Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Коэффициент сглаживания гармоник n-ой гармонической составляющей, результирующий коэффициент сглаживания гармоник, псофометрическое напряжение, отключающая способность выключателя, напряжение дуги, ток дуги, минимальное количество конденсаторов в параллельной части апериодического СФ.

Объектом исследования являются тяговые подстанции постоянного тока.

Цель работы - анализ основных путей повышения эффективности СФ.

Методы исследования - аналитические.

Проанализированы основные пути повышения эффективности СФ, доказано применение СФ с повышенной ёмкостью параллельной части и пониженной индуктивностью реактора, а также применение активных СФ.

Полученные результаты могут быть использованы при научно-исследовательских работах в области повышения эффективности работы СФ тяговой сети постоянного тока со смежными электротехническими коммуникациями.

Дипломный проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2002, графический материал представлен на дискете в конверте на обороте обложки.

The abstract

The Factor of the smoothing of the harmonicas n-ouch harmonic forming, resulting factor of the smoothing of the harmonicas, psofometrics voltage, unplugging ability of the breaker, voltage of the arc, current of the arc, minimum amount capacitor in parallel part aperiodic SF.

Object of the study are a tractive substations of the direct current.

Purpose of the work -an analysis of the main ways of increasing to efficiency SF. Methods of the study - analytical.

Will Analysed main ways of increasing to efficiency SF, is proved using SF with raised capacity of the parallel part and lowered by inductance of the reactor, as well as using active SF.

The got results can be used under research work in the field of increasing of efficiency of the work SF tractive network of the direct current with adjacent электротехническими communication.

Degree project is executed in text editor Microsoft Word 2002, graphic material was submitted for diskette in envelope on turn of the cover.

Введение

Железнодорожный транспорт является одной из ключевых отраслей народного хозяйства России. Потребление электроэнергии железными дорогами России в 2006 году составило 35923,1 млн кВт?ч, что выше уровня 2005 года на 5,4%, в том числе на тягу поездов - 29548,9 млн кВт?ч (увеличение на 6,8%). При этом объем перевозок увеличился на 4,3%, в том числе на электротяге - 6,9%. За счет ввода новых электрифицированных участков доля работы на электротяге возросла до 80,9%, против 79% в 2005г (рост на 1,9%).

Доля МПС в структуре электропотребления по России составила 5,8% (против 5,3% в 2005г), в том числе электротяга - 4,8% (против 4,3% в 2005г).

Преобразованиеэлектрической энергии выпрямительными (выпрямительно-инверторными) агрегатами всегда приводит к искажению питающего напряжения и тока, протекающего в тяговой сети, что в свою очередь ведет к появлению токов высших гармоник. Эти токи оказывают электромагнитное влияние на смежные коммуникации, но особенно существенно они воздействуют на аппаратуру автоблокировки, так как тяговые и сигнальные токи протекают по одной цепи - рельсам.

Электрификация железнодорожного транспорта тесно связана с проблемой обеспечения электромагнитной совместимости устройств электроснабжения со смежными электротехническими коммуникациями. В частности, на электрифицированных участках постоянного тока одной из эффективных мер защиты линий связи и рельсовых цепей автоблокировки является установка на тяговых подстанциях сглаживающих фильтров (СФ). К СФ тяговых подстанций предъявляется ряд требований: они должны обеспечивать не превышение допустимого уровня помех в линии связи и нормальную работу устройств автоблокировки при максимально простой схеме и параметрах, обуславливающих минимум потерь электрической энергии.

1. Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока

1.1 Анализ эффективности существующих сглаживающих фильтров

1.1.1 Классификация существующих сглаживающих фильтров

Сглаживающий фильтр представляет собой пассивный четырехполюсник (рисунок 1, 2), к входным зажимам 1 - 2 которого подключаются выпрямители тяговой подстанции, а к выходным 3 - 4 - тяговая сеть электрической железной дороги. Элементы, включенные в последовательное плечо фильтра (сопротивление Z_пос1(n), Z_пос2(n)), должны быть рассчитаны на пропускание постоянной составляющей тягового тока с минимальными потерями электрической энергии. В последовательном плече сглаживающего фильтра обычно используют реактор, обладающий малым активным сопротивлением. В качестве же элементов параллельного плеча фильтра (сопротивление Z Z_пар2(n)) используются в определенном сочетании индуктивные катушки и емкости.

Рисунок 1 - Схема замещения однозвенного сглаживающего фильтра

Наиболее эффективным сглаживающим фильтром будет такой фильтр, который обладает сопротивлением последовательной части, в спектре частот стремящимся к бесконечности, и сопротивлением параллельной части, стремящимся к нулю.

При этом активная составляющая сопротивления последовательной части должна стремиться к нулю [1].

Рисунок 2 - Схема замещения двухзвенного СФ

В последовательной части любого пассивного сглаживающего фильтра обязательно наличие реактора. Это связано с тем, что в последовательной части мы должны обеспечить пропуск постоянной составляющей тока с наименьшими потерями, поэтому необходим элемент, который будет иметь максимальное сопротивление на высоких частотах и минимальное сопротивление на частоте постоянной составляющей. Этим элементом является реактор, который обладает минимальным сопротивлением для постоянного тока и большим сопротивлением на высоких частотах. В СУ тяговых подстанций применяют реакторы типа РБФА-У-6500/3250 (реактор бетонный с обмоткой из алюминиевого провода, номинальное напряжение 3,3 кВ, номинальный ток 6500-3250 А). Реакторы на номинальный ток 3250 А комплектуют из одного, двух, трёх и четырёх блоков с индуктивностями 4,5; 11,0; 20 и 25 мГн, а реакторы на номинальный ток 6500 А - соответственно с индуктивностями 1,1; 3,0; 5,0 и 7,0 мГн. Блок реактора имеет четыре секции, что позволяет выполнять последовательно-параллельное или параллельное соединение их между собой.

