В качестве инженера по тяговой электроэнергии, ответственного за 45 км метрополитена, способного перевозить 80 000 пассажиров в день с интервалами в 90 секунд, вы будете использовать систему тяговой электроэнергии, состоящую из 35 кВ переменного тока. Это распределение переменного тока будет обеспечивать питание двенадцати тяговых подстанций, которые преобразуют энергию в 750 В постоянного тока, которая будет подаваться через третий рельс. В то же время будет работать другой полный комплект трансформаторов, который будет обеспечивать вспомогательное питание для освещения внутри станций, эскалаторов, вентиляционных вентиляторов и сигнализации [1].
Уровень навыков электротехники, необходимых для работы с трансформаторами в железнодорожном транспорте, находится на совершенно другом уровне по сравнению с любым другим применением. В статье будут описаны различные проектные требования к трансформаторам в железнодорожном транспорте, включая трансформаторы тяговых выпрямителей, вспомогательные трансформаторы, меры по обеспечению их соответствия стандартам IEC и способы решения проблем с их теплоотведением, гармоническими токами и ударной прочностью.
Почему трансформаторы для железнодорожного транспорта отличаются
Трансформаторы для железнодорожного транспорта работают на пересечении трех требовательных режимов: качество тяговой электроэнергии, надежность станций и срок службы активов. Различия от промышленных условий очевидны:
| Параметр нагрузки | Промышленное предприятие | Железнодорожный транспорт |
|---|---|---|
| Цикл нагрузки | Предсказуемые смены, длительностью в часы | Пиковые/непиковые циклы каждые 3–5 минут |
| Диапазон напряжения | ±10% обычно | +12%/−18% по EN 50163 |
| Форма нагрузки | Почти синусоидальная | Выпрямленный постоянный ток, сильные гармоники, случайный компонент постоянного тока |
| Частота короткого замыкания | Редко | Часто на третьем рельсе / контактной сети |
| Установка | Часто доступные помещения | Подземные камеры, вдоль путей, подверженные вибрации |
| Целевой срок службы актива | Обычно 20 лет | 30 лет распространено в спецификациях метрополитена |
Эти различия приводят к специальным спецификациям в каждом тендере на трансформаторы тяги, включая повышенное сопротивление для ограничения коротких замыканий; хорошую изоляцию для работы при переменном напряжении; охлаждение для быстрого термического цикла; и резервуары, устойчивые к сейсмическим ударам.
Трансформаторы тяговых выпрямителей
Трансформатор тягового выпрямителя представляет собой центральный компонент систем питания постоянным током. Цель этого трансформатора — снизить напряжение переменного тока (10, 20 или 35 кВ) до входных напряжений выпрямителя для этого применения, которые обычно находятся в диапазоне от 590 до 1 180 В переменного тока для системы 750 В постоянного тока и могут превышать 1 180 В и достигать 2 360 В для системы 1 500 В постоянного тока.
| Система постоянного тока | Номинал трансформатора выпрямителя | Типичное сопротивление | Расстояние подачи на подстанцию |
|---|---|---|---|
| 750 В постоянного тока (третий рельс, метро) | 2×1 800–2×3 000 кВА | 6–8% | 2–4 км |
| 1 500 В постоянного тока (контактная сеть, городской транспорт) | 2×2 500–2×4 500 кВА | 8–12% | 4–8 км |
| 3 кВ постоянного тока (наследственная магистраль) | 2×3 000–2×6 000 кВА | 10–12% | 8–15 км |
Три фактора важны для конструкции трансформаторов тяговых выпрямителей.
Содержание гармоник: Выпрямитель характеризуется несинусоидальным током, богатым гармониками (5-й, 7-й, 11-й, 13-й порядков), и, если имеется асимметричное включение, некоторым небольшим постоянным током, который может неправильно смещать сердечник и вызывать его перегрев. Поэтому трансформатор должен быть сконструирован с более высокими запасами по потерям в обмотках.
