Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока

(1.44)

Тогда напряжение на дуге определяется по формуле 1.45:

Умножив левую и правую части этого уравнения на idt и проинтегрируя в пределах от t₂ до t₄, получаем выражение 1.46:

 (1.46)

Второй интеграл правой части этого уравнения является только функцией тока, поэтому пределы интегрирования по времени заменены в нем на соответствующие пределы по току.

Количество энергии А_д, выделяемое в дуге при отключении выключателем тока к.з. можно определить по формуле 1.47, Дж:

А_д =А_и +А_L -A_R , (1.47)

где А_и - количество энергии, приносимое в процессе отключения источником, Дж;

A_L - количество энергии, запасенное в индуктивностях цепи к моменту размыкания контактов выключателя, Дж;

A_R - количество энергии, рассеиваемую в активных сопротивлениях цепи, помимо выключателя, Дж.

Из полученного соотношения можно сделать следующий вывод: количество энергии, выделенное в дуге при отключении тока, равно сумме энергий, приносимой источником и запасенной к моменту отключения в индуктивностях цепи, за вычетом энергии, рассеянной в активном сопротивлении цепи.

В реальных тяговых сетях определяющей в выражении будет составляющая A_L.

При помощи ЭВМ в программе Mathcad Professional 2001 было рассчитано количество энергии А_д, выделяемое в дуге при отключении аварийного тока в цепи выключателем ВАБ-49-4000/30-К-УХЛ4 при L_р=2.5, 5, 8 мГн. Результаты расчета, а также паспортные данные выключателя приведены в таблице 1:

Таблица 1 - Результаты расчета ресурса быстродействующего выключателя ВАБ-49-4000/30-К-УХЛ4

Индуктивность реактора Lр, мГн	2.5	5	8
Напряжение на контактах выключателя при отключении аварийного тока в цепи (паспортные данные) udmax, кВ	8,5	8,5	8,5
Напряжение на контактах выключателя при отключении аварийного тока в цепи (расчётное) ud, кВ	с использованием УР	4,6	4,662	4,670
	без использования УР	6,826	7,873	8,71
Энергия, выделяемая в дуге Ад, Дж	с использованием УР	4,059 *105	3,346 *105	3,298 *105
	без использования УР	5,72 *105	5,509 *105	5,487 *105
Срок службы выключателя, год	с использованием УР	16,3	19,7	20
	без использования УР	11,6	12,05	12,1

Из вышеприведённых расчётов можно сделать следующие выводы:

1 Использование одиночного выключателя при индуктивности реактора L_p=8 мГн и более нельзя, потому, что напряжение на контактах выключателя при отключении аварийного тока в цепи, расчётное значение u_d=8,71 кВ превышает предельно допустимое по паспортным данным u_dmax в таблице 1. Поэтому для нормальной работы выключателя при большой индуктивности реактора необходимо использование два последовательно соеденённых выключателя

2 При малой индуктивности реактора L_p=2,5 и 5 мГн возможно использование одиночного выключателя на фидерах ТП, т.к. напряжение дуги u_d меньше, чем предельно допустимое напряжение по паспортным данным выключателя, но при этом возрастает энергия выделяемая в дуге при к.з. выключателя и соответственно снижается ресурс выключателя. С использованием УР ресурс выключателя снизится до 16,3 лет при L_p=2,5 мГн; без использования УР ресурс выключателя снизится до 11,6 лет при L_p=2,5 мГн.

1.2.2 Оптимальный выбор типа и числа конденсаторов в параллельной части апериодических фильтров

Конденсаторы -- второй составной элемент сглаживающего устройства тяговой подстанции.

В качестве ёмкости в апериодическом контуре сглаживающих фильтров применяются конденсаторные батареи, состоящие из несколько последовательно соединённых конденсаторов. Ёмкость конденсаторной батареи C _рез определяется по формуле 1.48, мкФ:

^C рез ^=Ск * ^Nмин.доп ^, (1.48)

где С_к - ёмкость одного конденсатора, мкФ;

N_{мин.доп}- минимально допустимое количество конденсаторов в конденсаторной батареи, шт.

Конденсаторы должны иметь длительно работать при номинальном выпрямленном напряжении 3300 В в условиях резонансного контура, где на постоянное напряжение накладывается переменное напряжение и протекает переменный ток различных звуковых частот. Желательно, чтобы конденсаторы были заполнены негорючей вязкой жидкостью, безопасной в пожарном отношении.

Для апериодических контуров применяют конденсаторы ФСТ 4-13 (заполненные синтетической негорючей жидкостью, номинальное напряжение 4,0 кВ, номинальная ёмкость 13 мкФ ±20%), конденсаторы ФЭТ-4-16У2 (заполненные экологически безопасной жидкостью, для применения на тяговых подстанциях, номинальное напряжение 4,0 кВ, номинальная ёмкость 16 мкФ ±20%)и конденсаторы ФЭК-5-25У2(заполненные экологически безопасной жидкостью, с комбинированным диэлектриком, номинальное напряжение 5,0 кВ, номинальная ёмкость 25 мкФ ±20%).

Конденсаторы работают при одновременном наложении напряжения переменного тока частотой от 100 до 1200 Гц с максимально допустимым отклонением значения частоты не более ±2,5%. При этом значения напряжения переменного тока не должно превышать указанных в таблице 2.