Кроме реактора в последовательной части, параллельно реактору, может устанавливаться либо ёмкость, в этом случае речь идёт о запирающем контуре, т.е. параллельно соединены ёмкость и реактор, либо резонансный контур, т.е. параллельно реактору установлены соединенные последовательно индуктивность и ёмкость, речь идёт о фильтр-пробке. В этих двух случаях у нас настраивается контур реактор-ёмкость, либо контур реактор-резонансный контур на определённую частоту. На этой частоте данное параллельное соединение имеет бесконечное сопротивление, а т.к. СФ является делителем напряжения, основная часть входного напряжения U₁ приходится на наибольшее сопротивление из Z_пос и Z_пар, в данном случае Z_пос во много раз больше Z_пар, следовательно выходное напряжение U₂ на параллельной части сглаживающего фильтра стремится к 0.

Также в сглаживающим фильтре используется ёмкость, представляющая собой параллельное соединение конденсаторов, в этом случае речь идёт об апериодическом контуре. Ёмкостное сопротивление с увеличением частоты уменьшается. Поэтому апериодические фильтры из-за того, что с увеличением частоты уменьшается сопротивление в параллельной части, более хорошо сглаживают высокие гармоники. Наряду с ёмкостью, в параллельной части используется резонансный контур. Резонансный контур представляет собой последовательное соединение ёмкости и индуктивности, соответственно на определённой частоте в резонансном контуре мы наблюдаем резонанс напряжения, это говорит о том, что на этой частоте, контур будет иметь сопротивление, равное активному сопротивлению. Если активное сопротивление в резонансном контуре равно 0, то в параллельной части мы будем иметь нулевое сопротивление на определённой частоте, если активное сопротивление в последовательной части стремится к 0, то в параллельной части мы будем иметь нулевое сопротивление на определённой частоте.

Помимо этого в параллельном контуре может совместно использоваться ёмкость и резонансный контур, в этом случае получается резонансно-апериодический фильтр (рисунок 3).

Другой путь обеспечения электромагнитной совместимости тягового тока со смежными коммуникациями заключается в установке на тяговой подстанции активного СФ.

Рисунок 3 - Классификация пассивных СФ

1.1.2 оказатели эффективности функционирования сглаживающих фильтров

Выборсхем и параметров сглаживающих фильтров определяется требованиями к ним [1]:

- по условию снижения опасного влияния тяговой сети на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями напряжение двенадцатой гармоники на выходе фильтра не должно превышать 2,3 В;

- по условию защиты воздушных линий связи от мешающих влияний по существующим требованиям среднее значение псофометрического напряжения на выходе фильтра не должно превышать 4 В, а при интегральной вероятности 0,95 - 5 В;

- по условию защиты кабельных линий связи от мешающих влияний по существующим требованиям среднее значение псофометрического напряжения на выходе фильтра не должно превышать 20 В, а при интегральной вероятности 0,95 - 30 В;

- напряжение любой гармоники на выходе СФ не должно превышать 100 В.

Это, прежде всего, относится к гармонике частотой 100 Гц, так как в случае увеличения на выходе фильтра напряжения любой другой гармоники до 100 В, будут нарушены требования по защите от мешающего влияния.

На электрифицированных участках постоянного тока сглаживающие фильтры должны обеспечивать не только защиту рельсовых цепей от опасного влияния тягового тока, но и защиту линий связи от мешающего влияния. Схема сглаживающего фильтра должна быть как можно более простой и экономичной, обеспечивая минимальные капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Основной характеристикой любого сглаживающего фильтра является частотная характеристика, которая характеризует степень подавления гармоник напряжения на выходе, по сравнению с их величиной на входе. Для одного звена сглаживающего фильтра коэффициент сглаживания можно определить по формуле 1.1:

(1.1)

где Z_пос(n) - сопротивление последовательной цепи сглаживающего фильтра для гармоники n-го порядка;

Z_пар(n) - сопротивление параллельной цепи сглаживающего фильтра для гармоники n-го порядка;

Z_наг(n) - сопротивление цепи нагрузки для гармоники n-го порядка.

Обычно последним слагаемым в выражении (1.1) пренебрегают. Тогда выражение для расчета коэффициента сглаживания однозвенного СФ примет вид:

(1.2)

Для двухзвенного СФ результирующий коэффициент сглаживания определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев.

(1.3)

или

kсгл(n) = k1сгл(n) k2сгл(n), (1.4)

где Z_{пос1( n)} , Z_{пос2( n)} - соответственно сопротивления последовательных плеч первого и второго звеньев СФ, Ом;

Z_{пар1( n)} - соответственно сопротивления параллельных плеч первого и второго звеньев СФ, Ом;

k_1сгл(n), k_2сгл(n) - соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев СФ.

Идеальным сглаживающим фильтром является такой, у которого независимо от частоты все напряжения переменной составляющей теряются в реакторе, а все резонансные и емкостные контуры имеют минимальное сопротивление. Для приближения к этой цели необходимо: сечение проводов, присоединяющих контуры к шинам, выбирать как можно большим, а длину их сокращать до минимума; во избежание активных потерь катушки выполнять медным проводом с минимальным активным сопротивлением, а конденсаторы - с наименьшими диэлектрическими потерями.