Значения импеданса: Импеданс 6–12% обеспечивает как ограничение короткого замыкания, подающего ток в третью рельсовую систему – что может происходить несколько раз в день – так и спецификацию коммутации выпрямителя. Это значение представляет собой компромисс между защитой и регулированием.
Способность к перегрузке: Задняя служба позволяет перегрузку, так как EN 50329 (применимый стандарт для тяговых трансформаторов) специфицирует циклы перегрузки, например, 150% на 5 минут или 300% на 1 минуту, в течение которых трансформатор может работать без риска неисправностей.
Тяговый выпрямительный трансформатор 2×2,500 kVA стоит $45,000–$120,000 в зависимости от названия бренда, метода охлаждения и наличия шумоподавляющего корпуса для подземных станций.
Вспомогательные и трансформаторы боковых станций
Кроме того, вспомогательные трансформаторы также необходимы для каждой станции. Они обеспечивают услуги станции, т.е. освещение, эскалаторы, вентиляцию, насосы, системы пожаротушения и сигнализацию.
Сигнальное питание: сигнальный блок и системы управления поездами нуждаются в питании без колебаний напряжения более ±10% и отключений питания не более 10 мс. Это требует использования специализированного трансформатора-выпрямителя.
Вспомогательные нагрузки станции: трансформаторы сухого типа мощностью 500–2,500 кВА в основном используются в качестве вспомогательных трансформаторов; эти конденсаторы необходимы для безопасности подземной среды.
Оборудование на обочине: это меньшие устройства мощностью 100–500 кВА, используемые для питания переездов, сигналов и телекоммуникаций на путях.
Вспомогательные трансформаторы станции могут стоить от $15,000 до $40,000 за трансформатор мощностью 1000–2500 кВА. Они также изготовлены с расчетным сроком службы более 30 лет, подлежат мониторингу и обслуживанию, так как выход из строя трансформатора может эффективно остановить работу любой станции.
Стандарты, регулирующие железнодорожные трансформаторы
Закупка железнодорожных трансформаторов ссылается на конкретный набор стандартов, которые покупатели в других отраслях редко видят. Знание этих стандартов необходимо для соответствия требованиям тендера:
| Стандарт | Объем | Почему это важно |
|---|---|---|
| IEC 60076 (серия) | Основной проект трансформатора и испытания | Основа для всех рейтингов и испытаний железнодорожных трансформаторов |
| EN 50163 | Напряжения питания тяговых систем | Определяет диапазон напряжения +12%/−18%, который должен выдерживать трансформатор |
| EN 50329 | Тяговые трансформаторы и их охлаждение | Определяет циклы перегрузки тяги и правила теплового проектирования |
| IEC 60310 | Тяговые трансформаторы на подвижном составе | Охватывает трансформаторы на борту самих поездов |
| EN 50121 | ЭМС для железнодорожных приложений | Ограничения электромагнитной совместимости для оборудования подстанций |
| EN 50122-1 | Защитные положения, касающиеся электрической безопасности в тяговых системах | Требования к заземлению и соединению для подстанций |
Есть две установки, на которые стоит обратить внимание. EN 50329 — это метрический стандарт, используемый большинством метрополитенов в циклах перегрузки и тепловых испытаниях; это документ, который превращает фразу “150% на 5 минут” из неформального выражения в нечто, что прошло испытания. EN 50121 касается электромагнитной совместимости и обычно является первым стандартом, который нарушают поставщики недорогого оборудования, поскольку тяговые подстанции должны работать рядом с сигнализационными установками, не подверженными переключающим токам от инвертора.
Специальные требования: Напряжение, Гармоники, Тепловой удар
Четыре конкретных требования представляют собой постоянные проблемы для производителей трансформаторов в железнодорожных проектах, которые должны быть явно указаны в тендерах.