Таблица 2 - Отношение значения переменного тока к значению ёмкости конденсатора

Частота, Гц, не более	100	200	300	400	500	600	900	1200
Отношение значения переменного тока к значению ёмкости конденсатораIк.доп, А/мкФ, не более	0,58	0,82	1,0	1,15	1,28	1,42	1,73	2,0

Конденсаторы рассчитываются на длительное протекание переменного тока определенной величины частотой от 300 до 1200 Гц. Ток n-ой гармоники I_(n), А, протекающий через апериодическую часть СФ определяется по формуле 1.49:

(1.49)

где n - номер гармоники; j - мнимая еденица;

f_c - частота питающей сети (f_c =50 Гц), Гц;

L_p - индуктивность реактора, мГн;

U(n) - напряжение n-ой гармоники, В.

Ток n-ой гармоники I_к(n), А, протекающий через один конденсатор определяется по формуле 1.50:

(1.50)

На рисунках 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 соответственно приведены графики зависимостей отношений значений тока для n-ой гармоники, к числу конденсаторов в апериодической части СФ при коэффициентах несимметрии питающего напряжения a_u=0%, a_u=2%, a_u=6%, a_u=10%, углом сдвига между составляющими прямой и обратной последовательностей ш = 0 ⁰, схеме выпрямления питающего напряжения m=6 и m=12 конденсатора типа ФЭТ-4-16У2.

Рисунок 32- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=0%, ш = 0 ⁰, m=6

Из вышеприведённых графиков можно сделать вывод о величине ёмкости и количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u. Аналогичным образом можно рассчитать необходимое количество конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 при индуктивности реактора L_p=3 мГн, L_p=5 мГн.

В таблице 3 приведены данные о минимальном количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u для конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 и ФЭТ-4-16У2.

Рисунок 33- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=2%, ш = 0 ⁰, m=6

Рисунок 34- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=6%, ш = 0 ⁰, m=6



Рисунок 35- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=10%, ш = 0 ⁰, m=6

Рисунок 36- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=0%, ш =0 ⁰, m=12



Рисунок 37- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=2%, ш =0 ⁰, m=12

Рисунок 38- Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=6%, ш =0 ⁰, m=12



Рисунок 39 - Влияние количества конденсаторов в параллельной части СФ на действующее значение тока, протекающего через один конденсатор при a_u=10%, ш =0 ⁰, m=12

Таблица 3 - Данные о минимальном количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u для конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 и ФЭТ-4-16У2

выпрямитель	Коэффициент несимметрии au, %	количество конденсаторов Nмин.доп при ёмкости конденсаторов, мкФ
		13	16	25
		индуктивность реактор Lp, мГн
		3	5	3	5	3	5
m=6	au=0	13	8	10	6	6	5
	au=2	68	42	56	35	38	23
	au=6	76	45	63	38	40	25
	au=10	82	48	67	40	43	26
m=12	au=0	5	3	3	3	2	2
	au=2	68	42	55	33	36	22
	au=6	76	46	62	37	39	24
	au=10	82	48	66	40	42	25

Исходя из вышеприведённых расчётов можно построить графики зависимости минимального количества конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ от коэффициентов несимметрии питающего напряжения, a_u при шестипульсовой и двенадцатипульсовой схеме выпрямления (m=6, m=12) для конденсаторов типа ФЭК-5-25У2, ФСТ 4-13 и ФЭТ-4-16У2 (рисунок 40,41).

Рисунок 40 - Зависимость минимального количества конденсаторов в параллельной части апериодического СФ от коэффициентов несимметрии питающего напряжения, a_u при шестипульсовой схеме выпрямления

Как видно из полученных результатов, при увеличении степени нессиметрии минимально допустимое количество конденсаторов в параллельной части СФ увеличивается и достигает количества равного 82 при С_к=13 мкФ, это соответствует ёмкости параллельной части апериодического СФ равной 1066 мкФ. Соответственно при такой большой ёмкости в параллельной части можно использовать индуктивность реактора L_p=3 мГн и менее и получать при этом эффективный фильтр, который может подавлять все гармоники, которые могут вызывать мешающее и опасное влияния на смежные электротехнические коммуникации.

Рисунок 41 - Зависимость минимального количества конденсаторов в параллельной части апериодического СФ от коэффициентов несимметрии питающего напряжения, a_u при двенадцатипульсовой схеме выпрямления

Таким образом, в качестве основного мероприятия по увеличению эффективности пассивного СФ может являться использование повышенной ёмкости в параллельной части, но при этом использование пониженной индуктивности в последовательной части СФ. Пониженная индуктивность реактора приводит к уменьшению расхода электроэнергии, и незначительному влиянию на снижение ресурса выключателя, но при этом эффективность пассивного СФ будет обеспечена за счёт использование повышенной ёмкости в параллельной части.