В реальных условиях эксплуатации активное сопротивление резонансных и емкостных контуров имеет конечную величину и обычно принимается равным 0,5 м. Активное сопротивление реактора зависит от величины его индуктивности и носит нелинейный характер в спектре частот [2]:

R_р(n) = 0,23 + 0,73f_(n)10^-3. (1.5)

Различают результирующий коэффициент сглаживания фильтра k_{сгл.рез} и коэффициент сглаживания гармоники n-го порядка k_{сгл (n)}.

Результирующий коэффициент сглаживания фильтра рассчитывается по формуле 1.6:

(1.6)

где U_1пс , U_2пс - соответственно псофометрическое напряжение на входе и выходе фильтра, В.

 (1.7)

где U_{1(n )} - действующее значение напряжения гармоники n-го порядка на входе фильтра, В;

p_n - коэффициент акустического воздействия гармоники n-го порядка [2, 3];

k сгл(n)- коэффициент сглаживания гармоники n-го порядка;

где U_{2(n )} - действующее значение напряжения гармоники n-го порядка на выходе фильтра, В;

Рассмотрим схемы сглаживающих фильтров, эксплуатируемых на тяговых подстанциях постоянного тока в настоящее время.

1.1.3 Однозвенные сглаживающие фильтры

Основным преимуществом применения многопульсовых преобразователей вляется повышение качества выпрямленного напряжения. Однако при любой схеме выпрямления в реальных условиях, особенно при наличии несимметричных режимов их работы, требуется дальнейшее снижение пульсации выпрямленного напряжения, что достигается установкой на тяговых подстанциях сглаживающих фильтров.

Внедрение двенадцатипульсовых выпрямителей и замена воздушных линий связи на кабельные и волоконно-оптические позволило применить более простые однозвенные апериодический и резонансно-апериодический сглаживающие фильтры и апериодический сглаживающий фильтр с запирающим контуром 600 Гц. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с двухзвенными, основным из которых являются более простая конструкция, а, следовательно, меньшие капитальные и эксплуатационные затраты.

1.1.3.1 Однозвенный апериодический СФ

Однозвенный апериодический СФ представляет собой пассивный четырехполюсник, в последовательной части которого находится реактор, а в параллельной части ёмкость.

При выборе параметров однозвенного апериодического фильтра необходимо проверять, чтобы частота резонанса напряжения не совпадала или не была близка к частоте гармоник выпрямленного напряжения (100, 200, 30 Гц). В настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока используется однозвенный апериодический СФ со следующими параметрами элементов: L_p=3; 4,5; 5; 7 мГн, С = 250 - 1000 мкФ.

Схема однозвенного апериодического СФ и его частотная характеристика приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная схема однозвенного апериодического СФ

Используя выражение 1.10 и 1.11 можно рассчитать полное сопротивление последовательной и параллельной части СФ:

Zпос(n)= R_p(n) +jщ_n L_p ; (1.10)

Zпар(n)= R_c(n) + jщ_n C1. (1.11)

Таким образом, подставляя выражение 1.10, 1.11 в формулу 1.2, получаем формулу 1.12, по которой определяется, коэффициент сглаживания однозвенного апериодического СФ для любой n-й гармоники, циклическая частота которой щ_n=2рfn:

(1.12)

где L_p, -индуктивность реактора на частоте n-й гармоники, мГн;

R_p(n) - активное сопротивление реактора на частоте n-й гармоники, Ом;

С - емкость параллельной части фильтра, мкФ;

R_c(n) - активное сопротивление параллельной части фильтра на частоте n-й гармоники, Ом.

Активное сопротивление R_c(n) параллельной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов. Для апериодических СФ принимаем R_c(n) независящим от частоты и равным 0,1 - 0,2 Ом. Активное сопротивление R_р(n) последовательной части принимаем также независящим от частоты и равным. 0,035 Ом.

На рисунке 5 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для однозвенного апериодического СФ.

Возможность применения СФ при различных линиях связи определяется величиной псофометрического напряжения на его выходе.

Расчетпсофометрического напряжения для апериодического СФ, производим для двенадцатипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений б_U=2%, б_U = 10 %, диапазоне изменения ёмкости конденсаторов в параллельной части от 150 до 950 мкФ и индуктивностях реактора 3 мГн и 5 мГн. Результаты расчёта псофометрического напряжения приведены на рисунке 6.

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для однозвенного апериодического СФ



в г

Рисунок 6 - Псофометрическое напряжение на выходе апериодического СФ: а - шестипульсовый (б_U = 2 %); б - шестипульсовый (б_U = 10 %); в - двенадцатипульсовый (б_U = 2 %); г - двенадцатипульсовый (б_U = 10 %);

Для исследования эффективности функционирования сглаживающих фильтров было проведено моделирование шестипульсового и двенадцатипульсового выпрямителей и схем сглаживающих фильтров эксплуатируемых в настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока при помощи пакета прикладных программ Matlab: пакет Simulink, пакет разработки электротехнических и энергетических систем SimPowerSystems.

Полученные графики изменения напряжений на входе и на выходе апериодического СФ от времени при токе нагрузки I_d=1000 A для шести и двенадцатипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии б_u =0 % соответственно приведены на рисунках 6,7.



Рисунок 6 - Графики изменения напряжений на входе и на выходе апериодического СФ от времени для шестипульсового выпрямителя при I_d=1000 A и б_u =0 %

Рисунок 7 - Графики изменения напряжений на входе и на выходе апериодического СФ от времени для двенадцатипульсового выпрямителя при I_d=1000 A и б_u =0 %

1.1.3.2 Однозвенный СФ с резонансно-апериодическим контуром

При эксплуатации многопульсовых выпрямителей и однозвенных апериодических СФ при определенных условиях возникают резонансные явления в тяговой сети на частоте 100 Гц. Для исключения этого явления схема однозвенного апериодического СФ может быть дополнена резонансным контуром, настроенным на частоту 100 Гц.