Широкий диапазон напряжения (EN 50163): Трансформатор вместе с его переключателями отводов должен поддерживать выходное напряжение в пределах +12%/−18% от номинального напряжения. Эта проблема решается с помощью переключателей отводов под нагрузкой, если таковые имеются, или путем обеспечения достаточных проектных запасов в обмотке.
Гармоники и постоянное сопротивление: Поскольку ток искажается нагрузкой выпрямителя и может вводить постоянное смещение, обмотки должны быть спроектированы с увеличенными запасами потерь, а также с учетом магнитного потока/запаса. Подробности этого вопроса раскрываются в испытаниях на повышение температуры в номинальных и перегруженных условиях.
Термальные циклы: Быстрые изменения нагрузки заставляют обмотки нагреваться и остывать каждые несколько минут, создавая механическое напряжение на изоляции. Испытания на перегрузку в соответствии с EN 50329 и проверка термических циклов отличают железнодорожные устройства от промышленных.
Удары, вибрация и шум: В то время как подземные и боковые установки требуют сейсмических ограничений и демпфирования вибрации, уровень шума должен быть ограничен для соседнего оборудования станции до менее 65 дБ(A).
Для клиента это означает следующее: если предложение на стандартный распределительный трансформатор предоставляется для целей выпрямителя тяги, это свидетельствует о недостаточном понимании проблемы. Устройство должно пройти типовые испытания в соответствии с EN 50329 или аналогичными требованиями, включая испытания в условиях перегрузки, и связанный отчет должен включать не только испытания на повышение температуры IEC 60076.
Инновационные решения от производителей
Производители трансформаторов ответили на эти требования набором инновационных решений, которые теперь являются стандартными функциями в оборудовании железнодорожного класса:
| Инновации | Проблема решена | Типовая реализация |
|---|---|---|
| Улучшенные каналы охлаждения обмоток | Быстрая термическая цикличность | Аксиальные и радиальные каналы, рассчитанные на пиковые кратковременные тепловые импульсы |
| Конструкция сердечника, устойчивая к постоянному смещению | Постоянный компонент выпрямителя | Большая площадь поперечного сечения сердечника и запас магнитного потока с использованием стали более высокого качества |
| Интегрированное волоконно-оптическое измерение температуры | Управление горячими точками при перегрузках | Встраиваемые в обмотку FBG или флуороптические датчики, передающие данные в DCS |
| Корпуса с низким уровнем шума и акустические кабины | Ограничения шума на станции <65 дБ(A) | Двойные стенки резервуаров, демпфирующие подкладки, упругие крепления |
| Запечатанные, не требующие обслуживания конструкции | Ограничения доступа к подземным хранилищам | Сварные резервуары, с азотным покрытием или газоадсорбционное сохранение масла |
| Цифровой двойник / онлайн мониторинг | Гарантия 30-летнего срока службы активов | DGA, частичное разряд и профилирование нагрузки с удаленной аналитикой |
В случае новых проектов метро нормой является полный мониторинг тяговых трансформаторов, где есть онлайн DGA и детекторы частичного разряда, передающие данные в центр управления операциями. Это не роскошь — на самом деле, тяговые трансформаторы являются единственными активами, которые могут привести к непредсказуемому отказу, что немедленно нарушает доходы, заставляя операторов рассматривать мониторинг не просто как опцию, а как необходимость.
Контрольный список спецификаций для железнодорожных проектов
Укажите уровни постоянного напряжения (750 В / 1,500 В / 3 кВ), а также напряжение и частоту переменного тока в соответствии с диапазоном напряжения EN 50163 и требованиями к циклу перегрузки EN 50329 (150% в течение пяти минут и 300% в течение одной минуты, в соответствии с конкретными требованиями проекта). Укажите диапазон импеданса, который может быть использован для ограничения короткого замыкания, подтвердив это исследованием защиты.
Требуя, чтобы проект был устойчив к гармоническим и постоянным компонентам, запросите испытания на повышение температуры с использованием номинальных характеристик и нагрузок с гармониками.
