Máy biến áp kéo đường sắt: Cách tính toán trạm biến áp kéo 25 kV, Tại sao tổ đấu dây V/v và Scott quyết định mất cân bằng lưới điện, và IEC 62695 / EN 50329 yêu cầu những gì

Câu trả lời trước tiên: máy biến áp kéo đường sắt được quy định bởi hệ thống kéo — điện áp, tần số, sơ đồ đấu dây và chu kỳ làm việc — rất lâu trước khi kVA được đưa vào bàn thảo luận

Máy biến áp kéo là thiết bị chuyển đổi điện năng mà đường sắt mua từ lưới điện công cộng thành điện năng mà đoàn tàu thực sự có thể sử dụng: nguồn cấp ba pha 110 kV, 132 kV, 220 kV hoặc 33 kV được hạ áp — hoặc chuyển đổi từ ba pha sang hai pha — thành đường dây tiếp xúc 25 kV 50 Hz, 25 kV 60 Hz hoặc 15 kV 16,7 Hz, hoặc thành thanh cái DC 600–1.900 V của hệ thống metro hoặc đường sắt nhẹ thông qua bộ chỉnh lưu. Đây không phải là máy biến áp phân phối gắn nhãn đường sắt: tải kéo là đơn pha, gián đoạn, giàu sóng hài và thường xuyên bị đảo chiều do hãm tái sinh, và các tiêu chuẩn điều chỉnh thiết bị — IEC 62695 / EN 50329 cho lắp đặt cố định, IEC 60310 cho thiết bị trên tàu, IEC 61378-1 và IEEE 1653.1 cho máy biến áp chỉnh lưu — tồn tại chính xác vì những chế độ làm việc đó phá vỡ các thiết kế phân phối thông thường. Bốn quyết định định hình thiết bị: sơ đồ đấu dây (đơn pha, V/v, Scott), điện áp và tần số của hệ thống kéo, chu kỳ làm việc bao gồm quá tải và tái sinh, và hàm lượng sóng hài mà cuộn dây phải chịu đựng. Làm đúng bốn điều này thì kVA gần như tự động theo sau; làm sai hệ thống kéo thì không giá trị kVA nào cứu được dự án.

Những điểm chính cần nắm

• Hệ thống kéo quyết định máy biến áp, không phải ngược lại. 25 kV 50 Hz, 25 kV 60 Hz, 15 kV 16,7 Hz và các họ DC (1,5 kV, 750 V) mỗi loại ngụ ý một lõi thép, cấp cách điện và sơ đồ đấu dây khác nhau — xem thiết kế máy biến áp 50 Hz so với 60 Hz và cách chọn cấp điện áp.
• Tải kéo đơn pha làm mất cân bằng lưới ba pha. Lựa chọn sơ đồ đấu dây (đơn pha, V/v, Scott), dịch pha giữa các trạm biến áp lân cận, và khi cần thiết là thiết bị bù, là những công cụ giữ độ mất cân bằng điện áp thứ tự nghịch trong giới hạn của quy phạm lưới điện — đây là một ràng buộc kỹ thuật, không phải thủ tục hình thức.
• Chế độ làm việc kéo là chu kỳ, không phải ổn định. Tàu tăng tốc, chạy trớn, hãm và tái sinh, vì vậy thiết bị phải được quy định theo chu kỳ tải và khả năng quá tải, không phải theo một con số ổn định duy nhất.
• Chế độ chỉnh lưu và biến đổi bổ sung sóng hài, và đôi khi cả từ hóa DC. Khi đường dây tiếp xúc là DC, hoặc khi bộ biến đổi tĩnh nằm giữa máy biến áp và đoàn tàu, các quy tắc về tổn thất sóng hài và giảm định mức được áp dụng — cùng cơ chế như quá nhiệt do sóng hài trong máy biến áp, và cùng họ với máy biến áp chỉnh lưu cho máy điện phân.
• Quy định thiếu tổng trở hoặc làm mát là sai lầm kinh điển. Tổng trở quyết định cả dòng sự cố và điều chỉnh điện áp; làm mát và độ tăng nhiệt quyết định tuổi thọ cách điện. Cả hai đều thuộc đặc tính kỹ thuật trước khi báo giá — xem tính toán dòng ngắn mạch và phương pháp làm mát và độ tăng nhiệt.