Однозвенный резонансно-апериодический СФ представляет собой пассивный четырехполюсник, в последовательной части которого находится реактор, а в параллельной части ёмкость и резонансный контур, настроенный на частоту 100 Гц.

На вновь строящихся нестыковых тяговых подстанциях с двенадцатипульсовыми выпрямителями и кодовой системой автоблокировки рекомендуется применять однозвенные резонансно-апериодические СФ с параметрами: L_р = 5 мГн, C = 400 мкФ. В условиях эксплуатации допускается

снижение емкости С до 250 мкФ. При уменьшении индуктивности реакторов на нестыковых подстанциях до 3 мГн емкость С должна быть не менее 400 мкФ. На стыковых подстанциях рекомендуются следующие параметры фильтра: L_р = 5 мГн и С = 800 мкФ.

Принципиальная схема однозвенного СФ с резонансно-апериодическим контуром представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Принципиальная схема однозвенного СФ с резонансно-апериодическим контуром

Используя выражение 1.13 и 1.14 можно рассчитать полное сопротивление последовательной и параллельной части СФ:

(1.13)

(1.14)

Таким образом, подставляя выражение 1.13, 1.14 в формулу 1.2, получаем формулу 1.15, по которой определяется, коэффициент сглаживания СФ с зонансно-апериодическим контуром для любой n-й гармоники, циклическая частота которой щ_n=2рfn:

(1.15)

где L - индуктивность параллельной части СФ, мГн;

L_p, -индуктивность реактора на частоте n-й гармоники, мГн;

С₁ - емкость в параллельной части СФ, мкФ;

R_с(n) - активное сопротивление параллельной части СФ, Ом;

С - емкость параллельной части СФ, мкФ;

R_p(n)- активное сопротивление последовательной части СФ, Ом.

Активное сопротивление R_р(n) последовательной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов. Для однозвенного СФ с одним резонансным контуром принимаем R_р(n) независящим от частоты и равным 0,035 Ом. R_c(n) принимаем также независящим от частоты и равным 0,1 Ом.

На рисунке 9 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для резонансно-апериодического СФ.

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для резонансно-апериодического СФ

Расчет псофометрического напряжения для резонансно-апериодического СФ, производим для двенадцатипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений a_U = 2 %, a_U = 10 %, диапазоне изменения ёмкости конденсаторов в параллельной части от 100 до 1000 мкФ и индуктивностях реактора 3 мГн и 5 мГн. Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ от ёмкости в параллельной части для однозвенного резонансно-апериодического СФ представлена на рисунке 10.



а б

в г

Рисунок 10- Псофометрическое напряжение на выходе резонансно-апериодического СФ: а- шестипульсовый (б_U = 2 %); б - шестипульсовый (б_U = 10 %); в - двенадцатипульсовый (б_U = 2 %); г - двенадцатипульсовый (б_U = 10 %)

Полученные графики изменения напряжений на входе и на выходе резонансно-апериодического СФ от времени при токе нагрузки I_d=1000 A для шести и двенадцатипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии б_u =0% соответственно приведены на рисунках 11, 12.



Рисунок 11 - График изменения напряжений на входе и на выходе резонансно-апериодического СФ от времени для шестипульсового выпрямителя при I_d=1000 A и б_u =0 %

Рисунок 12 - График изменения напряжений на входе и на выходе резонансно-апериодического СФ от времени для двенадцатипульсового выпрямителя при I_d=1000 A и б_u =0 %

1.1.3.3 Однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц

Особенностью схемного решения апериодического сглаживающего фильтра с запирающим контуром 600 Гц является большой коэффициент сглаживания на частоте наиболее опасной двенадцатой гармоники. Предлагаемое схемное решение позволяет, с одной стороны, снизить вероятность ложной сигнализации путевых приемников автоблокировки с тональными рельсовыми цепями, обеспечивая снижение двенадцатой гармоники ниже требуемого уровня 2,3 В, и мешающее влияние, а с другой, позволяет существенно снизить емкость в параллельной части по сравнению с апериодическим фильтром.

Однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц представляет собой пассивный четырехполюсник, в последовательной части которого расположен реактор, с параллельно соединённой ёмкостью, этот контур настраивается на частоту 600 Гц, а в параллельной части расположена ёмкость.

На тяговых подстанциях постоянного тока используется однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц со следующими параметрами элементов: L_p=3; 4,5; 5; 7 мГн, С = 250 - 1000 мкФ, С_пр=24(25); 16(15); 10 мкФ. Принципиальная схема однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц представлена на рисунке 13.

Используя выражение 1.16 и 1.17 можно рассчитать полное сопротивление последовательной и параллельной части СФ:

(1.16)



Рисунок 13 - Принципиальная схема однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц

(1.17)

Таким образом, подставляя выражение 1.16, 1.17 в формулу 1.2, получаем формулу 1.18, по которой определяется, коэффициент сглаживания однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц для любой n-й гармоники, циклическая частота которой щ_n=2рfn:

(1.18)

где С_пр - емкость запирающего контура СФ, мкФ;

R_р(n) - активное сопротивление запирающего контура СФ, Ом;

R_с(n) - активное сопротивление параллельной части СФ, Ом;

С - емкость параллельной части СФ, мкФ.

