Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса электромагнитной совместимости между системой электроснабжения и аппаратурой рельсовых цепей 15
1.1 Аналитический обзор литературы 15
1.1.1 Общие вопросы электромагнитной совместимости на железнодорожном транспорте 15
1.1.2 Тяговые подстанции и выпрямители как источники электромагнитных помех 17
1.1.3 Электроподвижной состав как источник гармоник тягового тока... 19
1.1.4 Тяговая сеть как проводник электромагнитных помех 21
1.1.5 Моделирование системы тягового электроснабжения для оценки > величины электромагнитных помех 23
1.2 Объекты и границы исследования 27
1.3 Выводы 31
2 Электромагнитные процессы в системе тягового электроснабжения создающие помехи в цепях аппаратуру рельсовых цепей 33
2.1 Особенности электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения постоянного тока 33
2.1.1 Взаимодействие электромагнитных процессов в электрических цепях системы тягового электроснабжения 33
2.1.2 Причины возникновения электромагнитных помех в питающих цепях аппаратуры рельсовых цепей 36
2.1.3 Пути проникновения помех в сигнальные цепи аппаратуры рельсовых цепей 36
2.2 Критерии оценки уровня электрохмагнитных помех на аппаратуру рельсовых цепей через питающие и сигнальные цепи 40
2.3 Математические модели источников электромагнитных помех 44
2.3.1 Модель работы выпрямителя тяговой подстанции 44
2.3.2 Модель электромеханической системы тягового двигателя постоянного тока 48
2.3.3. Модель электрической цепи тяговой сети с учетом взаимоиндукции 54
2.4 Методология исследования электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения 57
2.5 Выбор программного обеспечения для имитационного моделирования 60
2.6 Выводы 61
3 Имитационное моделирование источников и рецепторов электромагнитных помех в системе тягового электроснабжения 63
3.1 Моделирование тяговой подстанции постоянного тока 63
3.1.1 Описание силовой цепи тяговой подстанции .". 63
3.1.2 Питающая сеть 64
3.1.3 Тяговые устройства и цепь нетяговых потребителей ...: 66
3.1.4 Модель электрической цепи тяговой подстанции 69
3.2 Моделирование электропоезда ЭД4 70
3.2.1 Тяговый электродвигатель 70
3.2.2 Силовая цепь электроподвижного состава на примере электропоезда ЭД4 73
3.3 Моделирование электрической цепи тяговой сети 77
3.3.1 Формулы для расчета электрических параметров контактной сети 78
3.3.2 Выражения для расчета электрических параметров рельсов 80
3.3.3 Расчет и исследование частотной зависимости сопротивлений тяговой сети 82
3.3.4 Синтез двухполюсника с частотно-зависимым входным сопротивлением 84
3.3.5 Моделирование тяговой сети в программе Matlab/Simulink 86
3.4 Меодика разложения электрического сигнала с использованием преобразования Фурье 90
3.5 Моделирование измерительных компонентов в программе Matlab/Simulink 93
3.6 Модель системы тягового электроснабжения и режимы ее работы 96
3.7 Проверка достоверности расчетов (верификация) разработанной модели 98
3.8 Выводы 103
4 Исследование влияния параметров устройств электроснабжения и электроподвижного состава на уровень электромагнитных помех в питающих и сигнальных цепях аппаратуры рельсовых цепей 105
4.1 Влияние качества электроэнергии питающей сети и тягового
оборудования подстанции на уровень электромагнитных помех 106
4.1.1 Условия проведения расчетных экспериментов 106
4.1.2 Электромагнитные помехи при 12-ти пульсовых выпрямителях 108
4.1.2.1 Влияние гармоник питающей сети различного порядка 108
4.1.2.2 Влияние сопротивления питающей сети 111
4.1.2.3. Влияние фазы гармоник питающей сети 113
4.1.2.4 Влияние через сигнальные цепи аппаратуры РЦ 114
4.1.3 Электромагнитные помехи при 6-ти пульсовом выпрямителе 116
4.1.3.1 Помехи через питающие цепи аппаратуры РЦ 116
4.1.3.2 Влияние через сигнальные цепи аппаратуры РЦ 118
4.1.4 Сравнение значений смоделированных электромагнитных помех,
проникающих через питающие цепи, с нормативными значениями 119
4.2 Влияние электроподвижного состава на величины токов помехи 120
4.2.1 Описание временных диаграмм токов помехи 121
4.2.2 Анализ степени влияния электроподвижного состава и тяговой сети на величины токов помехи в контактном проводе и рельсах 128
4.3 Влияние параметров рельсовой линии на электромагнитные помехи через сигнальные цепи 129
4.4 Определение наихудших условий электромагнитной совместимости и разработка мер по снижению электромагнитных помех 132
4.4.1 Наихудшие условия электромагнитной совместимости 132
4.4.2 Технические меры для снижения уровня электромагнитных помех 134
4.4.3 Организационные меры для снижения уровня электромагнитных помех 138
4.5 Технико-экономическое обоснование внедрения методики оценки
электромагнитной совместимости аппаратуры рельсовых цепей 141
4.5.1 Общие сведения 141
4.5.2 Расчет капитальных затрат при сравнении вариантов экспериментальной и расчетной оценки электромагнитной совместимости 143
4.5.3 Расчет эксплуатационных расходов для различных вариантов 146
4.5.4 Количественная оценка экономической эффективности и сравнение различных вариантов 149
4.6 Результаты и выводы 150
Результаты и выводы по диссертации 153
Список сокращений, принятых в работе 157
Список использованной литературы
- Общие вопросы электромагнитной совместимости на железнодорожном транспорте
- Взаимодействие электромагнитных процессов в электрических цепях системы тягового электроснабжения
- Тяговые устройства и цепь нетяговых потребителей
- Электромагнитные помехи при 12-ти пульсовых выпрямителях
Введение к работе
Актуальность исследования
Системы интервального регулирования и электрической централизации на железных дорогах являются основными по обеспечению безопасности движения на перегонах и станциях соответственно. В качестве датчиков информации о іместонахождении подвижного состава, занятости участка железной дороги и целостности рельсовой линии эти системы используют рельсовые цепи.