Máy biến áp kéo nằm ở đâu trong chuỗi điện khí hóa?

Một phương án điện khí hóa đường sắt là một chuỗi: lưới điện công cộng → trạm biến áp kéo → đường dây cấp và đường dây tiếp xúc → đoàn tàu. Máy biến áp thường xuất hiện hai lần trong chuỗi đó (một lần ở trạm biến áp, một lần trên tàu) và đôi khi lần thứ ba, như máy biến áp tự ngẫu dọc theo đường ray. IEC 62695 liệt kê rõ ràng họ lắp đặt cố định, và danh sách này là một bản đồ tốt về những gì nhà máy sản xuất máy biến áp thực sự được yêu cầu chế tạo.

Các dự án hướng đến khách hàng thường bao gồm hai hoặc ba vai trò này trong một gói thầu. Một gói điện khí hóa hành lang ở châu Phi hoặc châu Á thường bao gồm máy biến áp kéo trạm biến áp, máy biến áp tự ngẫu hoặc máy biến áp booster dọc đường, và các tổ máy phụ trợ — và tài liệu đấu thầu sẽ nêu tên IEC 62695, IEC 60076 và IEC 60850 cùng nhau. Đọc chuỗi trước khi đọc định mức là điều giữ cho báo giá có thể so sánh được: một nhà cung cấp báo giá tổ máy trạm biến áp khi gói thầu yêu cầu máy biến áp tự ngẫu dọc đường đã trả lời một câu hỏi khác.

Trên chính đoàn tàu, thiết bị thay đổi tính chất. Máy biến áp kéo và phụ trợ trên tàu được điều chỉnh bởi IEC 60310 — dải nhiệt độ hẹp hơn, làm mát cưỡng bức, yêu cầu khắt khe về rung động và va đập, mục tiêu khối lượng, và chu kỳ làm việc được xây dựng từ các pha tăng tốc, chạy đều, hãm và tái sinh. Các tổ máy trên tàu nằm ngoài phạm vi của IEC 62695, và hầu hết người mua nhà máy xuất khẩu không mua chúng; điểm cần rút ra hữu ích là cùng một vật lý (chu kỳ làm việc, sóng hài, chu kỳ nhiệt) định hình tổ máy trên tàu cũng định hình tổ máy trạm biến áp, chỉ với nhiều không gian hơn và ít áp lực khối lượng hơn.

Hệ thống kéo của bạn là loại nào? Điện áp danh định và tần số quyết định mọi thứ phía sau

Sáu hệ thống tiêu chuẩn hóa bao phủ phần lớn chiều dài tuyến đường sắt được điện khí hóa trên thế giới, và chúng chia thành ba họ AC và ba họ DC. Sự khác biệt quan trọng đối với máy biến áp vì chúng thay đổi kích thước lõi thép, thiết kế cách điện, sơ đồ đấu dây và cách thiết bị phản ứng với tải.

Đối với hệ thống AC, điện áp danh định và dải đầu phân áp của máy biến áp phải được xây dựng xung quanh cửa sổ điện áp nguồn cấp thay vì chỉ con số danh định. EN 50163 / IEC 60850 định nghĩa điện áp nguồn kéo như một tập hợp các giới hạn — điện áp thấp nhất thường trực, điện áp thấp nhất không thường trực, điện áp cao nhất thường trực, điện áp cao nhất không thường trực, và mức quá điện áp dài hạn trong thời gian ngắn — được biểu thị bằng giá trị tương đối của điện áp danh định. Đối với hệ thống 25 kV, dải thường trực được trích dẫn rộng rãi là khoảng −24% đến +10% danh định với dao động ngắn hạn đến khoảng +16%; đối với hệ thống 15 kV 16,7 Hz khoảng −27% đến +15%, với dao động thêm được phép trong thời gian giới hạn. Thiết kế theo bảng của chính tiêu chuẩn, không theo tỷ lệ phần trăm được ghi nhớ: con số quyết định dải đầu phân áp, cấp cách điện và mức cho phép điện áp đầu tàu sụt giảm khi khởi động đồng thời nặng. Tiêu chuẩn tương đương của Trung Quốc là GB/T 1402 (*Ứng dụng đường sắt — Điện áp nguồn của hệ thống kéo*), phù hợp với IEC 60850.