Активное сопротивление запирающего контура СФ R_р(n), так же как и активное сопротивление R_с(n) параллельной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов и принимается равным соответственно 0,035 Ом и 0,1 Ом. На рисунке 14 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц.

Рисунок 14 - Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц

Расчет псофометрического напряжения для однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц , производим для двенадцатипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений б_U = 2 %, б_U = 10 % , диапазоне изменения ёмкости конденсаторов в параллельной части от 150 до 950 мкФ и индуктивностях реактора равных 3 мГн, 5 мГн, 7 мГн.

Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ от ёмкости в параллельной части для однозвенного СФ с запирающим контуром на 600 Гц представлена на рисунке 15:

а б

в г

Рисунок 15 - Псофометрическое напряжение на выходе апериодического СФ с запирающим контуром 600 Гц: а - шестипульсовый (б_U = 2 %); б - шестипульсовый (б_U = 10 %); в - двенадцатипульсовый (б_U = 2 %); г - двенадцатипульсовый (б_U = 10 %)

Полученные графики изменения напряжений на входе и на выходе однозвенного СФ с запирающим контуром 600 Гц от времени при токе нагрузки I_d=1000A для шести и двенадцатипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии б_u =0 % соответственно приведены на рисунках 16, 17.

При воздушных линиях связи применение апериодического, резонансно-апериодического СФ при m = 6 невозможно, так как даже при самых больших значениях L_p и С, псофометрическое напряжения выше допустимого.

При воздушных линиях связи при m = 6 применим однозвенный СФ с запирающим контуром при L_p = 6,5 мГн. Применение такого СФ имеет смысл на станциях стыкования, где присутствует несимметрия питающих напряжений более чем 2%.

Рисунок 16 - График изменения напряжений на входе и на выходе однозвенного СФ с запирающим контуром 600 Гц от времени для шестипульсового выпрямителя при I_d=1000 A и б_u =0 %

Рисунок 17 - График изменения напряжений на входе и на выходе однозвенного СФ с запирающим контуром 600 Гц от времени для двенадцатипульсового выпрямителя при I_d=1000 A и б_u =0 %

1.1.4 Двухзвенные сглаживающие фильтры

Существенное ограничение влияния тяговой сети на смежные электротехнические устройства может быть достигнуто как увеличением числа пульсаций выпрямленного напряжение, так и путём применения двухзвенных сглаживающих фильтров. Двухзвенные сглаживающие фильтры являются наиболее эффективными. Однако из экономических соображений, связанных с значительными капитальными затратами и эксплуатационными расходами, их применение не всегда является оправданным, так как снижение напряжения шума на выходе фильтра ниже 3 В практически не изменяет напряжения шума в воздушных линиях связи из-за наличия в реальных эксплуатационных условиях других влияющих источников.

1.1.4.1 Двухзвенный резонансно-апериодического СФ ЗСЖД

Схема сглаживающего фильтра Западно-Сибирской железной дороги представляет собой двухзвенный резонансно-апериодический фильтр (рисунок 18). Он состоит из двух звеньев: резонансного и апериодического. Первое звено включает в себя реактор индуктивностью L_p1 и три резонансных контура: С₁ - L₁, С₂ - L₂, С₃ - L₃, настроенные соответственно на гармоники с частотами 100, 200 и 300 Гц. Второе звено состоит из реактора индуктивностью L_p2 и емкости С. В настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока используется двухзвенный резонансно-апериодического СФ ЗСЖД со следующими параметрами элементов: С₁=144 мкФ, С₂=108 мкФ, С₃=96 мкФ, L₁=17,59 мГн, L₂=5,86 мГн, L₃=2,93 мГн, L_p1=4,5; 5; 11 мГн, L_p2=3; 4,5 мГн, С=276 мкФ.

Сглаживающий фильтр Западно-Сибирской железной дороги обеспечивает хорошую защиту автоблокировки, выполненной на частоте 50 Гц, от опасных влияний и воздушных линий связи от мешающих влияний.



Рисунок 18 - Принципиальная схема двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД

Используя выражение 1.19 - 1.25 можно рассчитать полное сопротивление последовательной и параллельной части СФ:

(1.19)

(1.20)

(1.21)

(1.22)

(1.23)

(1.24)

(1.25)

Таким образом, подставляя выражение 1.22, 1.23, 1.24, 1.25 в формулу 1.3, получаем формулу 1.26, по которой определяется, коэффициент сглаживания двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД для любой n-й гармоники, циклическая частота которой щ_n=2рfn:

(1.26)

где С₁ - емкость параллельной части первого контура, первого звена СФ, мкФ;

С₂ - емкость параллельной части первого контура, второго звена СФ, мкФ;

С₃ - емкость параллельной части первого контура, третьего звена СФ, мкФ;

L₁ - индуктивность параллельной части первого контура, первого звена СФ, мГн;

L₂ - индуктивность параллельной части первого контура, второго звена СФ, мГн;

L₃ - индуктивность параллельной части первого контура, третьего звена СФ, мГн;

L_р1 - индуктивность реактора первого контура СФ, мГн;

L_р2 - индуктивность реактора второго контура СФ, мГн;

R_р(n) - активное сопротивление последовательной части СФ, Ом;

R_с(n) - активное сопротивление параллельной части СФ, Ом;

С - емкость параллельной части второго контура СФ, мкФ.

Активное сопротивление запирающего контура СФ R_р(n), так же как и активное сопротивление R_с(n) параллельной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов и принимается равным соответственно 0,035 Ом и 0,1 Ом. На рисунке 19 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД.