Работа рельсовых цепей (РЦ) основана на использовании сигнальных токов, передающихся между приемником и передатчиком по рельсовой линии: сигнал может быть как постоянного, так и переменного тока в различных частотных диапазонах. В то же время, на электрифицированных железных дорогах рельсы являются обратным проводником тягового тока: ток от электроподвижного состава (ЭПС) возвращается на тяговую подстанцию (ТП) через рельсы. Таким образом, если в тяговом токе присутствуют помехи на частоте сигнального тока рельсовых цепей, то они могут оказывать мешающее и опасное влияние на аппаратуру РЦ через сигнальные цепи. Аппаратура РЦ получает электроэнергию от фидеров ТП через высоковольтную линию электроснабжения устройств сигнализации, централизации и блокировки (ВЛ СЦБ), при этом, некачественная электроэнергия также может оказывать мешающее влияние на работу аппаратуры РЦ. Таким образом, аппаратура РЦ работает в условиях воздействия электромагнитных помех, созданных системой тягового электроснабжения (СТЭС) и ЭПС, и проникающих через питающие и сигнальные цепи.
Согласно статистическим данным, на всей сети Российских железных дорог в 2006 году по вине службы электроснабжения (Э) был допущен 871 отказ рельсовых цепей (20% от всех отказов устройств железнодорожной автоматики по вине службы Э), общая продолжительность которых
7 составила 1250 часов 49 минут. Основной причиной отказов рельсовых цепей была некачественная электроэнергия в линиях ВЛ СЦБ. В 2006 году также был зафиксирован ряд отказов по причине асимметрии тяговых токов в рельсах, которые повлекли за собой проникновение в приемную аппаратуру РЦ через сигнальные цепи токов помехи, превышающих допустимый уровень.
Для того, чтобы снизить количество отказов рельсовых цепей, необходимо установить причину превышения установленных норм по качеству электроэнергии и величине токов помехи в рельсах, и определить источники электромагнитных помех (ЭМП) через питающие и сигнальные цепи. Экспериментально проанализировать электромагнитные процессы, происходящие в цепях СТЭС и ЭПС достаточно сложно и дорого, поэтому для исследований электромагнитных процессов была разработана имитационная модель, которая позволяет моделировать электромагнитные процессы при различных параметрах СТЭС, измерять любые электрические параметры в любой точке цепей ТП, ЭПС и тяговой сети. На основе полученных данных была оценена степень электромагнитного влияния тягового тока на качество электрической энергии в цепях электропитания аппаратуры РЦ и величина помех, возникающих в сигнальных цепях аппаратуры РЦ.
По определению, электромагнитной совместимостью (ЭМС) технических средств называется способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке (ЭМО) и не создавать недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) другим техническим средствам [1]. Принимая во внимание сказанное выше, обеспечение электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения и аппаратуры рельсовых цепей является важной научно-технической задачей, решение которой предлагается в данной работе.
Актуальность данной диссертации заключается в том, что она посвящена изучению электромагнитной совместимости (ЭМС) устройств и систем,
8 которые непосредственно влияют на безопасность движения поездов. Исследование, проведенное в работе, позволило определить причины электромагнитных помех, разработать меры по их снижению, что должно привести к уменьшению количества отказов рельсовых цепей и, следовательно, повышению безопасность движения поездов.
Цель и задачи диссертационной работы
Цель работы — определить условия работы и параметры системы тягового электроснабжения, при которых возникают наибольшие электромагнитные помехи на аппаратуру рельсовых цепей, проникающие через питающие и сигнальные цепи, разработать методику оценки электромагнитной совместимости и предложить меры для снижения электромагнитного воздействия.