Tại sao máy biến áp phân phối không làm được việc này? Bốn điểm khác biệt của chế độ kéo

Mỗi năm có một dự án cố gắng tiết kiệm chi phí bằng cách lắp máy biến áp phân phối tiêu chuẩn vào chế độ kéo. Đôi khi nó hoạt động được một thời gian, rồi một trong bốn cơ chế đuổi kịp. Hiểu chúng là sự khác biệt giữa một báo giá cạnh tranh và một khiếu nại bảo hành.

1. Tải là đơn pha, nên lưới điện chịu mất cân bằng

Lưới ba pha mang tải ba pha có dòng điện cân bằng và gần như không có thành phần thứ tự nghịch. Tải kéo, đơn giản nhất, là tải đơn pha: một cặp pha mang toàn bộ dòng điện kéo và dòng điện pha còn lại bị thiếu. Kết quả là dòng điện thứ tự nghịch tạo ra mất cân bằng điện áp thứ tự nghịch tại điểm đấu nối chung, gần tỷ lệ với tỷ số giữa tải kéo và công suất ngắn mạch ba pha tại điểm đó (một xấp xỉ kỹ thuật bậc nhất hữu ích — con số chính xác phụ thuộc vào góc tổng trở và cách tải kéo được đấu nối). Quy phạm lưới điện giới hạn điều này: GB/T 15543 của Trung Quốc giới hạn mất cân bằng điện áp thứ tự nghịch tại điểm đấu nối chung ở mức 2% trong vận hành bình thường và 4% trong thời gian ngắn, và các giới hạn tương đương tồn tại trong hầu hết quy phạm lưới điện châu Âu và châu Á — hướng dẫn so sánh tiêu chuẩn quốc tế cho thấy cách các họ GB, IEC và IEEE phân chia các yêu cầu này trong thực tế. Máy biến áp, sơ đồ đấu dây của nó và thứ tự pha giữa các trạm biến áp lân cận là cách nhà thiết kế đáp ứng giới hạn đó.

2. Chu kỳ tải dữ dội và lặp đi lặp lại

Máy biến áp phân phối thấy đường cong tải hàng ngày biến đổi chậm. Máy biến áp kéo thấy một đoàn tàu, rồi hai đoàn, rồi năm đoàn, rồi không có đoàn nào: hàng chục MVA xuất hiện và biến mất trong hàng chục giây, hàng trăm lần mỗi ngày, với dòng quá tải mỗi khi tàu khởi động. Do đó chu kỳ nhiệt rất khắc nghiệt theo thiết kế, và đặc tính kỹ thuật phải được viết dưới dạng chu kỳ tải với cấp quá tải thay vì một định mức liên tục duy nhất. Đây chính xác là lĩnh vực được đề cập trong hệ số tải và khả năng quá tải, và là lý do các tổ máy kéo thường được quy định với khả năng quá tải ngắn hạn cao hơn tổ máy phân phối có cùng định mức danh định.

3. Hãm tái sinh đảo chiều dòng công suất

Tàu hiện đại hãm bằng điện và đẩy năng lượng trở lại đường dây tiếp xúc, nơi một đoàn tàu khác có thể hấp thụ hoặc — nếu trạm biến áp có thể đảo chiều — nơi nó có thể trở về lưới điện. Hãm tái sinh có thể chiếm một phần đáng kể năng lượng kéo trên các tuyến đường sắt ngoại ô (kinh nghiệm ngành; tỷ lệ phụ thuộc nhiều vào mật độ thời gian biểu và độ dốc). Đối với máy biến áp, điều đó có nghĩa là dòng công suất ngược ở cùng bậc độ lớn với dòng công suất thuận, và máy biến áp phải có khả năng tương đương ở cả hai hướng. Nó cũng nâng điện áp ở đầu nhận, tương tác với dải đầu phân áp được thảo luận dưới đây. Trên hệ thống DC, tái sinh là lý do các trạm biến áp đảo chiều với bộ nghịch lưu tồn tại — nơi bộ chỉnh lưu diode không thể nhận công suất trở lại, năng lượng hãm bị đốt trong điện trở trên tàu.