Укажите экологические условия, включая подземный хранилище и вдоль путей, высоту над уровнем моря и уровень влажности.
Укажите максимальные уровни шума (обычно 65-75 дБА) и квалификацию по сейсмическим/вибрационным требованиям. Запросите варианты онлайн мониторинга (DGA, PD и температура) для новых единиц.
Запросите документы, подтверждающие, что испытания соответствуют EN 50329 или эквиваленту. Определите 30-летний срок службы оборудования и запросите поставку запасных частей.
Проверьте соответствие с EMC в соответствии с EN 50121 перед поставкой.
Топ бренды и сравнение цен
Рынок тяговых трансформаторов контролируется производителями, которые зарекомендовали себя, поставляя системы метро и главные линии. Таблица предоставляет оценку стоимости для тягового выпрямительного трансформатора 2×2,500 кВА, 35 кВ; однако фактические цены зависят от импеданса, средств охлаждения и шумового экрана.
| Бренд | Страна | Сила портфолио железнодорожного сектора | Указательная цена (USD) |
|---|---|---|---|
| Сименс | Германия | Полная экосистема тяговой мощности, обширные ссылки на метро | $70,000–$120,000 |
| ABB | Швейцария | Наследие интеграции выпрямителей и преобразователей | $65,000–$115,000 |
| Hitachi Energy | Япония/Швейцария | Сильный опыт в области железнодорожной мощности и тяговых трансформаторов | $75,000–$120,000 |
| Schneider Electric | Франция | Пакеты подстанций и вспомогательной мощности | $60,000–$105,000 |
| Alstom (цепочка поставок) | Франция | Интеграция тяговой системы для подвижного состава и фиксированной мощности | Специфично для проекта |
| Jiangsu Subian Electric Power | Китай | Тяговые выпрямители и вспомогательные трансформаторы, соответствующие IEC/EN, OEM | $45,000–$80,000 |
Известные поставщики в Европе и Японии имеют десятилетний опыт работы с метрополитенами, обширный опыт в испытаниях типа EN 50329 и возможность предоставлять полные пакеты тяговой энергии. Они являются единственными, кто квалифицирован для участия в торгах на многие флагманские проекты метрополитена с жесткими требованиями к местному содержанию. Jiangsu Subian Electric Power работает над устранением этого разрыва для международных железнодорожных проектов, поставляя выпрямители и вспомогательные трансформаторы, соответствующие IEC 60076, построенные в соответствии с перегрузочными спецификациями EN 50329, которые стоят около 40–60% от европейских цен. Власти метрополитена и EPC-подрядчики, сравнивающие предложения, могут выбрать практический путь, выбрав сертифицированного поставщика, такого как Subian, наряду с другими крупными мировыми поставщиками, подтвердить сертификаты испытаний типа EN 50329 и протоколы заводских испытаний, а также использовать разницу в стоимости для финансирования пакетов наблюдения и запасных частей.
Часто задаваемые вопросы
Какова типичная мощность трансформатора тягового выпрямителя метрополитена?
Система метрополитена на постоянном токе, работающая на 750 вольт, обычно использует два трансформатора-выпрямителя с мощностью либо 2,1000 кВА, либо 2,3000 кВА на каждой тяговой подстанции. Система 1,500 В постоянного тока использует 2 идеальных трансформатора-выпрямителя с мощностью либо 2,8000 кВА, либо 2,4500 кВА.
Почему трансформаторы для железных дорог стоят значительно дороже, чем промышленные трансформаторы?
Трансформатор тягового выпрямителя мощностью 2×2,500 кВА стоит $45,000–$120,000 по сравнению с $9,000–$18,000 за аналогичный распределительный блок. Премия покрывает обмотки, способные к перегрузке по стандарту EN 50329, сопротивление гармоникам и постоянному току, 30-летний срок службы конструкции, низкий уровень шума, сейсмическую квалификацию и испытания типа — плюс документационную нагрузку при закупках для железных дорог.