Для достижения цели в работе были решены следующие задачи:
выбраны критерии оценки уровня ЭМП через питающие и сигнальные цепи аппаратуры РЦ;
разработана имитационная модель СТЭС (включающая ТП, тяговую сеть (ТС) и ЭПС) для анализа электромагнитных процессов;
оценен уровень электромагнитных помех на шинах ТП и в питающих цепях аппаратуры РЦ при несинусоидальности и несимметрии напряжения в питающей сети и различных типах выпрямителей подстанции;
исследовано влияние различных типов выпрямителей и ЭПС на уровень токов помехи в рельсах на частотах сигнального тока;
рекомендованы защитные меры для снижения ЭМП.
Научная новизна работы
Научная новизна заключается в следующем:
предложен новый подход к оценке электромагнитной совместимости
аппаратуры рельсовых цепей и системы тягового электроснабжения,
9 основанный на комплексной оценке электромагнитного влияния, как через цепи питания, так и через сигнальные цепи;
разработана имитационная модель электрических цепей системы тягового электроснабжения (включающая тяговую подстанцию тяговую сеть и электроподвижной состав) для исследования электромагнитных процессов;
установлены зависимости уровня электромагнитных помех в питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ от качества электроэнергии питающей сети (внешней системы электроснабжения), типа выпрямительного агрегата подстанции, условий тяги и параметров тяговой сети.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключаются в том, что:
разработано инструментальное средство в виде компьютерной модели для исследования и анализа электромагнитных процессов, протекающих в системе тягового электроснабжения и подверженных влиянию питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ;
рекомендованы технические и организационные меры по снижению электромагнитных помех во входных цепях аппаратуры РЦ;
разработана методика оценки ЭМС аппаратуры РЦ с СТЭС и ЭПС;
выполнено внедрение разработанной методики оценки ЭМС на предприятиях железнодорожной отрасли.
Достоверность полученных результатов
Достоверность исследования и результатов работы обеспечивалась путем сравнения данных, полученных экспериментально, аналитически и при моделировании работы системы тягового электроснабжения в схожих условиях. В зависимости от полноты исходных данных, расхождение результатов при их сравнении варьировалось в пределах 5%. Сравнение
10 также показало, что формы и гармонический состав токов и напряжений в реальных цепях адекватны полученным при моделировании.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры, конференциях «Неделя науки», «Инфотранс» и международной конференции «Railway Traction Systems» (Япония). По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе две из них - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для данной специальности.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, списка сокращений и списка использованной литературы и приложений.
Во введении приводится обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цели работы и задачи исследования, которые необходимо выполнить для достижения поставленной цели.
Первая глава содержит аналитический обзор литературы в области электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения и аппаратуры РЦ и СЦБ, а также описание объекта и границ исследования.
Аналитический обзор литературы показал, что вопросы ЭМС системы тягового электроснабжения с питающей сетью и устройствами СЦБ изучены достаточно глубоко как теоретически, так и экспериментально. Тем не менее, комплексный анализ электромагнитного воздействия на аппаратуру РЦ со стороны сигнальных цепей и цепей питания, предлагаемый в настоящей работе, не был затронут ни в одной работе. Разносторонние исследования, проведенные в различных странах и условиях, несомненно, дают достаточно материала для дальнейшего развития теории электромагнитной совместимости, поэтому для комплексной оценки ЭМП, проникающих в аппаратуру РЦ через сигнальные и питающие цепи, требуется их обобщение,
анализ, и, на основе этого, разработка системного подхода с использованием современных средств моделирования.
СТЭС постоянного тока рассматривается в работе как источник ЭМП, включающая в себя все основные подсистемы: питающую сеть (ПС), тяговую подстанцию (ТП), тяговую сеть (ТС) и электроподвижной состав (ЭПС). Рецепторами помех является аппаратура РЦ, которая может быть установлена на станциях (станционные устройства), или на открытом воздухе вблизи железнодорожной линии (напольные устройства). Область исследований в данной работе ограничивается рассмотрением гипотетического однопутного участка консольного питания СТЭС постоянного тока (12-ти или 6-ти пульсовый выпрямитель) в совокупности с устройствами РЦ, питающимися от фидеров ТП и контролирующих интервальное движение на прилегающих к подстанции рельсовых цепях. В качестве ЭПС выбран электропоезд серии ЭД4 как наиболее распространенный подвижной состав на пригородных железных дорогах постоянного тока.
Во второй главе приводятся особенности электромагнитных процессов в СТЭС, описываются пути проникновения ЭМП в аппаратуру РЦ через питающие и сигнальные цепи, выбираются критерии оценки уровня ЭМП, и приводятся математические модели электромагнитных процессов в цепях ТП, ТС и ЭПС. Также в этой главе описывается методология исследования и выбирается программное обеспечении для моделирования процессов.
Электромагнитные помехи, проникающие в питающие и сигнальные цепи аппаратуры РЦ, являются кондуктивными, то есть передающимися по проводящей среде [1]. Источниками кондуктивных ЭМП в СТЭС постоянного тока являются питающая сеть (система внешнего электроснабжения), выпрямитель на ТП, двигатели и преобразователи на ЭПС.
