемами, вероятность отказа уменьшается: для отпа ечных 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 случаях даже увеличивает показатели надежности всей систе мы в целом. Реализация предложенных схем на интегральном силовом обору довании уменьшает вероятность отказа: для отпаечных подстанций в 2,61 раза, для транзитных подстанций в 1,3 раза и для опорных в 4,5 раза.
8. Технико-экономическое сравнение показало, что при реализации предложенных схем на современном отдельно стоящем оборудовании, по срав нению с типовыми схемами, приведенные затраты уменьшаются: для отпаеч ных 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 тран зитных подстанций на 31% и для опорных на 46%.
9. По результатам диссертационной работы можно сделать общий вы вод, что на сегодняшний день для большинства распределительных устройств питающего напряжения наилучшими технико-экономическими показателями обладают предложенные в диссертации схемные решения на современном от дельно стоящем оборудовании: схема без перемычки для отпаечных подстан ций, схема без выключателя в перемычке для транзитных и без обходной сис темы шин для опорных подстанций. При организации производства в РФ уп рощенных ячеек интегрального силового оборудования, когда их стоимость значительно снизится, следует сооружать распределительные устройства по предложенным в диссертации схемам на базе этих ячеек.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
В изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ, свидетельства и патенты:
1. Шумаков К. Г. Сравнение схемных решений распределительных уст ройств питающего напряжения транзитных подстанций на отдельно стоящем оборудовании [Текст] / А. Г. Галкин, В. А. Вербицкий, А. Н. Штин, К. Г. Шума ков // Транспорт Урала. – 2009. – № 3. –С. 108-111.
2. Шумаков К. Г. Методика определения показателей надежности сложных электрических систем [Текст] / А. Г. Галкин, С. С. Титов, А. Н. Штин, К. Г.
Шумаков // Транспорт Урала. – 2010. – № 2. – С. 88 – 90.
3. Шумаков К. Г. Надежность схемы распределительного устройства пи тающего напряжения подстанции на ответлениях без перемычки [Текст] / А. Г.
Галкин, В. А. Вербицкий, А. Н. Штин, К. Г. Шумаков // Транспорт Урала. – 2010. – № 4. –С. 52-55.
4. Свид. №2009612452 Расчет показателей надежности различных схем под станции / Шумаков К. Г. (Россия). – № 2009611205;
Заявлено 23.03.2009 г. За регистрирован в Гос. реестре программ для ЭВМ 15 мая 2009 г.
5. Патент РФ №2403662, МПК8 Н02J 3/04, Устройство для питания и рас пределения электрической энергии на промежуточных тяговых подстанциях.
Шумаков К. Г., Ефимов А. В., Вербицкий В. А., Штин А. Н. Опубл. 10.11. Бюл. № В других изданиях:
6. Шумаков К. Г. Применение элегазовых ячеек PASS в открытом распреде лительном устройстве питающего напряжения отпаечных тяговых подстанций [Текст] / Б. А. Аржанников, В. А. Вербицкий, А. С. Низов, А. Н. Штин // Совер шенствование схем устройств электроснабжения транспорта и проектирование их конструкций: Сб. науч. тр. / Под ред. А. Г. Галкина. – Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. ун-та путей сообщения, 2005. – Вып. 48 (131). – С. 5-14.
7. Шумаков К. Г. Применение элегазовых ячеек ПАСС в ОРУ питающего напряжения промежуточных тяговых подстанций [Текст] / К. Г. Шумаков, В. А.
Вербицкий, А. Г. Галкин, А. Н. Штин // Наука, инновации и образование: акту альные проблемы развития транспортного комплекса России: Материалы меж дународной научно-технической конференции / Под общ. ред. В. М. Сай. – Ека теринбург: Изд-во Урал. гос. ун-та путей сообщения, 2006. – С. 118-119.
8. Шумаков К. Г. Применение современных аппаратов в распределительных устройствах питающего напряжения транзитных подстанций [Текст] / А. Г.
Галкин, А. Н. Штин // Электрификация и организация скоростных и тяжеловес ных коридоров на железнодорожном транспорте: Материалы Четвертого Меж дународного симпозиума «Элтранс-2007», 23-26 октября 2007 года / Под ред. В.
В. Сапожникова, А. Т. Буркова. – СПб.: Петербургский государственный уни верситет путей сообщения, 2009. – С. 494-502.
9. Шумаков К. Г. Схемные решения распределительных устройств питаю щего напряжения опорных подстанций на современном оборудовании [Текст] // Разработка и совершенствование электрооборудования для систем тягового электроснабжения железных дорог: 70-летию со дня рождения Юрия Михайло вича Бея посвящается / Под ред. А. В. Ефимова, Ю. П. Неугодникова. – Екате ринбург: Изд-во УрГУПС;
Вып. 70 (153), 2009. – С. 110-116.
10. Шумаков К. Г. Математическая модель тяговой подстанции [Текст] // Ин струменты развития образовательных технологий в области энергосбережения:
Материалы 4-й регион. науч.-практ. конф. 27 апреля 2009 г. / Под. ред. С. В.
Федорова. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2009. – С.
112-116.
11. Шумаков К. Г. Определение показателей надежности схем распредели тельных устройств тяговых подстанций методом Монте-Карло [Текст] // Инст рументы развития образовательных технологий в области энергосбережения:
Материалы 4-й регион. науч.-практ. конф. 27 апреля 2009 г. / Под. ред. С. В.
Федорова. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2009. – С.
117-121.
12. Шумаков К. Г.Сравнение схемных решений на ячейках ПАСС M0 тран зитной подстанции [Текст] / К. Г Шумаков, А. Н. Штин //Транспорт XXI века:
исследования, инновации, инфраструктура : материалы научн.-техн. конф., посв. 55-летию УрГУПС : в 2 т. / Уральский государственный университет пу тей сообщения. — Екатеринбург, 2011. — Вып. 97(180), т. 1. — 1 электрон. опт.
диск (CD-ROM). –С. 346- ШУМАКОВ КОНСТАНТИН ГЕННАДЬЕВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация Подписано к печати 06.03.2012 г.
Формат бумаги 6084 1/16 Объем 1,5 п.л.