Применение апериодического фильтра при коэффициенте нессиметрии a_u равного 0-2 % неэффективного, вследствие использования большого количества конденсаторов. Необходимо использование дополнительно настроенного контура на 100 Гц, т.к. каноническая гармоника на 100 Гц появляется при нессиметрии питающего напряжения, и играет решающее значение при выборе числа конденсаторов (рисунок 32-39). При использовании такого контура затраты на создание СФ, с меньшим числом конденсаторов в параллельной части будет меньшим

1.2.3 Применение активных сглаживающих фильтров

Необходимость применения активных сглаживающих фильтров, обусловлена следующими характеристиками, которые нельзя получить применением пассивных сглаживающих фильтров[2]:

- подавление гармоник нечетного ряда (в первую очередь 50 Гц);

- возможно меньшее увеличение малогабаритных размеров;

- сохранение (или улучшение) положительных характеристик существующих фильтров;

- улучшение энергетических характеристик фильтра;

- напряжение на выходе СФ, независящее от частоты питающей сети;

- тангенса диэлектрических потерь конденсаторов.

Способов решения этой задачи по крайней мере два. Один состоит в добавлении в существующий фильтр тяговой подстанции еще одного резонансного контура, настроенного на частоту 50 Гц, однако этот вариант обладает существенными недостатками. К основным из них можно отнести существенное увеличение малогабаритных размеров сглаживающего устройства за счет резонансной цепочки на низкой частоте (50 Гц) и низкую добротность дополнительного контура, а, следовательно, низкую его эффективность. Кроме того, из-за колебания частоты в энергосистеме в течение суток в зависимости от нагрузки резко падает эффективность всех резонансных фильтров за счёт смещения их полюсов.

Другой путь состоит в разработке нового решения подавления гармоник на принципиально другой основе - это применение так называемого активного, или компенсационного фильтра.

1.2.3.1 Классификация активных сглаживающих фильтров

Все схемные решения активных фильтров можно разделить на 5 основных групп: параллельно-параллельного типа (сигнал снимается с параллельной реактору ветви и подаётся также на параллельную, но в противофазе); параллельно-последовательного типа; последовательно-последовательного типа, последовательно-параллельного и смешанного типа. Классификация активных СФ приведена на рисунке 42.

Рисунок 42 - Классификация активных СФ

1.2.3.2 Анализ работоспособности и применимости наиболее распространённых схем сглаживающих фильтров

В настоящее время промышленность выпускает транзисторы, на которых можно создать усилитель мощности в несколько сотен ватт, и при этом напряжение на его выходе может быть не более 100 В (оно определяется допустимым для существующих транзисторов напряжением питания усилителя). Поэтому на данном этапе развития полупроводниковой техники по технико-экономическим соображениям предпочтительнее выполнить составной фильтр, включающий в себя два звена: в первом использовать часть существующего резонансного фильтра тяговой подстанции; во втором -- активный фильтр. Такой двухзвенный фильтр получил название активно-пассивного фильтра. Принципиальная схема активно-пассивного фильтра для тяговой подстанции показана на рисунке 43.

Рисунок 43 - Принципиальная схема активно-пассивного фильтра

Пассивное звено в зависимости от качества первичного напряжения и режима работы тяговой подстанции может выбираться с различным количеством параллельных цепочек. Первое звено необходимо для предварительного снижения уровня переменной составляющей выпрямленного напряжения до величины, допустимой по условиям работы усилителя активного звена фильтра.

Активное звено фильтра 11 (рисунок 44) содержит входной контур и усилитель мощности, а также необходимые средства защиты как входных цепей усилителя от мощного сигнала, так и выходных цепей усилителя от мощных волн перенапряжений в системе выпрямленного напряжения 3,3 кВ.

Рисунок 44 - Принципиальная схема устройства для компенсации пульсаций выпрямленного напряжения

Входной контур активного звена фильтра состоит из емкости С и изолировочного трансформатора ИТ с коэффициентом трансформации, равным единице. Назначение емкости -- разделить переменную и постоянную составляющие выпрямленного напряжения. Параметры емкости С и трансформатора ИТ выбираются таким образом, чтобы резонанс напряжений между конденсатором и первичной обмоткой трансформатора был на возможно более низкой частоте. В этом случае исключается влияние этой цепи на величину и фазу гармоники с частотой 50 Гц.

Устройство содержит поперечную ветвь из конденсатора 6, включенного параллельно цепи из конденсатора 7 и датчика 8, и продольную ветвь из реакторов 4 и 5. Следящее устройство включает датчик 8, фазовый корректор 9, блок 10 сравнения фаз и инвертирующий усилитель 11. Сигнал, снятый с датчика 8, усиливается и подается в противофазе к входному сигналу на реактор 5. При этом блок сравнения фаз гармонических составляющих управляет фазовым корректором для минимизации фазовых искажений в цепи «вход датчика -- реактор 5». Этим достигается необходимый коэффициент сглаживания.

Устройство работает следующим образом [11]. На входы 1 и 3 подается пульсирующее выпрямленное напряжение. Первое звено фильтра из реактора 4 и конденсатора 6 сглаживает канонические гармоники с частотами 300 Гц, 600 Гц и т.д., снижая мощность переменной составляющей, которая прикладывается ко второму активному звену фильтра. Конденсатор 7 служит для отделения переменной составляющей выпрямленного напряжения от постоянной составляющей. В следящем блоке с датчика 8 снимается сигнал и подается на вход фазового корректора 9, управляемого от блока 10 сравнения фаз, а с его выхода -- на вход инвертирующего усилителя 11. Блок 10 сравнения фаз получает сигнал с входа и выхода усилителя 11, сравнивает фазы и вырабатывает сигнал, пропорциональный фазовой ошибке, который управляет фазовым корректором 9.