Уровень ЭМП в питающих цепях аппаратуры РЦ определяется качеством электроэнергии, которое, для цепей общего назначения,
12 определяется в ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». В этом стандарте, введен ряд показателей качества электроэнергии (ПЭН), среди которых, для целей исследования влияния СТЭС на аппаратуру РЦ, были выбраны три: коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения ^и(п), коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Ки и коэффициент несимметрии напряжений прямой последовательности К2и-Формулы для расчета коэффициентов и их допустимые значения определены в ГОСТ 13109-97.
Уровень ЭМП в сигнальных цепях зависит от величины тока помехи в рельсах на частотах сигнального тока и от асимметрии токов в рельсах, определяемой коэффициентом асимметрии Кас- Требования к величине токов помехи от электропоездов на частотах сигнального тока РЦ (25, 50, 175, 420, 480, 580, 720, 780, 4545, 5000, 5555 Гц) устанавливаются в документе НБЖТ ЦТ 03-98 «Нормы безопасности железнодорожного транспорта. Электропоезда. Требования по сертификации».
Громоздкость математических моделей, описывающих работу полупроводникового выпрямителя, тягового электродвигателя и тяговой сети и сложность их решения предполагают использование компьютерного моделирования. В качестве программного обеспечения при этом выбирается программа для инженерных расчетов Matlab и встроенный в него инструмент моделирования Simulink.
Третья глава содержит детальное описание моделирования электрических цепей системы тягового электроснабжения, которое включает в себя моделирование тяговой подстанции, электроподвижного состава, тяговой сети, измерительных блоков, а также описание методики измерения гармонических оставляющих токов и напряжений.
В четвертой главе исследуется влияние гармоник питающей сети напряжением ПОкВ и выше (внешней системы электроснабжения), типа
13 выпрямителя, величины тягового тока и других факторов на уровень ЭМП в питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ и шине 10 кВ ТП. Затем по результатам работы предлагаются меры по снижению ЭМП аппаратуры РЦ, разрабатывается методика оценки ЭМП и приводится технико-экономическое обоснование внедрения методики в качестве инструмента для расчета ЭМП.
ЭМП от питающей сети 110 кВ возникает тогда, когда в ней имеются гармонические составляющие напряжения (тока) и/или несимметрия напряжений, и выражается в появлении или усилении ЭМП на шине 10 кВ подстанции и в питающих или сигнальных цепях аппаратуры РЦ. Для создания условий несинусоидальности напряжения, в каждую фазу источников напряжения, имитирующих питающую сеть, вводятся дополнительные гармоники соответствующих частот, амплитуд и фазового сдвига. В случае, если к линиям питающей сети преимущественно присоединены подстанции, имеющие 6-ти пульсовые выпрямители, принимается, что напряжение в ней содержит высшие гармоники с порядковыми номерами v=6A±l, где к=1,2,3,..., т.е. v=5,7,11,13,... По аналогии, при преобладании тяговых подстанций с 12-ти пульсовыми выпрямителями, напряжение питающей сети содержит гармоники с номерами v=12A±l, т.е. v=l 1,13,...
Измерение токов помехи в рельсах на частотах сигнального тока є при проведении расчетных экспериментов показало, что величина токов помехи существенно зависит от величины выпрямленного тягового тока и в меньшей степени зависит от типа выпрямителя ТП и высших гармоник питающей сети. С целью определения максимальных значений, рассматривается достаточно большой интервал (несколько десятков периодов частотой 50 Гц) на максимальном токе: такие условия создаются во время пуска двигателей на интервале 0,1-4,7 с, где так же имеются моменты коммутации контакторов пускового блока электропоезда ЭД4. С помощью имитационной
14 модели также проводится исследование зависимости коэффициента асимметрии Кас от продольной и поперечной асимметрии рельсов.
На основе разработанной модели в главе 4 создается методика оценки ЭМС аппаратуры РЦ, и проводится технико-экономическое обоснование внедрения такой методики на предприятия железнодорожного транспорта занимающиеся проблемами ЭМС аппаратуры РЦ и другими смежными задачами.
В разделе выводов, приведены основные результаты исследования показаны наихудшие условия возникновения электромагнитной обстановки в питающих и сигнальных цепях аппаратуры РЦ, и сделаны соответствующие выводы.
Общие вопросы электромагнитной совместимости на железнодорожном транспорте
Вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) на железнодорожном транспорте охватывают широкий круг научно-технических задач, таких как ЭМС с подземными сооружениями, ЭМС с воздушными линиями связи, ЭМС с питающими сетями, ЭМС с устройствами сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Поэтому, проблемами ЭМС занимались и занимаются ученые различных специализаций: электроники, электротехники, энергетики, автоматики, телемеханики и т.д. Большой вклад в развитие науки ЭМС внесли: B.C. Аркатов, Д. Аррилага, М.П. Бадер, Ю.М. Бей, Б.М. Бородулин, A.M. Брылеев, А.Т. Бурков, Д.В. Гавзов, Л.А. Герман, Ю.А. Кравцов, А.Б. Косарев, Б.И. Косарев, А.В. Котельников, В.М. Лисенков, К.Г. Марквардт, Г.С. Магай, P.P. Мамошин, Б. Меллит, Г.А. Минин, А.В. Наумов, В.Н. Пупынин, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Р.Д. Хилл, Ю.А. Чернов, М.Г. Шалимов, В.И. Шаманов, А.В. Шишляков и другие ученые.