4. Dòng điện bị méo dạng, và chế độ sự cố gần và khắc nghiệt

Các đội tàu kéo AC đã sử dụng bộ biến đổi thyristor điều khiển góc pha và, gần đây hơn, bộ biến đổi IGBT và SiC. Cả hai đều tạo ra dòng điện sóng hài; bộ chỉnh lưu kéo DC tạo ra sóng hài đặc trưng lớn (bậc 5, 7, 11, 13 và các họ của chúng). Dòng điện sóng hài làm tăng tổn thất dòng xoáy trong cuộn dây gần tỷ lệ với bình phương bậc sóng hài, làm quá nhiệt thiết bị từ bên trong, đúng như mô tả trong tại sao dòng điện sóng hài làm quá nhiệt máy biến áp. Đồng thời, máy biến áp kéo nằm gần tải về mặt điện: sự cố đường dây tiếp xúc và đường dây cấp thường xuyên hơn so với sự cố phân phối, nên thiết bị phải được thiết kế để chịu đựng ngắn mạch lặp đi lặp lại và dòng xung kích theo sau mỗi lần cấp điện lại một đoạn đường dây. Bảo vệ được quy định tương ứng — cùng họ thiết bị và sơ đồ như thiết bị bảo vệ máy biến áp, và khi thiết bị ngâm dầu, phân tích khí hòa tan định kỳ là kiểm tra tình trạng tiêu chuẩn.

V/v, Scott, Woodbridge hay đơn pha: chọn sơ đồ đấu dây như thế nào?

Sơ đồ đấu dây là quyết định kỹ thuật đầu tiên đối với máy biến áp kéo, và nó được thúc đẩy bởi ràng buộc lưới điện chứ không phải sở thích. Có bốn câu trả lời thực tế.

Ba quy tắc thực tế rút ra từ bảng đó. Thứ nhất, sơ đồ đấu dây là lập luận về quy phạm lưới điện, không phải lập luận về giá. Nếu công suất ngắn mạch tại điểm đấu nối chung đủ lớn so với tải kéo, đấu nối V/v thường được chấp nhận và là câu trả lời rẻ hơn. Nếu lưới yếu hoặc giới hạn mất cân bằng chặt, đấu nối Scott xứng đáng với chi phí cao hơn. Thứ hai, dịch pha giữa các trạm biến áp là công cụ cấp hệ thống: đấu nối các trạm biến áp kéo lân cận vào các cặp pha khác nhau để tải đơn pha của chúng triệt tiêu một phần trong mạng thượng nguồn là thực hành tiêu chuẩn, và phải được phối hợp với lựa chọn sơ đồ đấu dây thay vì để cho nhà thiết kế trạm biến áp. Thứ ba, tổ đấu dây vẫn quan trọng đối với các tổ máy ba pha và đối với bố trí nối đất. Tổ máy ba pha với sơ cấp tam giác giữ sóng hài bậc ba và tách hệ thống nối đất, cùng lý luận như trong tổ đấu dây Dyn11 so với Yyn0, và triết lý nối đất phía thứ cấp tuân theo thiết kế hệ thống nối đất — với sự nhấn mạnh đặc thù đường sắt rằng đường dẫn dòng hồi lưu và điện áp tiếp xúc là vấn đề an toàn theo đúng nghĩa của chúng, được điều chỉnh bởi họ EN 50122.

Khi tải kéo đơn pha lớn so với lưới và không sơ đồ đấu dây nào khắc phục được, bù được thêm vào — thường nhất là bố trí Steinmetz gồm các phần tử phản kháng, hoặc bộ bù tĩnh. Với tư cách nhà cung cấp máy biến áp, điều này nằm ngoài giới hạn phạm vi thiết bị của bạn, nhưng nó thay đổi những gì bạn phải báo giá: máy biến áp sau đó có thể được yêu cầu mang tải cố ý không cân bằng, hoặc chấp nhận chế độ sóng hài và phản kháng được quy định.

Điều gì thay đổi trong hệ thống máy biến áp tự ngẫu 2×25 kV?

Trên các hành lang dài hơn, bố trí 1×25 kV cổ điển — đường dây tiếp xúc được cấp ở 25 kV, ray và đất làm đường hồi lưu — gặp bức tường sụt áp: tổng trở đường dây và tổng trở hồi lưu giới hạn tầm với của một trạm biến áp và công suất một đoạn có thể mang. Câu trả lời tiêu chuẩn là cấp