Сигнал, поступающий с выхода усилителя 11 на реактор 5, находится строго в противофазе с сигналом, поступающим на вход следящего устройства, и вычитаясь из него, дает минимальные значения переменной составляющей на выводах 2 и 3, т. е. резко увеличивает его коэффициент сглаживания. Схема некритична к величине реактора 5 и позволяет свести его к одному блоку.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сократить количество реакторов последовательной ветви и тем самым уменьшить потери в них, а также уменьшить или полностью ликвидировать резонансные LC-цепочки.

Мощность усилителя определялась как произведение тока по выходному транзисторному каскаду на напряжение на нем, или, что то же самое, на напряжение на реакторе. В результате расчетов было получено, что необходимая мощность усилителя при отсутствии пассивного фильтра должна находиться в пределах 3,5-4,5 кВА, что при современной элементной базе невыполнимо. Наличие пассивного звена в пассивно-активном фильтре позволяет снизить требуемую мощность активного элемента до 40 ВА.

Следует отметить, что на сегодняшний день существуют большое количество активных сглаживающих фильтров [2], некоторые из них проходят пробную эксплуатацию на железных дорогах России [2]. Принцип работы таких фильтров заключается в отделении переменной составляющей выпрямленного напряжения на входе фильтра и, за счет подачи в противофазе, компенсации пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра.

Для оценки эффективности работы активных фильтров рассмотрим фильтр, предложенный ОмГУПС. Для анализа работы активного фильтра, проведено его моделирования в программе Mathlab 6.5 и сняты характеристики электромагнитных процессов при шестипульсовой схеме выпрямления.

Структурная схема активного сглаживающего фильтра представлена на рисунке 45. Принципиальная схема активного СФ представлена на рисунке 46.Имитационная модель активного СФ, предложенного ОмГУПС представлена на рисунке 47.

Рисунок 45- Структурная схема активного сглаживающего фильтра

Рисунок 46 - Принципиальная схема активного сглаживающего фильтра

На рисунке: 3 - Phase Source - трёхфазный источник синусоидальной конечной мощности; PT - понижающий трансформатор тяговой подстанции; TT - преобразовательный(тяговый) трансформатор; VK - выпрямительные мостовые конструкции; Scope - пишущий осциллограф; Source - управляемый источник переменного напряжения; L_p1, L_p2 - реакторы; V - датчик напряжения с гальванической развязкой; V₁ - датчик напряжения с гальванической развязкой на входе СФ; V₂ - датчик напряжения с гальванической развязкой на выходе пассивной части СФ; V₃ - датчик напряжения с гальванической развязкой на выходе активного СФ; RMS - блоки вычисления действующего (среднего) сторзначения переменной (постоянной величины);С - конденсаторные блоки; mux-мультиплексор; Load - нагрузка; SUM - сумматор

Рисунок 47- Имитационная модель активного СФ ОмГУПС:

Предлагаемый ОмГУПС активный фильтр [11] работает следующим образом. Реактор L_p1 и конденсатор С обеспечивают снижение мощности переменной составляющей до уровня 40-60 ВЧА. Блок 1(V₁) определяет среднее значение выпрямленного напряжения на каждом кванте с заданным шагом дискретизациипериода выпрямленного напряжения. Блок 2(RMS) выделяет значение постоянной составляющей напряжения, после чего сигналы с выходов блоков 1 и 2 поступают на сумматор 3 (SUM), который имеет инвертирующий и неинвертирующий входы (« + и - »). Управляемый источник напряжения вырабатывает прямоугольныe импульсы длительностью равной шагу квантования, величиной равной значению управляющего сигнала с выхода блока

3. На выходе блока 4(Source) получаем сигнал, имеющий величину равную среднему значению переменной составляющей выпрямленного напряжения на каждом интервале квантования, но противоположный по значению, который подается на реактор L_p2. Сигнал, генерируемый фильтром, находится строго в противофазе с u_d~, амплитуда гармоник на выходе блока 4 зависит только от величины шага квантования. Данный фильтр обеспечивает почти полную компенсацию переменой составляющей выпрямленного напряжения.

Характеристики электромагнитных процессов активного СФ представлены на рисунках 48, 49.

Рисунок 48 -Переменная составляющая выпрямленного напряжения на выходе пассивной части u_п и инвертированная переменная составляющая u_и, сгенерированная активным фильтром и поданная на второй реактор от времени для шестипульсовой схемы выпрямления и токе нагрузке I_н=1000А

По своим сглаживающим характеристикам активно-пассивный фильтр намного превосходит двухзвенные резонансные фильтры тяговых подстанций; за счет возможной ликвидации части блоков реактора повышается экономичность активно-пассивного фильтра из-за снижения потерь в активном сопротивлении реактора, кроме того, по тем же причинам уменьшаются массогабаритные параметры подстанционного фильтра; активное звено сглаживающего фильтра существенно (до 6 дБ) снижает гармонику 50 Гц, в то время как традиционные фильтры тяговых подстанций увеличивают ее примерно в такое же количество раз.