Среди проблем ЭМС на ж.д. транспорте, перечисленных выше, особенно актуальной является проблема обеспечения ЭМС с устройствами СЦБ, так как устройства и системы СЦБ обеспечивают безопасность движения поездов на железных дорогах. Непосредственному электромагнитному влиянию подвержена аппаратура рельсовых цепей (РЦ), которая устанавливается в релейных шкафах (РШ), расположенных на открытом воздухе вблизи железнодорожной линии, и на постах электрической централизации (ЭЦ), расположенных на станциях. Цепи питания аппаратуры РЦ подключаются к линиям ВЛ СЦБ или ЛПЭ, питающимся от системы тягового электроснабжения (СТЭС), а сигнальные цепи аппаратуры РЦ - к вспомогательной обмотке дроссель-трансформатора (ДТ) или непосредственно к ходовым рельсам, по которым одновременно передается сигнальный ток (от генератора к приемнику РЦ) и тяговый ток (от ЭПС к ТП). Таким образом, в окружении высоких напряжений и больших токов низковольтная аппаратура РЦ работает в условиях жесткой электромагнитной обстановки (ЭМО).
Нормы и требования по ЭМС регламентируются нормативной документацией: стандартами и руководящими документами. Термины и определения в области ЭМС даны в [1]. Классификация электромагнитных помех в местах размещения технических средств приводится в [2], нормы качества электроэнергии описаны в [3], нормы помех от тягового тока и ЭМС электропоездов с устройствами СЦБ и связи определяются в [4], основные требования и методы испытаний для аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) описаны в [5].
Общие вопросы ЭМС на железных дорогах, принципы, механизмы и особенности распространения электромагнитных помех (ЭМП), источники и рецепторы ЭМП и другие причастные вопросы освещены в работах [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14].
Электромагнитная обстановка, в которой работает аппаратура РЦ, обусловлена сложным взаимодействием электрических цепей внешней системы электроснабжения (питающей сети) и СТЭС, состоящей из тяговой подстанции (ТП), тяговой сети (ТС), электроподвижного состава (ЭПС), которые и являются основными источниками ЭМП на аппаратуру РЦ. Таким образом, при рассмотрении вопросов ЭМС на ж.д. транспорте и, в частности, ЭМС СТЭС с аппаратурой РЦ, необходимо иметь детальное представление об источниках ЭМП и об электромагнитных процессах, протекающих в них. 1.1.2 Тяговые подстанции и выпрямители как источники электромагнитных помех
Параметры и основные принципы работы ТП постоянного и переменного тока, схемы электрических соединений, формулы для расчета электрических параметров (сопротивление, индуктивность и т.д.), трансформаторов подстанции и внешней системы электроснабжения (питающей сети) приводятся в [6, 15, 16, 17]. Выпрямители, устанавливающиеся на подстанциях постоянного тока, являются источниками гармоник выпрямленного напряжения и, при наличии нагрузки, источником гармоник сетевого тока. На Российских железных дорогах постоянного тока используются 6-ти, 12-ти и 24-х пульсовые полупроводниковые выпрямители, предназначенные для выпрямления напряжения (/пом=3,3 кВ) на тягу поездов. Трехфазные тяговые выпрямители, как правило, используют мостовую схему соединения диодов (если неуправляемый) или тиристоров (если управляемый), подключенных к тяговому (преобразовательному) трансформатору [18]. Технические характеристики (внешняя характеристика, к.п.д., коэффициент мощности) и коэффициент пульсации играют важную роль в тяговом электроснабжении и электромагнитной совместимости, поэтому большое внимание уделяется модернизации и совершенствованию выпрямителей. Переход от 6-ти пульсовых схем выпрямления, использующихся с 50-х годов XX века, к 12 ти пульсовым, позволил значительно улучшить технико-экономические показатели тяговых выпрямителей [7] и снизить ЭМП в тяговую и питающую сеть.
