Трансформаторы для тяговых подстанций

Трансформаторы тяговых подстанций представляют собой специализированный класс силовых трансформаторов, предназначенных для преобразования электроэнергии из энергосистемы в напряжение, пригодное для питания контактной сети электрического транспорта (электровозов, трамваев, троллейбусов, метрополитена). Их работа происходит в специфических и тяжелых условиях, что предъявляет к ним особые требования.

1. Назначение и особенности работы

Основные функции:

1. Понижение напряжения: Преобразование высокого напряжения от энергосистем (обычно 110 или 220 кВ) в стандартные для контактной сети (в России: 3.3 кВ постоянного тока или 25-27.5 кВ переменного тока).
2. Гальваническая развязка: Разделение энергосистемы и тяговой сети.
3. Стабилизация питания: Обеспечение стабильного напряжения в условиях резко и часто меняющейся нагрузки.

Ключевые особенности эксплуатации:

• Резкопеременная нагрузка: Трансформатор испытывает частые и значительные броски тока при разгоне и торможении электроподвижного состава (ЭПС).
• Высокие токи короткого замыкания: Контактная сеть подвержена коротким замыканиям.
• Значительные высшие гармоники: Преобразовательная техника ЭПС генерирует гармонические искажения в сеть.
• Несимметрия нагрузки: Однофазный характер нагрузки на подстанциях переменного тока приводит к несимметрии токов и напряжений в трехфазной системе.

2. Классификация и типы тяговых трансформаторов

2.1. По роду тока питаемой сети

1. Трансформаторы для систем переменного тока (25-27.5 кВ, 50 Гц):

• Назначение: Питание электровозов и электропоездов переменного тока.
• Особенности: Обычно трехобмоточные. Две вторичные обмотки (тяговые) питают разные секции контактной сети (левое и правое направление) через выпрямительные установки (для выпрямленно-возбудительной системы) или непосредственно.

2. Трансформаторы для систем постоянного тока (3.3 кВ):

• Назначение: Питание тяговых подстанций, которые через выпрямители (ртутные или полупроводниковые) подают постоянный ток в контактную сеть.
• Особенности: Многообмоточные. Имеют несколько вторичных обмоток, сдвинутых по фазе друг относительно друга (например, по схеме «зигзаг»), которые питают отдельные выпрямительные блоки. Это позволяет снизить уровень высших гармоник в первичной сети.

2.2. По конструктивному исполнению

• Масляные: Наиболее распространены. Масло выполняет функции изоляции и охлаждения.
• Сухие (литые): Применяются в основном для внутренней установки (например, в метрополитене) из-за повышенной пожаробезопасности.

3. Конструктивные особенности

Конструкция тягового трансформатора оптимизирована для работы в условиях перегрузок и несимметрии.

1. Магнитопровод (сердечник):

• Изготавливается из холоднокатаной текстурированной электротехнической стали для снижения потерь холостого хода.
• Конструкция усилена для противостояния электродинамическим силам при коротких замыканиях.

2. Обмотки:

• Первичная обмотка (СЕТЬ): Рассчитана на высокое напряжение 110 или 220 кВ. Имеет ответвления (РПН — Регулирование Под Нагрузкой) для поддержания стабильного напряжения в контактной сети.
• Вторичные обмотки (тяговые):
  • Выполняются из медной или алюминиевой шины большого сечения, рассчитанной на высокие токи (до тысяч ампер).
  • Имеют повышенную механическую прочность для противодействия частым электродинамическим воздействиям.
  • В трансформаторах для постоянного тока часто выполняются по схеме «зигзаг» для компенсации несимметрии.

3. Система охлаждения:

• Масляное охлаждение: Наиболее распространенный тип.
  • Естественное (М): Для маломощных трансформаторов.
  • Дутьевое (Д): С принудительным обдувом радиаторов вентиляторами. Самый распространенный тип для тяговых трансформаторов (тип ДЦ – дутье с циркуляцией при помощи насосов).
• Система регенерации масла (термосифонные фильтры): Поддерживает свойства масла, адсорбируя влагу и продукты старения.

4. Вводы:

• Высоковольтные вводы (110/220 кВ): Элегазовые или маслонаполненные.
• Низковольтные вводы (тяговые): Мощные, рассчитанные на большие токи.

4. Основные технические характеристики

• Номинальная мощность: От 4 до 63 МВА и более (зависит от класса подстанции и интенсивности движения).
• Номинальные напряжения:
  • Первичное: 110 или 220 кВ.
  • Вторичное (тяговое): Например, 27.5 кВ или 6.3/1.2 кВ (для дальнейшего выпрямления).
• Схема и группа соединения обмоток: Наиболее распространены Yn/∆-11 или Yn/Yn/∆-0-11 для трехобмоточных.
• Напряжение короткого замыкания (Uк%): Составляет 10.5-12.5%, что выше, чем у силовых трансформаторов общего назначения. Это необходимо для ограничения токов КЗ.
• Система регулирования напряжения: РПН (Регулирование Под Нагрузкой) позволяет менять коэффициент трансформации без отключения трансформатора, поддерживая стабильное напряжение в контактной сети.

5. Системы защиты, контроля и управления

• Дифференциальная защита: От междуфазных коротких замыканий внутри трансформатора.
• Газовая защита (реле РГЧЗ): Реагирует на выделение газа при повреждении изоляции и на резкое падение давления масла.
• Защита от перегрузки: Максимальная токовая защита.
• Термосигнализация: Контроль температуры масла и обмоток.
• Система автоматического пожаротушения: Как правило, водяное или аэрозольное.

6. Особенности монтажа и эксплуатации

• Монтаж: Требует специального фундамента, подъездных путей для транспортировки и тяжелого грузоподъемного оборудования.
• Эксплуатация:
  • Регулярный контроль уровня и состояния масла (хроматографический анализ газов).
  • Проверка срабатывания устройств РПН.
  • Контроль состояния систем охлаждения.
  • Измерение сопротивления изоляции.
• Ремонт: Как правило, капитальный ремонт с заменой или перешихтовкой магнитопровода проводится в специализированных ремонтных цехах.

7. Тенденции и перспективы развития

1. Повышение надежности: Использование современных изоляционных материалов и мониторинга состояния в реальном времени.
2. Снижение потерь: Применение аморфных металлов для магнитопровода, позволяющих значительно снизить потери холостого хода.
3. Интеллектуализация: Внедрение систем диагностики и прогнозирования остаточного ресурса (цифровые двойники).
4. Экологичность: Поиск альтернативных, биоразлагаемых жидких диэлектриков вместо минерального масла.

Заключение

Тяговый трансформатор — это уникальный и критически важный элемент инфраструктуры электрифицированного транспорта. Его конструкция является результатом компромисса между необходимостью выдерживать экстремальные эксплуатационные нагрузки (броски тока, несимметрия, КЗ) и требованием обеспечивать высокий КПД и надежность. От его бесперебойной работы зависит график движения поездов и эффективность работы всего железнодорожного узла. Современные разработки направлены на создание еще более надежных, эффективных и «умных» трансформаторов, способных десятилетиями служить основой для развития экологичного электрического транспорта.