Рисунок 49 -Мгновенное напряжение выпрямленного напряжение на входе активного СФ, u₁, на выходе первого звена, u₂ и напряжение на нагрузке, u_d при шестипульсовой схеме выпрямления и токе нагрузке I_н=1000А

Несмотря на вышеизложенное, активно-пассивный фильтр не нашёл широкое применение на тяговых подстанциях постоянного тока из-за ряда сопутствующих проблем, в частности: отсутствия мощных источников управляемого напряжения, которые могли бы создавать напряжения заданных форм, достаточной мощности 10-20 кВт. Кроме этого, такая схема СФ ОмГУПС имеет следующий недостаток: подключённая в последовательной части ко второму реактору, вызывает трудности: при к.з. в тяговой сети на втором реакторе образуется значительное противоЭДС, эта противоЭДС может достигать величины до 9-10 кВ и соответственно выходные цепи управляемого источника должны быть рассчитаны на такие нагрузки. В настоящее время таких источников нет. Как только эта проблема будет решена, активные СФ найдут широкое применение.

Многое зависит от рационального выбора схемы и конструкции активного фильтра, которые в настоящее время приходится находить экспериментально, подбором. Сложность аналитического исследования системы «выпрямитель тяговой подстанции - активный фильтр - тяговая сеть» заключается в том, что невозможно учесть многочисленные факторы, воздействующие на работу этой системы в реальных условиях железной дороги.

фильтр конденсатор реактор ток

2. Экономическая эффективность сглаживающих фильтров с пониженной индуктивностью реактора

При расчете экономического эффекта принята отраслевая методика по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте.

К основным показателям экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса относятся:

- чистый дисконтированный доход (ЧДД);

- индекс доходности (ИД);

- срок окупаемости (Т_о).

Чистый дисконтированный доход определяется как дисконтированная разность между доходами (результатом) и расходами (затратами) за весь расчетный период. При расчете в базовых единицах и постоянной норме дисконта ЧДД определяется по выражению 2.1:

где Р_t - результаты, достигнутые на t-ом шаге расчета;

З_t - затраты, осуществляемые на том же шаге;

T - расчетный период; t - номер шага расчета;

Е - норма дисконта, принятая в размере 0,1;

Э_t - эффект, достигнутый на t-ом шаге расчета; б_t - коэффициент дисконтирования.

Если в результате расчета ЧДД получается положительным, инвестиционный проект считается эффективным.

В качестве начального года расчетного периода для определения экономического эффекта принимается 2004 г. За расчетный принимается период равный 5 годам.

Для более полной характеристики проекта необходимо рассчитать индекс доходности, или рентабельность инвестиций. Расчет ведётся по формуле 2.2:

где K - единовременные капитальные вложения, тыс.р.

Экономический эффект от внедрения сглаживающего фильтра с пониженной индуктивностью реактора за счет уменьшения потерь электрической энергии в реакторах.

Для расчета экономического эффекта на тяговой подстанции принято, что снижена индуктивность реактора с 5 до 2,5 мГн;

Снижение индуктивности реактора СФ подстанции с 5 до 2,5 мГн влечет за собой и снижение их активных сопротивлений, что в конечном итоге приводит к уменьшению потерь электрической энергии.

Затраты на реализацию сглаживающего фильтра с пониженной индуктивностью реактора определяются стоимостью соединительных проводов и произведенных работ.

Средняя длина необходимых проводов марки АС 150 для наращивая перемычки катушки индуктивности реактора, тем самым, снижая его индуктивность, составляет 30 м. Затраты на соединительные провода 2.3:

З_р = с_пр•l, (2.3)

где с_пр - стоимость погонного метра провода марки АС 150 (с_пр= 200 р.); l - средняя длина необходимых проводов (l = 30 м).

З_р =200•30 = 6000 р.

Для реконструкции сглаживающего фильтра требуется бригада в составе двух человек - электромеханик (8 разряд) и электромонтер (разряд не ниже 4-го).

По технологическим картам на выполнение данной работы выделяется 2 часа. В таблице 4 представлен расчет заработной платы.

Таблица 4 - Расчет фонда заработной платы

Категория работников (разряд)	Отработанное время,ч.	Тарифная ставка, р./ч.	условия труда за		Доплаты и
				надбавки, р./ч.
					премия	Районная надбавка
Электромеханик (8-й)	2	68,5	5,48		6,85	10,28
Электромонтер (4-й)	2	32,8	2,63		3,28	4,92

Всего за отработанное время, р.

Стоимость произведенных работ (C_p) определяется по формуле 2.4:

Cp= C_p8 +C_p4 +(C_p8 +C_p4 )ЕСН ,(2.4)

где C_p8 - ОЗП электромеханика 8-го разряда, р./ч;

C_p8 - ОЗП электромеханика 4-го разряда, р./ч;

ЕСН - единый социальный налог от ОЗП ( ЕСН =0,267).

C_p = 182,22+87,26+(182,22+87,26)0,267; C_p = 341,4

Сглаживающий фильтр требует настройки резонансного контура 2 раза/год, таким бразом ежегодная стоимость производственных работ ( C_р.сум), определяется по формуле 2.5:

,(2.5)

где n - количество настроек в год, (n=2).

C_р.сум = 682,8 р.

Для настройки резонансного контура используется генератор низких частот.

Амортизационные отчисления на ремонт генератора низких частот в год (С_ам.г), определяется по формуле 2.6:

(2.6)

где Ц_г - стоимость генератора низкой частоты, р.;

t_р - время эксплуатации генератора частоты при настройки резонансного контура, ч;

T_сл.г - эксплуатационный срок службы генератора частоты, год; k - количество использования прибора в год (k=2).

