Испытания трансформаторов и реакторов тягового подвижного состава железнодорожного транспорта

Испытания трансформаторов и реакторов тягового подвижного состава железнодорожного транспорта

Введение
Надежная и безопасная работа систем электроснабжения тягового подвижного состава (ТПС) – локомотивов, электропоездов, метровагонов – критически важна для бесперебойного движения железнодорожного транспорта. Ключевыми элементами этих систем являются тяговые трансформаторы и реакторы, преобразующие и регулирующие электроэнергию для питания тяговых двигателей и бортовых систем. Для обеспечения их соответствия строгим требованиям эксплуатации на железной дороге проводятся комплексные испытания. Данная статья освещает основные аспекты этих испытаний.

1. Объекты испытаний

Объектами испытаний являются электрические аппараты, входящие в состав силовой цепи ТПС:

1. Тяговые трансформаторы: Основная функция – преобразование высокого напряжения контактной сети (например, 25 кВ, 50 Гц или 3 кВ постоянного тока через выпрямительно-инверторные системы) в более низкие напряжения, необходимые для питания тяговых двигателей и вспомогательных цепей (систем вентиляции, управления, освещения и т.д.). Могут быть однофазными (для переменного тока) или сложной конструкции для систем постоянного тока с выпрямлением. Часто включают несколько вторичных обмоток (тяговые, собственных нужд, отопление поезда).
2. Сглаживающие реакторы (дроссели): Устанавливаются в цепях постоянного тока (после выпрямителя) или в звеньях постоянного тока преобразователей частоты. Основная задача – сглаживание пульсаций выпрямленного тока, снижение уровня высших гармоник, ограничение скорости нарастания тока при коммутациях, что защищает полупроводниковые приборы и улучшает качество электроэнергии.
3. Реакторы собственных нужд: Могут использоваться в цепях питания вспомогательных преобразователей или других систем для ограничения токов короткого замыкания, фильтрации помех.

2. Область испытаний

Испытания охватывают широкий спектр параметров и характеристик, направленных на проверку:

• Электрической прочности изоляции: Способность изоляции выдерживать рабочие, перенапряжения и импульсные воздействия без пробоя.
• Электрических параметров:
  • Коэффициент трансформации (для трансформаторов).
  • Активное сопротивление обмоток постоянному току.
  • Индуктивность (для реакторов).
  • Потери холостого хода и короткого замыкания (для трансформаторов).
  • Ток холостого хода (для трансформаторов).
  • Напряжение короткого замыкания (для трансформаторов).
• Функциональных характеристик: Проверка работы в различных режимах (холостой ход, нагрузка, перегрузка) в соответствии с заданными параметрами.
• Тепловых характеристик: Нагрев обмоток и магнитопровода при номинальной и максимальной нагрузках, проверка эффективности системы охлаждения.
• Диэлектрических характеристик изоляции: Качество изоляции по тангенсу угла диэлектрических потерь (tg δ) и емкости, особенно для маслонаполненных трансформаторов.
• Стойкости к воздействию окружающей среды: Виброустойчивость (критично для ТПС), влагостойкость, стойкость к перепадам температур.
• Защиты: Проверка корректности работы встроенных устройств защиты (газовое реле, термосигнализаторы для масляных трансформаторов, датчики температуры для сухих).
• Соответствия требованиям нормативной документации: ГОСТ, ТУ, международных стандартов (например, МЭК), отраслевых правил (ПТЭ).

3. Методы испытаний

Испытания проводятся с использованием следующих основных методов:

1. Испытания повышенным напряжением промышленной частоты: Основной метод проверки электрической прочности основной изоляции обмоток относительно земли и между обмотками.
2. Испытания импульсным напряжением: Моделирование воздействия грозовых и коммутационных перенапряжений на изоляцию (полная и сокращенная волны – 1,2/50 мкс).
3. Измерение сопротивления изоляции (Rиз): Оценка общего состояния изоляции и ее увлажненности мегаомметром.
4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) и емкости: Точная диагностика состояния изоляции, выявление увлажнения, загрязнения, старения (особенно для маслобарьерной и маслонаполненной изоляции).
5. Измерение сопротивления обмоток постоянному току: Выявление дефектов в соединениях (пайках, сварках), контактах переключателей ответвлений.
6. Испытания на нагрев (тепловой пробег): Проводятся на номинальном токе до достижения установившейся температуры. Нагрев определяется по изменению сопротивления обмоток или прямым измерением температуры датчиками.
7. Испытания холостого хода и короткого замыкания: Определение потерь, тока холостого хода, напряжения короткого замыкания (для трансформаторов).
8. Измерение индуктивности и добротности (Q): Ключевые параметры для реакторов, определяемые мостовыми методами или с помощью измерителей RLC.
9. Вибрационные испытания: Проверка механической прочности конструкции, креплений, отсутствия резонансных частот, которые могут возникнуть при движении поезда.
10. Частичный разряд (ЧР): Чувствительный метод выявления локальных дефектов в изоляции (пустоты, включения, трещины) под воздействием высокого напряжения.

4. Испытательное оборудование

Для проведения полного комплекса испытаний требуется специализированное оборудование:

1. Высоковольтные испытательные установки:
   • Испытательные трансформаторы: Генераторы высокого напряжения промышленной частоты (до 100 кВ и выше).
   • Генераторы импульсных напряжений: Формируют стандартные грозовые и коммутационные импульсы.
2. Измерители параметров изоляции:
   • Мегаомметры: Для измерения Rиз (обычно на 2500 В или 5000 В).
   • Измерители тангенса угла диэлектрических потерь (Мосты tg δ): Прецизионные приборы для измерения tg δ и емкости на рабочих частотах (50 Гц) или повышенных (10 кГц).
3. Оборудование для измерения электрических параметров:
   • Микроомметры / мосты постоянного тока: Для точного измерения малых активных сопротивлений обмоток.
   • Измерители RLC / LCR-метры: Для измерения индуктивности реакторов, емкости обмоток трансформаторов.
   • Мостовые измерительные комплексы: Для проведения испытаний ХХ и КЗ трансформаторов.
4. Системы регистрации частичных разрядов (ЧР): Чувствительные детекторы, усилители и анализаторы для выявления и локализации источников ЧР.
5. Системы измерения температуры: Термометры сопротивления (Pt100), термопары, тепловизоры.
6. Вибрационные стенды: Электродинамические или гидравлические стенды для воспроизведения вибрационных нагрузок, соответствующих условиям эксплуатации на рельсовом транспорте.
7. Многофункциональные системы сбора данных и управления: Компьютеризированные комплексы, позволяющие автоматизировать процесс испытаний, регистрировать параметры в реальном времени, формировать протоколы.
8. Контрольно-измерительные приборы (КИП): Точные вольтметры, амперметры, ваттметры, осциллографы, анализаторы качества электроэнергии.

Заключение

Испытания тяговых трансформаторов и реакторов являются неотъемлемой и критически важной частью жизненного цикла оборудования железнодорожного транспорта. Они проводятся на этапах приемки нового оборудования, после капитального ремонта, а также в рамках периодического технического обслуживания. Применение современных методов и оборудования позволяет всесторонне оценить состояние аппаратов, выявить скрытые дефекты, подтвердить их надежность и готовность к эксплуатации в жестких условиях железной дороги. Строгое соблюдение методик испытаний и требований нормативной базы напрямую влияет на безопасность движения, бесперебойность перевозок и экономическую эффективность работы железнодорожного транспорта.