Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние тягового тока на автоблокировку с рельсовыми цепями тональной частоты 9
1.1. Электромагнитная совместимость тяговой сети со смежными коммуникациями 9
1.2. Характеристика факторов, определяющих влияние тяговой сети на работу автоблокировки 12
1.3. Исследования электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока на смежные электротехнические коммуникации 18
1.4. Влияние гармоник тягового тока на работу аппаратуры автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты 21
1.5. Выводы 26
2. Гармонический состав тягового тока при работе выпрямителей подстанций на тяговую сеть 28
2.1. Сопротивление тяговой сети постоянного тока в спектре частот 28
2.2. Методика определения гармонического состава тока тяговой сети 32
2.3. Гармонический состав тягового тока при различных схемах питания тяговой сети 40
2.3.1. Гармонический состав тягового тока при консольной схеме питания тяговой сети 40
2.3.2. Гармонический состав тягового тока при двухстрронней схеме питания тяговой сети однопутного участка 44
2.3.3. Гармонический состав тягового тока при двухсторонних схемах питания тяговой сети двухпутного участка 48
2.4. Выводы 52
3. Определение помех, вызванных протеканием тягового тока высокой частоты в рельсовой цепи 53
3.1. Сопротивление рельсовой цепи с учетом переходного сопротивления «рельс-земля» 53
3.2. Распределение тягового тока вдоль рельсовой цепи 61
3.3. Определение максимального значения помехи, вызванного протеканием тягового тока 65
3.4. Выводы 70
4. Выбор схем и параметров сглаживающих фильтров на участках постоянного тока при автоблокировке с тональными рельсовыми цепями 71
4.1. Сглаживающие фильтры тяговых подстанций постоянного тока 71
4.1.1. Оценка условий возникновения резонанса, вызванного применением сглаживающих фильтров с апериодической параллельной частью 75
4.2. Определение параметров сглаживающих фильтров для участков с тональными рельсовыми цепями 79
4.2.1. Определение параметров сглаживающих фильтров по условию снижения опасного влияния на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями 80
4.2.2. Определение параметров сглаживающих фильтров по условию защиты линий связи от мешающего влияния 83
4.3. Выбор схем и параметров сглаживающих фильтров на участках с тональными рельсовыми цепями 86
4.5. Выводы 89
5. Экспериментальные исследования эффективности однозвенного апериодического сглаживающего фильтра с запирающим контуром 600 ГЦ 90
5.1. Методика исследования 90
5.1.1. Методика лабораторных исследований 91
5.1.2. Методика исследований на действующем оборудовании тяговой подстанции 94
5.2. Результаты экспериментальных исследований . 97
5.2.1. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке 97
5.2.2 Результаты экспериментальных исследований на действующем оборудо
вании тяговой подстанции 99
5.3. Экономический эффект от внедрения однозвенного апериодического сглаживающего фильтра с запирающим контуром 600 Гц на участках при автоблокировке с тональными рельсовыми цепями 106
5.4. Выводы 109
Заключение 110
Библиогрфический список 114
- Исследования электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока на смежные электротехнические коммуникации
- Гармонический состав тягового тока при двухстрронней схеме питания тяговой сети однопутного участка
- Определение максимального значения помехи, вызванного протеканием тягового тока
- Определение параметров сглаживающих фильтров по условию снижения опасного влияния на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями
Введение к работе
Железнодорожный транспорт является одной из основных отраслей народного хозяйства России. Потребление электроэнергии железными дорогами России в 2002 г. составило 37531 млн кВт-ч, что выше уровня 2001 г. на 4,5 %, в том числе на тягу поездов - 31055,3 млн кВт-ч (увеличение на 5,1 %). При этом объем перевозок увеличился на 4,3 %, в том числе на электротяге - на 6,9 %. За счет ввода новых электрифицированных участков доля работы на электротяге возросла до 82,3 % против 80,9 % в 2001 г. (рост- на 1,4 %).
Доля МПС в структуре электропотребления по России составила 5,7 % (против 5,8 % в 2000 г.), в том числе на электротяге - 4,7 % (против 4,8 % в 2000 г.). Увеличение переработки электрической энергии железными дорогами Российской Федерации обостряет проблему электромагнитной совместимости системы тягового электроснабжения со смежными электротехническими коммуникациями.
Преобразование электрической энергии выпрямительными (выпрями-телыю-инверторными) афегатами 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.