Стоимость электроэнергии, потребляемой генератором низких частот из электрической сети (С_эл.эн), определяется по выражению 2.7:

С_эл.эн =k Ч P Ч K_им Ч t_p Ч Ц ,(2.7)

где Р - мощность генератора низких частот, кВт;

K_им - коэффициент использования мощности ( K_им = 0,8);

Ц - стоимость электроэнергии, р./кВт•ч.

С_эл.эн =2 Ч 0,6 Ч 0,8 Ч 2 Ч 1,81;

С_эл.эн =3,46 р.,

Затраты на реализацию (З) сглаживающего фильтра с пониженной

индуктивностью реактора, определяются по формуле 2.8:

^{З = З}р ^+Сам.г ^+Сэл.эн ^{+ C}р ^;(2.8)

З=6000+0,5+3,46+341,1;

З = 6345 р.

Затраты на ежегодное обслуживания СФ (З_о), определяются по формуле (2.9):

(2.9)

З_о = 0,5+0,16+3,46+682,8 ;

З_о = 687,3 р.

Уменьшение потерь электрической энергии приводит к экономии электрической энергии, определяемой по выражению 2.10:

где k_э - коэффициент эффективности тока нагрузки;

I_d - среднегодовой тяговый ток подстанции, А;

R - уменьшение активного сопротивления, Ом;

с_эл.эн - стоимость электрической энергии, р./кВт•ч (с_эл.эн=0,96).

Результаты расчета уменьшения потерь электрической энергии за счет снижения индуктивностей, а, следовательно, и активных сопротивлений реакторов СФ тяговой подстанции при конкретных параметрах этой подстанции приведены в таблице 7.

Таблица 5 - Результаты расчета потерь электрической энергии на тяговой подстанции

Коэффициент эффективности тока нагрузки kэ	Среднегодовой тяговый Ток подстанции Id, А	Уменьшение активного сопротивления ?R,мОм	Уменьшение потерь Электрической энергии ?А, тыс. кВтч в год
1,05	1584	12	290,79

Р = ?А•сэл.эн., (2.11)

где с_эл.эн - стоимость электрической энергии, р./кВт•ч (с_эл.эн=0,96)

Р = 290,79•0,96 = 279158 р.

При определении суммарного экономического эффекта за расчетный период (ЧДД) разновременные затраты [9] и результаты должны быть приведены к одному моменту времени, для чего используют коэффициент дисконтирования б_t. Результаты расчета ЧДД и ИД по годам соответственно представлены в таблице 6 и таблице 7.

Таблица 6 - Результаты расчета по годам ЧДД

Период	Результат, р.	Затраты, р.	Коэффициент дисконтирования	ЧДД, р.
2004	279158	6345,9	1,10	248000
2005	279158	687,3	1,21	230100
2006	279158	687,3	1,33	209400
2007	279158	687,3	1,46	190700
2008	279158	687,3	1,61	173000

Итого: ЧДД = 1051000

Таблица 7 - Результаты расчета по годам ИД

Период	Результат, р.	Затраты, р.	Коэффициент дисконтирования	ИД
2006	279158	6345,9	1,10	3906
2007	279158	687,3	1,21	3624
2008	279158	687,3	1,33	3297
2009	279158	687,3	1,46	3004
2010	279158	687,3	1,61	2724

При определении суммарного экономического эффекта за расчетный период

(ЧДД) разновременные затраты и результаты должны быть приведены к одному моменту времени. Для чего используют коэффициент дисконтирования б_t. Таким образом, за расчетный период Т = 5 лет суммарный экономический эффект от внедрения сглаживающего фильтра с пониженной индуктивностью реактора составит 1051 тыс. р.

3. Техника безопасности при производстве работ на сглаживающем фильтре тяговой подстанции

3.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов при выполнении работ на СФ тяговой подстанции

Охрана труда - это система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе производства.

Всё многообразие законодательных актов, мероприятий и средств, включенных в понятие охраны труда, направлено на создание таких условий деятельности, при которых исключено воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов.

Опасный производственный фактор - это фактор, воздействие которого на работающего в определённых условиях приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. К резкому ухудшению здоровья можно отнести отравление, облучение, тепловой удар и др.

Вредный производственный фактор - это фактор, воздействие которого на работающего в определённых условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным.

При выполнении работ на СФ возможны следующие вредные и опасные факторы [8]:

- повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

- повышенный уровень статического электричества. СФ тяговой подстанции постоянного тока является высоковольтной установкой. Согласно [8] напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений, указанных в таблице 8

Таблица 8. Предельно допустимые значения тока и напряжения прикосновения протекающие через тело человека при нормальном режиме электроустановки

Род тока	U, В	I, мА Не более
Переменный, 50 Гц	2,0	0,3
Переменный, 400 Гц	3,0	0,4
Постоянный	8,0	1,0

В таблице 8 напряжения прикосновения и токи приведены при продолжительности воздействий не более 10 мин в сутки и установлены, исходя из реакции ощущения. Напряжения прикосновения и токи для лиц, выполняющих работу в условиях высоких температур (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны быть уменьшены в три раза.

Принимая что U_раб СФ равно 3000 В, а сопротивление тела человек 1000 Ом получим I = 3 А.

Даже при снятии напряжения с СФ конденсаторы остаются заряженными статическим электричеством. И в результате прикосновения человека к частям СФ может произойти поражение электрическим током.