Взаимодействие электромагнитных процессов в электрических цепях системы тягового электроснабжения
Электромагнитные помехи (ЭМП), проникающие в питающие и сигнальные цепи аппаратуры РЦ, являются кондуктивными, то есть передающимися по проводящей среде [1]. В связи с этим, рассмотрим природу и основные источники электромагнитных помех (ЭМП) на электрифицированных железных дорогах постоянного тока. Источниками кондуктивных ЭМП в СТЭС постоянного тока являются питающая сеть (система внешнего электроснабжения), выпрямитель на тяговой подстанции (ТП), двигатели и преобразователи на электроподвижном составе (ЭПС). Принципиальная электрическая схема системы тягового электроснабжения (СТЭС) постоянного тока с присоединенной аппаратурой РЦ представлена на рисунке 2.1. G - питающая сеть (ПС) с внутренним сопротивлением Хпс и напряжением Unci ПТ — понижающий трансформатор, преобразующий напряжение питающей сети Unc в напряжение на шинах ТП 1/щ;
На схеме (рисунок 2.1) показаны основные силовые устройства СТЭС, влияющие на уровень ЭМП, на примере консольной схемы питания. В схеме можно выделить несколько электрических цепей, разделенных трансформаторами или выпрямителем и имеющими различное функциональное назначение: питающая сеть, шина тяговой подстанции, цепь выпрямленного напряжения (тяговая сеть), ВЛ СЦБ, питающая цепь аппаратуры РЦ, сигнальная цепь аппаратуры РЦ. Обозначим номера гармоник напряжения питающей сети (внешней системы электроснабжения) буквой v, номера гармоник цепи шины 10 кВ ТП и питающей цепи аппаратуры РЦ - номера гармоник цепи выпрямленного напряжения буквой п, номера частот сигнального тока РЦ в рельсах - є.
Питающая сеть (напряжением 10 кВ или выше) обеспечивает ТП трехфазным напряжением. Из-за подключения мощных реактивных нагрузок или однофазных потребителей, качество электроэнергии в ПС может ухудшиться, что также снижает качество электроэнергии при электроснабжении тяговых и нетяговых потребителей подключенных к шине ТП (в т.ч. аппаратуры РЦ), ведет к появлению неканонических гармоник в выпрямленном напряжении (/(п))- ЭМП от питающей сети выражается в количестве высших гармоник (гармоническом составе) напряжения (C/(V)) и их величине. Так как в трехфазной питающей сети отсутствуют четные гармоники или гармоники, кратные трем [7], то порядок гармоник, которые могут в ней присутствовать определяется как v=6-k ±1, где к=\, 2, 3... Величина гармоник напряжения U(V) варьируется в зависимости от внешних условий, а ее допустимое значение определяется в [3] коэффициентом v-й гармонической составляющей напряжения .Ким-Выпрямитель ТП является источником гармоник /(П) в цепи выпрямленного напряжения и, при наличии тягового тока, источником гармоник сетевого тока 1 и напряжения U , передающегося на шину ТП, в питающую сеть и к нетяговым потребителям (в т.ч. в линию ВЛ СЦБ и далее в питающую цепь аппаратуры РЦ). ЭМ влияние на цепь выпрямленного напряжения выражается в том, что появляются гармоники /(„) в составе выпрямленного напряжения, порядок которых определяется как п=р-к, где р — пульсация выпрямителя (6, 12 или 24). Электромагнитное влияние на питающую сеть происходит только при протекании тягового тока через выпрямитель: чем больше средневыпрямленное значение тока/j, тем больше амплитуды гармоник тока в питающей сети [18]. В зависимости от количества пульсаций схемы выпрямления р, выпрямители создают гармоники сетевого тока порядка g=p-htl.
Электродвигатели подвижного состава определяют форму и величину тягового тока Id, что обусловлено постоянно изменяющимися тяговой нагрузкой, уровнем напряжения в контактной сети и электрической схемой ЭПС. На поездах постоянного тока, оборудованных асинхронными двигателями, устанавливают электронные преобразователи, которые также являются источником гармоник тягового тока. Поэтому, гармонический состав тягового тока и величины гармоник /() определяются условиями тяги, индивидуальными особенностями двигателей и преобразователей каждого отдельного типа ЭПС.
Тяговые устройства и цепь нетяговых потребителей
Тяговыми устройствами подстанции являются выпрямители и трансформаторы. Для исследования электромагнитных процессов в данной работе моделируется 12-ти пульсовая схема выпрямления, схема которой изображена на рисунке 3.3. В этой схеме используется два трехфазных мостовых выпрямителя, математическая модель и работа которых описаны в разделе 2.3. Чтобы добиться сдвига фаз тока, поступающего в выпрямительные мосты (фазы аь Ь(, сь а2, Ь2, с2), на величину 30 относительно друг друга, вторичные обмотки тягового трансформатора соединяются по различной схеме: одна — по схеме «треугольник», другая - по схеме «звезда». В J Сі
На рисунке 3.4 показана силовая цепь блока тяговых преобразователей "Subst", смоделированных в системе Matlab/Simulink, в соответствии с силовой схемой (рисунок 3.1): ввод напряжения от питающей сети осуществляется через зажимы "А", "В", "С" на первичную обмотку понижающего трансформатора "PT(TRDN)"; к шине подстанции подключаются тяговый трансформатор "TT(TRDP)", блок нетяговых потребителей (трансформаторы "TSN(TM)" и "TSCB(TM)") и измеритель напряжения "V4"; 12-ти пульсовая схема выпрямления реализуется с помощью блоков трехфазных мостовых выпрямителей "Bridge", присоединенных к тяговому трансформатору TT(TRDP)" в соответствии с рисунком 3.3; цепь нетяговых потребителей моделируется с помощью блоков "TSN(TM)" (трансформатор собственных нужд) и "TSCB(TM)" (повышающий трансформатор СЦБ); реактор подстанции реализуется индуктивностью Lp.