Рисунок 18 - Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД: вариант 1: С₁=144 мкФ, С₂=108 мкФ, С₃=96 мкФ, L₁=17,59 мГн, L₂=5,86 мГн, L₃=2,93 мГн, L_p1=5 мГн, L_p2=5 мГн, С=314 мкФ; вариант 2: С₁=144 мкФ, С₂=108 мкФ, С₃=96 мкФ, L₁=17,59 мГн, L₂=5,86 мГн, L₃=2,93 мГн, L_p1=5 мГн, L_p2=3 мГн, С=156 мкФ

Расчет псофометрического напряжения для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД, производим для шестипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений б_U = 2%, б_U = 10%, диапазоне изменения ёмкости конденсаторов в параллельной части от 100 до 700 мкФ. Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ от ёмкости в параллельной части для для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД при коэффициентах несимметрии питающих напряжений б_U = 2 %, б_U = 10 % представлена соответственно на рис. 19, 20:

Полученный график зависимости напряжений на входе и на выходе двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД от времени при токе нагрузки I_d=1000 A для шестипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии б_u =0 % приведён на рисунке 21.



Рисунок 19 - Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ ЗСЖД от ёмкости в параллельной части (m=6, б_u=0,02)

Рисунок 20 - Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ ЗСЖД от ёмкости в параллельной части (m=6, б_u=0,1)



Рисунок 21 - Зависимость напряжений на входе и на выходе двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД при I_d=1000 A и б_u =0 %.

1.1.4.2 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ ВНИИЖТа

Схема сглаживающего фильтра ВНИИЖТа (рисунок 22) представляет собой двухзвенный фильтр, первое звено которого состоит из реактора индуктивностью L_р1 и шести резонансных контуров - С₁ - L₁, С₂ - L₂, С₃ - L₃, С₄ - L₄, С₅ - L₅, С₆ - L₆, настроенных соответственно на частоты 100, 200, 300, 400, 500 и 600 Гц.

Второе звено содержит емкость С и реактор индуктивностью L_р2, параллельно которому включены емкость С_ш и индуктивность L_ш. Последние образуют контур, настроенный на частоту 300 Гц, что позволяет дополнительно подавить эту, наибольшую по значению, гармонику на выходе шестипульсового выпрямителя.

В настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока используется двухзвенный резонансно-апериодического СФ ЗСЖД со следующими параметрами элементов: С₁=144 мкФ, С₂=108 мкФ, С₃=96 мкФ, С₄=60 мкФ, С₅=48 мкФ, С₆=36 мкФ, L₁=17,59 мГн, L₂=5,86 мГн, L₃=2,93 мГн, L₄=2,64 мГн, L₅=2,11 мГн, L₆=1,95 мГн, L_p1=4,5; 5; 11 мГн, L_p2=5 мГн, С=204 мкФ, L_пр=18,4 мГн, С_пр=12 мкФ. Частотная характеристика СФ ВНИИЖТа представлена на рисунке 22.

Рисунок 22 - Принципиальная схема двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа

Используя выражениЯ 1.27 - 1.36 можно рассчитать полное сопротивление последовательной и параллельной части СФ:

(1.27)

(1.28)

(1.29)

(1.30)

(1.31)

(1.32)

(1.33)

(1.34)

(1.35)

(1.36)

где С₁ - емкость параллельной части первого контура, первого звена СФ, мкФ;

С₂ - емкость параллельной части первого контура, второго звена СФ, мкФ;

С₃ - емкость параллельной части первого контура, третьего звена СФ, мкФ;

С₄ - емкость параллельной части первого контура, четвёртого звена СФ, мкФ;

С₅ - емкость параллельной части первого контура, пятого звена СФ, мкФ;

С₆ - емкость параллельной части первого контура, шестого звена СФ, мкФ;

С_пр - емкость последовательной части второго контура СФ, мкФ;

L₁ - индуктивность параллельной части первого контура, первого звена СФ, мГн;

L₂ - индуктивность параллельной части первого контура, второго звена СФ, мГн;

L₃ - индуктивность параллельной части первого контура, третьего звена СФ, мГн;

L₄ - индуктивность параллельной части первого контура, четвёртого звена СФ, мГн;

L₅ - индуктивность параллельной части первого контура, пятого звена СФ, мГн;

L₆ - индуктивность параллельной части первого контура, шестого звена СФ, мГн;

L_пр - индуктивность последовательной части второго контура СФ, мГн;

L_р1 - индуктивность реактора первого контура СФ, мГн;

L_р2 - индуктивность реактора второго контура СФ, мГн;

R_р(n) - активное сопротивление последовательной части СФ, Ом;

R_с(n) - активное сопротивление параллельной части СФ, Ом;

С - емкость параллельной части второго контура СФ, мкФ.

Таким образом, подставляя выражение 1.33, 1.34, 1.35, 1.36 в формулу 1.3, получаем формулу 1.37, по которой определяется, коэффициент сглаживания двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа для любой n-й гармоники, циклическая частота которой щ_n=2рfn:

(1.37)

где Z₁ - полное сопротивление первого звена первого параллельного контура, Ом;

Z₂ - полное сопротивление второго звена первого параллельного контура, Ом;

Z₃ - полное сопротивление третьего звена первого параллельного контура, Ом;

Z₄ - полное сопротивление четвёртого звена первого параллельного контура, Ом;

Z₅ - полное сопротивление пятого звена первого параллельного контура, Ом;

Z₆ - полное сопротивление шестого звена первого параллельного контура, Ом.