3.2 Организационные мероприятия по технике безопасности

Согласно [8] для обеспечения безопасности работ выполняемых на СФ должны выполняться следующие организационные мероприятия:

- назначение лиц, ответственных за организацию и безопасность производства работ;

- оформление наряда или распоряжения на производство работ;

- осуществление допуска к проведению работ;

- организация надзора за проведением работ;

- оформление окончания работы, перерывов в работе, переводов на другие рабочие места.

К работе на СФ должны допускаться лица, прошедшие инструктаж и обучение безопасным методам труда, проверку знаний правил безопасности и инструкций в соответствии с занимаемой должностью применительно к выполняемой работе с присвоением соответствующей квалификационной группы по технике безопасности и не имеющие медицинских противопоказаний.

Ответственными за безопасность работ являются:

- допускающий - ответственное лицо из оперативного персонала;

- ответственный руководитель работ;

- производитель работ;

- наблюдающий;

- члены бригады.

Допускающий - ответственное лицо из оперативного персонала - несет ответственность:

- за правильность выполнения необходимых для допуска и производства работ мер безопасности;

- за правильность допуска к работе, приемку рабочего места по окончании работы.

Ответственный руководитель при работе на СФ может не назначаться.

Производитель работ, принимая рабочее место от допускающего, отвечает за правильность его подготовки и за выполнение необходимых мер безопасности.

Наблюдающий при работе на СФ может не назначаться. Работа на СФ выполняется по наряду. Наряд выдается оперативному персоналу непосредственно перед началом работы. Наряд на работу выписывается в двух экземплярах. Перед допуском к работе производитель работ совместно с допускающим проверяют выполнение технических мероприятий по подготовке рабочего места.

После проверки выполнения технических мероприятий производится допуск бригады, который заключается в том, что допускающий:

- проверяет соответствие состава бригады и квалификации включенных в нее лиц записи в наряде. Проверка производится по именным удостоверениям;

- прочитывает по наряду фамилии производителя работ, членов бригады и содержание порученной работы; объясняет бригаде, откуда снято напряжение, где наложены заземления, какие части ремонтируемого и соседних присоединений остались под напряжением и какие особые условия должны соблюдаться;

указывает бригаде границы рабочего места; убеждается, что все изложенное им бригадой понято;

- доказывает бригаде, что напряжение отсутствует и если не видны заземления - прикосновением к токоведущим частям рукой после предварительной проверки отсутствия напряжения указателем напряжения;

- сдает рабочее место производителю работ.

Допуск к работе производится непосредственно на рабочем месте.

С момента допуска бригады к работам надзор за ней в целях предупреждения нарушений требований техники безопасности возлагается на производителя работ. Производитель работ все время находится на месте работ.

Оставаться на рабочем месте одному производителю работ или членам бригады без производителя работ не разрешается.

При необходимости отлучи производитель работ, если на это время его не могут заменить лицо, выдавшее наряд, или лицо из оперативного персонала, обязан вывести бригаду из РУ; оформить перерыв в работе.

В случае подмен производителя работ лицом, выдавшим наряд, производитель должен на время своей отлучки передать ему наряд.

При перерыве в работе на протяжении рабочего дня бригада удаляется из РУ. Наряд остается у производителя работ. Плакаты, ограждения и заземления остаются на месте. Ни один из членов бригады не имеет права войти после перерыва в РУ в отсутствии производителя работ. Производитель работ сам указывает место работы.

Оперативный персонал до возвращения производителем работ наряда с отметкой о полном окончании работ не имеет права включать СФ в работу или вносить в схему изменения, сказывающиеся на условиях производства работ.

По окончании рабочего дня рабочее место приводится в порядок, плакаты, заземления и ограждения остаются на местах.

На следующий день к прерванной работе можно приступить после осмотра места работы и проверки выполнения мер безопасности допускающим и производителем работ.

После полного окончания работы рабочее место приводится в порядок, роизводитель работ выводит бригаду и сдает наряд оперативному персоналу.

Закрытие наряда производится после того, как будут последовательно выполнены:

- снятие заземлений;

- удаление временных ограждений и снятие плакатов «Работать здесь»;

- установка на место постоянных ограждений и снятие плакатов вывешенных до начала работы.

3.3 Технические мероприятия

Работы на СФ производятся со снятием напряжения. Согласно /8/ для обеспечения безопасности обслуживающего персонала должны быть выполнены следующие технические мероприятия:

- отключение установки от источника питания электроэнергией;

- проверка отсутствия напряжения;

-механическое запирание приводов отключенных коммутационных аппаратов, снятие предохранителей, отсоединение концов питающих линий и другие мероприятия, обеспечивающие невозможность ошибочной подачи напряжения к месту работы;

- установка знаков безопасности и ограждение остающихся под напряжением токоведущих частей, к которым в процессе работы можно прикоснуться или приблизиться на недопустимое расстояние;

- наложение заземлений (включение заземляющих ножей или наложение переносных заземлений);

- ограждение рабочего места и установка предписывающих знаков безопасности.

На месте производства работ должны быть отключены:

- токоведущие части, на которых будет производиться работа;

- не огражденные токоведущие части, к которым возможно приближение людей, на расстояние менее 0,6 м.

Если указанные токоведущие части не могут быть отключены, то они должны быть ограждены.