Блок "Subst" имеет ряд выводов (интерфейсов или портов) для возможности взаимодействовать с электрическими цепями подстанции: выводы тягового фидера "U_+3.3" и "U_—3.3", выводы питающего фидера трехфазной линии ВЛ СЦБ "a_SCB", "b_SCB", "c_SCB". Кроме этого, вывод "U_10kV" выдает численное значение напряжения на шине ТП, измеренное блоком "V4", предварительно приведенное к фазному значению блоком "Lin- Faz". Блок "14" измеряет величину тока в фазе А на шине подстанции.
Для целей моделирования активные и индуктивные сопротивления обмоток трансформаторов и их индуктивности должны быть рассчитаны отдельно для обмоток высокого, низкого и, если есть, среднего напряжения. Для этого, напряжение короткого замыкания ик, %, должно быть найдено для каждой из обмоток. В двухобмоточном трансформаторе, ик определяется по выражению (3.4), а в трехобмоточном - по системе уравнений (3.5) [15]. — фазное напряжение на соответствующей обмотке, В. Электрические параметры понижающих и тяговых трансформаторов приведены в [6, 7, 83]. В приложении Б также перечислены параметры некоторых трансформаторов.
Модель электрической цепи тяговой подстанции
Модель силовой цепи подстанции, приведенной на рисунке 3.1, созданная в программе Matlab/Simulink, изображена на рисунке 3.5. Она включает в себя следующие блоки: "PSTP" (рисунок 3.2), "TractionSubst" (рисунок 3.4), "Zscb" -сопротивление трехфазной линии В Л СЦБ, "TSCB(TM)" - понижающий трансформатор для питания трехфазной аппаратуры СЦБ, "SCB Devices" - электрическая нагрузка (мощность) аппаратуры СЦБ, TrRC(OM)" - понижающий трансформатор для питания двухфазной нагрузки аппаратуры РЦ, "RC Devices" - двухфазная электрическая нагрузка (мощность) аппаратуры РЦ.
Электромагнитные помехи при 12-ти пульсовых выпрямителях
Проанализируем данные на рисунке 4.2.а. При v=0 и /C2TJ-0 В питающей сети ПОкВ, выпрямителем генерируются гармоники напряжения порядков =11,13 с Ки=2,6% в питающих цепях аппаратуры РЦ. Появление гармоник v=5,7 в напряжении питающей сети существенно увеличивает значение коэффициента Kv- (на 45%) по сравнению с v=0, и расширяет гармонический состав напряжения U Q. Присутствие в питающей сети гармоник v=ll,13, наоборот уменьшает значение коэффициента A\j (на 42%) за счет того, что эти гармоники напряжения компенсируются гармониками того же порядка, сгенерированными выпрямителем тяговой подстанции (=11,13) и находящимися в противофазе. Наличие в питающей сети гармоник напряжения v=5,7,11,13 увеличивает значение коэффициента Кц (на 19%) по сравнению с условиями, когда v=0, что обусловлено появлением гармоник "5,7, сгенерированных выпрямителем, и уменьшением значений гармоник =11,13, скомпенсированных выпрямителем, по сравнению со значениями гармоник v=l 1,13 в питающей сети. Несимметрия напряжения питающей сети (KJU—2%) хоть и создает гармоники в цепи выпрямленного напряжения, но практически не влияет на значение гармоник питающей цепи аппаратуры РЦ. Таким образом, для заданных условий расчетов, при использовании 12-ти пульсового выпрямителя, наличие в питающей сети гармоник порядков v=5,7 оказывает негативное, a v=ll,13 - позитивное влияние на качество электроэнергии питающих цепей аппаратуры РЦ, выраженное коэффициентом Ки.
Наличие двух единиц ЭПС, синхронно двигающихся в режиме тяги на рассматриваемом участке, существенно увеличивает потребляемую мощность и ток, протекающий по выпрямителю, что, в свою очередь, увеличивает влияние выпрямителя на качество сетевого тока и напряжения, как показано на рисунке 4.2.6. Несмотря на то, что между значениями коэффициентов Кц и Кщ сохранились приблизительно те же пропорции, количественно они значительно увеличились (Ки выросло на 42%), что соответствует математической модели работы выпрямителя, описанной в [18, 12]. Отметим, что увеличение значений коэффициентов Ки и щд не пропорционально увеличению тягового тока /j.