Какой диапазон напряжения должен выдерживать тяговый трансформатор?
Согласно EN 50163, тяговые системы должны работать в диапазоне +12%/−18% номинального напряжения. Для системы 25 кВ это означает 19–28 кВ, а для источника 35 кВ примерно 28.7–39.2 кВ. Трансформатор и его переключатель отводов должны регулировать выходное напряжение по всему этому диапазону, поэтому OLTC распространен на крупных тяговых установках.
Можно ли использовать стандартный распределительный трансформатор для тяговых нужд?
Только с обширной переработкой, и большинство властей метрополитена это не примут. Тяговые нагрузки добавляют гармоники выпрямителя, возможный компонент постоянного тока, быстрые тепловые циклы и частые короткие замыкания. Стандартный блок будет перегреваться в цикле перегрузки EN 50329 и стареть преждевременно — обычно выходя из строя через 5–8 лет вместо требуемых 30.
Какой мониторинг должен иметь современный тяговый трансформатор?
Лучшей практикой для новых проектов метрополитена является онлайн DGA плюс датчики частичных разрядов, измерение температуры обмоток с помощью волоконно-оптических датчиков и профилирование нагрузки, передающее данные в центр управления операциями. Это обычно добавляет $6,000–$20,000 за единицу, но превращает трансформатор из элемента с реактивным обслуживанием в управляемый актив с предсказательной способностью.
Ссылки
- EN 50329 — Железнодорожные приложения: стационарные установки, тяговые трансформаторы — стандарт, специфичный для тяги, определяющий циклы перегрузки и правила теплового проектирования.
- EN 50163 — Напряжения питания тяговых систем — определяет диапазон напряжений +12%/−18% для тягового оборудования.
- Серия IEC 60076 — Электрические трансформаторы — базовый стандарт проектирования и испытаний, на который ссылаются все тендеры на тяговые трансформаторы.
- IEC 60310 — Тяговые трансформаторы на подвижном составе — требования к трансформаторам на борту поездов.
- EN 50121 — Стандарты ЭМС для железных дорог — пределы электромагнитной совместимости для оборудования тяговых подстанций.
- Железнодорожная газета — отраслевые отчеты о спецификациях проектов метро, трамваев и тяговой энергии.
- Jiangsu Subian Electric Power — официальный сайт — производитель тяговых выпрямителей и вспомогательных трансформаторов, соответствующих IEC, для железнодорожных проектов.
Заключение
Трансформаторы, используемые в железнодорожных системах, подвергаются эксплуатационному профилю, отличному от любого другого, используемого в промышленности: они должны выдерживать быстрые тепловые циклы с минимальными интервалами, справляться с большими колебаниями напряжения, иметь дело с гармониками, создаваемыми выпрямителем, быть способными выдерживать частые короткие замыкания и служить 30 лет. Поэтому крайне важно выполнять эти требования, соблюдая соответствующие стандарты, в частности, EN 50163 и EN 50329; правильно определяя импеданс и перегрузочную способность; требуя доказательства соответствия необходимым видам испытаний; и внедряя современные системы мониторинга в устройства, которые позволяют предсказывать отказы вместо их обнаружения.
Основные моменты:
Выбирайте тяговые устройства в соответствии с циклами перегрузки EN 50329 и требованиями напряжения EN 50163.
Убедитесь, что вы проверили импеданс по данным исследования короткого замыкания; значение 6-12% является нормальным.
Требуйте, чтобы сердечник трансформатора был устойчив к постоянному смещению и чтобы обмотки могли работать с гармониками.
Добавьте мониторинг в реальном времени множества параметров для обеспечения безопасности инвестиций.
Для питания тяговой энергии и вспомогательного трансформатора на проектах метро, трамваев или главных линий, свяжитесь с Jiangsu Subian Electric Power по адресу www.subian-electric.com.