Активное сопротивление запирающего контура СФ R_р(n), так же как и активное сопротивление R_с(n) параллельной части в основном определяется сопротивлением соединительных проводов и переходным сопротивлением контактов и принимается равным соответственно 0,035 Ом и 0,1 Ом. На рисунке 23 приведена зависимость коэффициента сглаживания от частоты для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ЗСЖД.

Рисунок 23 - Зависимость коэффициента сглаживания от частоты для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа: вариант 1: С₁=144 мкФ, С₂=108 мкФ, С₃=96 мкФ, С₄=60 мкФ, С₅=48 мкФ, С₆=36 мкФ, L₁=17,59 мГн, L₂=5,86 мГн, L₃=2,93 мГн, L₄=2,64 мГн, L₅=2,11 мГн, L₆=1,95 мГн, L_p1=5 мГн, L_p2=5 мГн, С=276 мкФ, L_пр=18,4 мГн, С_пр=12 мкФ; вариант 2: С₁=144 мкФ, С₂=108 мкФ, С₃=96 мкФ, С₄=60 мкФ, С₅=48 мкФ, С₆=36 мкФ, L₁=17,59 мГн, L₂=5,86 мГн, L₃=2,93 мГн, L₄=2,64 мГн, L₅=2,11 мГн, L₆=1,95 мГн, L_p1=5 мГн, L_p2=5 мГн, С=169 мкФ, L_пр=18,4 мГн, С_пр=12 мкФ

Расчет псофометрического напряжения для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа, производим для шестипульсового выпрямителя при коэффициентах несимметрии питающих напряжений б_U = 2 %, б_U = 10 % , диапазоне изменения ёмкости конденсаторов в параллельной части от 100 до 700 мкФ. Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ от ёмкости в параллельной части для для двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа при коэффициентах несимметрии питающих напряжений б_U = 2 %, б_U = 10 % соответственно представлена на рисунках 24, 25.

Рисунок 24 - Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ ВНИИЖТа от ёмкости в параллельной части (m=6, б_u=0,02)

Полученные графики изменения напряжений на входе и на выходе двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа от времени при токе нагрузки I_d=1000 A для шестипульсовых выпрямителей при коэффициенте нессиметрии б_u =0 % приведена на рисунке 26.

Рисунок 25 - Зависимость псофометрического напряжения на выходе СФ ВНИИЖТа от ёмкости в параллельной части (m=6, б_u=0,1)

Рисунок 26 - Зависимость напряжений на входе и на выходе двухзвенного резонансно-апериодического СФ ВНИИЖТа при I_d=1000 A и б_u =0 %

Этот фильтр является самым эффективным из применяемых на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока. Однако из экономических соображений использование его в настоящее время не является оправданным, так как снижение псофометрического напряжения на выходе фильтра ниже 3 - 5 В практически не изменяет напряжения шума в воздушных линиях связи из-за наличия в реальных эксплуатационных условиях других влияющих источников: линий электропередач напряжением 110 и 220 кВ, линий продольного электроснабжения напряжением 10 кВ и других.

Двухзвенные резонансно-апериодические сглаживающие фильтры обеспечивают высокие численные значения коэффициента сглаживания гармоник. На тяговых подстанциях постоянного тока при шестипульсовой схеме выпрямления, псофометрическое напряжение не превышает допустимое значение, даже при минимальных значениях L_p1 , L_p2 и С. Однако затраты на их создание, эксплуатационные расходы, а также потери электрической энергии при применении двухзвенных СФ возрастают, также они имеют большие массогаборитные размеры.

1.2 Способы повышения эффективности функционирования сглаживающих фильтров

1.2.1 Применение пассивных фильтров с пониженной индуктивностью реактора

В реальных условиях вводимые в цепь к.з. встречные напряжения являются либо только функциями времени, либо ещё и функциями тока. Рассмотрим этап процесса отключения (рисунок 27) для случая, когда вводимое напряжение E₁(t) описывается выражением 1.38:

E₁ (t)=k _et , (1.38)

где k_e - коэффициент, характеризующий скорость нарастания встречного напряжения, В/с.

Рисунок 27 - Модель работы быстродействующего выключателя при к.з. в тяговой сети

Напряжение источника U можно написать по формуле Карсона 1.39 в виде:

(1.39)

где i(p) - ток, протекающий через контакты выключателя, А;

R - суммарное активное сопротивление отключаемой цепи, Ом;

L - суммарная индуктивность отключаемой цепи, мГн;

I₂ - максимальное значение тока к.з. в момент отключения быстродействующим выключателем, А.

Откуда i(p) в цепи LR изменяется по экспоненте с постоянной времени

T=L/R

(1.40)

где - a -коэффициент, характеризующий колебательный процесс в короткозамкнутом контуре (a=1/T=R/L), Ом/мГн.

Оригиналом выражения будет выражение 1.41:

(1.41)

Для отключения цепей постоянного тока широко используют контактные дуговые выключатели, в которых приведение тока к нулю перед отключением цепи осуществляется с помощью дуги. Во всех выключателях этого типа дуга используется одновременно и как источник встречного напряжения, и как коммутирующий элемент, осуществляющий размыкание цепи сразу же после приведения тока к нулю.

Дугогасительная камера с длинной дугой, может иметь несколько принципиально различных исполнений. Однако во всех случаях в камере теми или иными способами в момент отключения выключателя образуется длинная дуга. В момент расхождения контактов дуга возникает между ними, затем она перемещается вверх по направляющим электродам - рогам под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости чертежа. Магнитное поле создается катушкой магнитного дутья и системой специальных магнитопроводов.