Результаты расчета влияния гармоник напряжения питающей сети порядков v=17,19,23,25 на качество электроэнергии в питающих цепях аппаратуры РЦ (а так же прочих нетяговых потребителей), представлены на рисунке 4.3. На рисунке 4.3.Я показаны коэффициенты Kv и Кщ в питающей цепи аппаратуры РЦ (/Рц), а на рисунке 4.3.6 - значения тех же коэффициентов, но зафиксированных на шине 10 кВ подстанции (Цщ),
Качество напряжения при v=0 на рисунке 4.3. я аналогично такому же случаю, показанному на рисунке 4.2.а. При появлении в питающей цепи гармоник напряжения порядков v=l 1,13,23,25, в шине подстанции сохраняется тот же гармонический состав (=12-А±1), но значения гармоник f изменяются: ==11,13 уменьшаются, =23,25 увеличиваются, Кц уменьшается на 38% по сравнению с v=0. Наличие гармоник v=5,7,17,19, наоборот, значительно (на 46%) увеличивает Кц.
Значения отдельных гармоник напряжения и суммарного коэффициента Ки в цепи шины ЮкВ подстанции /ш (рисунок 4.3.6) пропорционально больше соответствующих величин в цепи аппаратуры РЦ (рисунок 4.3.а). Это обусловлено сглаживающим эффектом гальванической развязки, обусловленной каскадным соединением понижающих (ТСН) и повышающих (ТСЦБ) трансформаторов [29], установленных между этими цепями (рисунок 2.1).
Из рисунков 4.2 и 4.3 видно, что наибольшее значение коэффициента Кц появляется в цепи шины 10 кВ подстанции, так как эта цепь непосредственно присоединяется к первичной стороне тягового трансформатора, имеющего выпрямитель на вторичной стороне: чем больше тяговый ток, тем выше коэффициент. Тем не менее, на значение К-ц влияет не только величина тягового тока, но и мощность короткого замыкания питающей сети 110 кВ (SK3), которая связана с сопротивлением питающей сети (АлсХ которая рассчитывается по формуле (3.1). Согласно законам электротехники, чем больше мощность источника (меньше сопротивление), тем меньше уровень напряжения сети подвержено колебаниям. Таким образом, при равном потребляемом сетевом токе, на шине 10 кВ подстанции искажение напряжения должно быть меньше и, следовательно, коэффициент Кц должен быть меньше.
Мощность (сопротивление) питающей сети варьируется в зависимости от системы внешнего электроснабжения (уровень напряжения), расположения тяговой подстанции (тип, удаленность от электростанции) и других факторов. Очевидно, что все возможные случаи, при которых мощность питающей сети принимает различные значения, рассмотреть невозможно. Для количественного определения зависимости коэффициента Ки от мощности сети SK3, было проведено моделирование с условиями, аналогичными условиям экспериментов і-5, описанными в таблице 4.2, при этом значение мощности S изменялось на 50% в сторону уменьшения и на 50%) в сторону увеличения от исходного значения: 5КЗ(3-750 МВ-А и 5 -3000 МВ-А. Результаты моделирования для указанных уровней мощности к.з. показаны на рисунках 4.4 и 4.5 соответственно.
Из рисунка 4.4 видно, что, как и следовало ожидать, при уменьшении мощности 5К.,(3) на 50% (с 1500 МВ-А до 750 МВ-А), значения коэффициентов Кц и Кщ} увеличились. Увеличение Ки в этом случае составило примерно 13%. При этом, пропорции коэффициентов между цепями шины ТП напряжением 10 кВ и питающей цепи РІД напряжением 220 В и все закономерности, описанные ранее для рисунков 4.2 и 4.3 остались прежними. Это также справедливо и для результатов экспериментов, представленных на рисунке 4.5, где, хоть значения коэффициентов А и и уменьшились на 4% (вследствие повышения SK3 сети на 50%), сохранились те же соотношения между гармониками из питающей сети 110 кВ и гармониками выпрямителя..
Таким образом, качество напряжения питающей сети влияет на качество напряжения на шине подстанции и в питающей цепи аппаратуры РЦ в существенно большей степени, чем влияет мощность питающей сети, что следует из количественного сравнения, представленного выше.
На рисунках 4.2-4.5 было показано, что при наличии в питающей сети ПОкВ гармоник порядков v= 11,13, и в результате работы 12-пульсового выпрямителя, которые генерирует гармоники этих же порядков, гармоники порядков 11,13 компенсируют друг друга на шине 10 кВ тяговой подстанции, в результате чего величина этих гармоник падает. Такой эффект обусловлен тем, что гармоники в питающей сети находятся в противофазе к тем, которые генерируются выпрямителем. Для исследования влияния фазы гармоник, рассмотрим противоположный эффект — когда гармоники будут накладываться друг на друга. Для этого, изменим последовательность чередования фаз гармоник: зададим прямую последовательность (вместо обратной) для гармоник порядков v=6k—\ и v=12&—1 и обратную последовательность (вместо прямой) для гармоник v=6&+l и v=12AH-l. Результаты моделирования ЭМП при таких условиях представлены на рисунке 4.6.