С каждой стороны, откуда коммутационным аппаратом может быть подано напряжение на место работы, должен быть видимый разрыв, образованный отсоединением или снятием шин и проводов, отключением разъединителей.

Для предотвращения ошибочного или самопроизвольного включения коммутационных аппаратов, которыми может быть подано напряжение к месту работы, должны быть выполнены следующие мероприятия:

- у разъединителей, выключателей нагрузки ручные приводы в отключенном положении заперты на механический замок;

- у разъединителей, управляемых оперативной штангой, стационарные ограждения заперты на механический замок;

- у приводов коммутационных аппаратов, имеющих дистанционное управление, отключены цепи силовые и оперативного тока, а у пневматических приводов, кроме того, на подводящем трубопроводе сжатого воздуха закрыт и заперт на механический замок клапан и выпущен сжатый воздух, при этом спускные пробки (клапаны) оставлены в открытом положении;

- у грузовых и пружинных приводов включающий груз или включающие пружины приведены в нерабочее положение.

Непосредственно после проведения необходимых отключений на приводах разъединителей выключателей, на ключах и кнопках дистанционного управления ими, должны быть вывешены плакаты «Не включать. Работают люди».

Не отключенные токоведущие части, доступные для непреднамеренного прикосновения, должны быть на время работ ограждены. Для временного ограждения могут применяться щиты (ширмы), экраны и т. п., изготовленные из дерева или других изоляционных материалов.

Расстояние от временных ограждений до токоведущих частей должно быть не менее 0,6 м.

После включения заземляющих ножей или установки переносных заземлений на ограждениях соседних ячеек и расположенных напротив, должны быть вывешены плакаты «Стой. Напряжение».

Перед началом работы необходимо проверить отсутствие напряжения на участке работы.

Проверять отсутствие напряжения необходимо указателем напряжения заводского изготовления, исправность которого перед применением должна быть установлена посредством приближения к токоведущим частям заведомо находящимся под напряжением.

Пользоваться указателем напряжения необходимо в диэлектрических перчатках.

Заземление токоведущих частей производится в целях защиты работающих от поражения электрическим током в случае ошибочной подачи напряжения к месту работы.

Наложение и снятие переносного заземления выполняют в диэлектрических перчатках с применением изолирующей штанги.

Заземления следует накладывать в местах очищенных от краски.

3.4 Технические средства защиты, обеспечивающие безопасность работ на СФ

Персонал, обслуживающий электроустановку, должен быть снабжен всеми необходимыми средствами защиты, обеспечивающими безопасность его работы.

Технические средства защиты подразделяются на две категории: основные средства защиты, дополнительные средства защиты.

К основным защитным средствам относятся:

- изолирующие штанги;

- изолирующие и электроизмерительные клещи;

- указатели напряжения.

К дополнительным защитным средствам относятся:

- диэлектрические перчатки;

- диэлектрические боты;

- диэлектрические ковры;

- индивидуальные экранирующие комплекты;

- изолирующие подставки и накладки;

- диэлектрические колпаки;

- переносные заземления;

- оградительные устройства;

- плакаты и знаки безопасности.

При использовании основных средств защиты достаточно применения одного дополнительного.

Средство защиты должно быть рассчитано на применение при наибольшем допустимом рабочем напряжении электроустановки.

Заключение

В дипломном проекте рассмотрены активно-пассивный СФ, активный СФ ОмГУПС, пять схем пассивных СФ: однозвенный апериодический, однозвенный резонансно-апериодический, однозвенный СФ с запирающим контуром 600 Гц,

двухзвенный резонансно-апериодического СФ ЗСЖД и двухзвенный СФ ВНИИЖТа; рассчитано необходимое количество конденсаторов в параллельной части апериодических СФ при различных коэффициентах нессиметрии питающего напряжения и индуктивностей реактора; рассчитано количество энергии, выделяемое в дуге при отключении выключателем тока к.з при различных индуктивностях реактора; вычислен ресурс выключателя при различных индуктивностях реактора; смоделирована схема активного СФ в программе Mathlab 6.5; сняты характеристики электромагнитных процессов активного СФ. Сделаны выводы о рациональности и эффективности путей совершенствования сглаживающих фильтров.

Библиографический список

1. Ковалева Т.В. Сглаживающие фильтрытяговых подстанций постоянного тока: Учебное пособие. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 1999. 53 с.

2. Бадер М.П .Электромагнитная совместимость М.: УМК МПС, 2002. 638 с.

3. Шалимов М.Г. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций М.: Транспорт,1990. 127 с.

4. Трейвас М.Д. Высшие гармонические выпрямленного напряжения и их снижение на тяговых подстанциях постоянного тока. 1964.

5 Михайлов М.И . Защита кабельных линий связи от влияния внешних электромагнитных полей «Связь». 1967. 337 с.

6. ГОСТ 12.0.003 - 74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. М., 1982. 4 с.

7 Технико-экономическое обоснование инженерных решений в дипломных проектах: Учебное пособие / Г.И. Акользина , 1999. 41 с.

8. СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные. Общие требования и правила оформления текстовых документов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 29 с.

9. Пат. 31884 Российская Федерация. Устройство для компенсации пульсаций выпрямленного напряжении / Р. Б Скоков ., опубл. 2003, Бюл. № 24.

Размещено на Allbest.ru

...