Перемещаясь вверх, дуга растягивается, на ней образуется встречное напряжение u_д(t), большее, чем напряжение источника U. Под действием u_д(t) ток в цепи сводится к нулю. У нуля тока дуга гаснет, после чего канал дуги деионизируется, и происходит окончательное размыкание (отключение) пени.

Форма и значение напряжения на дуге u_д(t) у дуговых выключателей зависят от конструкции камеры (ширины ее щелей, напряженности магнитного поля в различных зонах камеры) и отключаемого тока. Например, для лабиринтно-щелевой камеры зависимость u_д(t) близка к линейной, и определяется по формуле 1.42, В:

u_Д (t)=k_Д t , (1.42)

где k_Д - коэффициент, характеризующий скорость роста напряжения на дуге; t - время, мс.

На рисунке 28 приведён график зависимости, характеризующий скорость изменения напряжения на дуге от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн без использования УР.

Рисунок 28 - График зависимости, характеризующий скорость изменения напряжения на дуге от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн без использования УР

На рисунке: t'₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн.

Уравнение для этапа отключения тока к.з. выключателем определяется по формуле 1.43:

 (1.43)

где U - напряжение по току отключаемого контура, В;

R - активное сопротивление цепи, Ом;

L - индуктивность цепи, мГн;

a - коэффициент, характеризующий колебательный процесс в короткозамкнутом контуре (a=1/T=R/L), Ом/мГн;

t - время от начала расхождения контактов выключателя до полного гащения дуги, мс;

I₂ - значение тока в момент начала размыкания контактов(t₂), А.

Процесс отключения цепи при к.з. выключателем состоит из двух этапов.

До размыкания контактов, момент времени t₁+t_c, и после размыкания контактов выключателя, момент времени t₂.

На рисунке 29 приведена график, характеризующий зависимость изменения тока к.з. от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн без использования УР.

На рисунке: t'₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн

Отключающую способность выключателя существенно повышает использование так называемого индуктивного шунта, включаемого параллельно цепи главного тока выключателя. В установившемся режиме нагрузки и при плавном нарастании тока большая часть его идет по ветви шунта, и выключатель имеет уставку I_у. В случае же быстрого нарастания тока большая часть его протекает через цепь главного тока выключателя, чем и достигается эффект «снижения» уставки.



Рисунок 29 - График, характеризующий зависимость изменения тока к.з. от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн без использования УР:

Ясно, что это приводит к соответствующему уменьшению I₂, а значит, к повышению отключающей способности камеры, следовательно, идеальным по условиям работы как системы электроснабжения, так и подвижного состава был бы фидерный выключатель, способный после достижения током уставки погасить ток за минимальное время, не создавая перенапряжений; отключающая способность выключателя при этом должна удовлетворять любым условиям эксплуатации. Некоторое приближение к этому реализуется, если выключатель дополнить диодным разрядным устройством (УР). УР представляет собой последовательно соединенные мощный силовой диод Д и разрядный резистор R. Нормально диод закрыт, так как по отношению к напряжению в тяговой сети он включен в непроводящем направлении.

Однако при переходном процессе отключения тока к.з. или большого тока нагрузки, когда ток, достигнув максимума, начинает спадать, диод открывается и шунтирует тяговую сеть. Цепь тока через выключатель становится практически безиндуктивной и поэтому выключатель быстро обрывает ток. Так выключатель Q в момент t₁ размыкает контакты, в момент t₂ ограничивает ток и начинает уменьшать его, в момент t₃ включается УР.

Легко показать, что в случае применения УР увеличивается отключающая способность выключателя. Действительно, если выключатель без УР отключает некоторую цепь с установившимся током, соответствующим его отключающей способности, это означает, что полностью используется возможности выключателя, т.е. включение происходит, когда движущаяся дуга находится в самой последней, верхней, части камеры. При отключении той же цепи выключателем с УР сведение тока к нулю произойдёт гораздо раньше, когда дуга будет находится ещё в средней части камеры, так как, начиная с момента t₃ она гаснет гораздо быстрее. Следовательно, выключатель с УР, отключая рассматриваемую цепь, использует свою отключающую способность лишь частично и способен отключить гораздо больший ток, а именно такой, при котором в момент сведения тока к нулю дуга будет также находиться в самой последней, верхней, части камеры. Это и означает, что применение УР повышает отключающую способность выключателя.

На рисунке 30 приведён график зависимости, характеризующий скорость изменения напряжения на дуге от времени при L_р=2.5, 5, 8 мГн с использованием УР.

На рисунке: t'₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн; t'₃ - время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 3мГн; t''₃ - время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₃ - время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн.



Рисунок 30 - График зависимости, характеризующий скорость изменения напряжения на дуге от времени при L_р=2.5, 5, 8 мГн с использованием УР:

На рисунке 31 приведён график, характеризующий зависимость изменения тока к.з. от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн с использованием УР.

Рисунок 31-График, характеризующий зависимость изменения тока к.з. от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн с использованием УР:

На рисунке: t'₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ - время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн; t'₃ - время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 3мГн; t''₃ - время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₃ - время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн

При отключении выключателя в его дуге выделяется значительная энергия.

Частично она поглощается потоком нагретого дугой воздуха, частично - стенками дугогасительной камеры. От того, в какой мере дугогасительная камера может рассеять энергию дуги, зависит отключающая способность выключателя. Чем до меньшей температуры при прочих равных условиях нагреваются стенки дугогасительной камеры, тем меньше температура выхлопа из камеры и тем больше ее отключающая способность.

Количество энергии, выделяемой в дуге выключателя при его отключении, зависит от отключаемого тока и других параметров. Для определения энергии напишем уравнение 1.44 для напряжений по контуру отключаемого тока:

...