В соответствии с принятой МПС России Профаммой ускоренного технического и технологического перевооружения хозяйства сигнализации, централизации и блокировки железных дорог [73] на период 2002 - 2005 гг. в качестве датчиков местоположения поезда отдается предпочтение использованию рельсовых цепей тонального диапазона, что обусловлено их большей эффективностью по сравнению с обычными низкочастотными рельсовыми цепями. На основании имеющейся информации об эксплуатации этих рельсовых цепей, в частности на Западно-Сибирской железной дороге, можно произвести оценку как их эффективности, так и необходимых мер для снижения вероятности возникновения опасных отказов. Необходимость доработки системы вызвана случая-
ми появления ложной занятости по причине недостаточной помехозащищенности путевых приемников тональных рельсовых цепей. Одной из причин этого является влияние системы тягового электроснабжения.
Применение автоблокировки, использующей тональные рельсовые цепи, формирует новые требования к электромагнитной совместимости с системой тягового электроснабжения как переменного, так и постоянного тока.
Цель работы. Целью настоящей работы является обеспечение снижения влияния тяговой сети постоянного тока на работу автоблокировки с тональными рельсовыми цепями за счет применения сглаживающих фильтров, подавляющих наиболее опасные гармоники, и адаптации их параметров для новых условий электромагнитной совместимости.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи: ) ,
проанализировать основные факторы, определяющие влияние тягового тока на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями, и оценить влияние, которое оказывают помехи от протекания тягового тока на работу путевого приемника автоблокировки;
разработать методику расчета гармонического состава тока при работе выпрямителей смежных тяговых подстанций на тяговую сеть и оценить влияние параметров тяговой нагрузки и схем питания тяговой сети на величину гармоник выпрямленного тока;
усовершенствовать методику определения максимально возможного значения напряжения помехи, сформировать требования к уровню допустимого напряжения наиболее опасных гармоник на выходе сглаживающего фильтра по условию снижения опасного влияния на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями;
разработать и реализовать новые технические решения, обеспечивающие снижение влияния тяговой сети на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями;
провести экспериментальные исследования технической эффективности и определить экономическую эффективность от внедрения предлагаемого сглаживающего фильтра для участков постоянного тока при автоблокировке с рельсовыми цепями тональной частоты. ,
Методика исследования. В работе использованы теоретические и экспе
риментальные методы исследования. Гармонический анализ тока выпрямителей
при работе на тяговую сеть выполнялся путем разложения периодической
функции в ряд Фурье. Расчеты выполнены с использованием разработанного
пакета программ для ПЭВМ, составленного на базе пакетов Matlab 6.5 и Math-
cad 2001 і. Для численного интегрирования с аналитически заданной подынте
гральной функцией при программировании использовался метод трапеций. То
ки п-й гармоники, протекающие в тяговой сети постоянного тока, определены
методом контурных токов. Корни системы линейных алгебраических уравнений
найдены с использованием метода Гаусса. При составлении схем замещения тя
говой сети и рельсовой цепи с учетом сопротивления перехода «рельс-земля»
использованы основные положения теории четырехполюсников. Эксперимен
тальные исследования эффективности предложенного сглаживающего фильтра
при различных нагрузочных режимах работы выпрямителя проведены на лабо
раторной установке и действующем оборудовании тяговой подстанции магист-
ральной электрической железной дороги. ,
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена методика определения гармонического состава тока с учетом местоположения тяговой нагрузки на межподстанционной зоне, специфики схем питания тяговой сети, распределенного характера параметров тяговой сети, возможной несимметрии и несинусоидалыюсти напряжения питающей сети переменного тока;
выявлены основные факторы, оказывающие влияние на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями;
сформировано требование к сглаживающим фильтрам на участках посто-янного тока при автоблонировке с тональными рельсовыми цепями;
теоретически обоснована и экспериментальна подтверждена эффективность применения однозвенного апериодического сглаживающего фильтра с запирающим контуром 600 Гц для участков постоянного тока при автоблокировке с тональными рельсовыми цепями.
Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на лабораторной установке и действующем оборудовании тяговой подстанции.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Использование предложенной методики позволяет определить гармонический состав тока при работе смежных тяговых подстанций на тяговую сеть для определения степени влияния тягового тока на смежные электротехнические коммуникации.
Схема однозвенного апериодического сглаживающего фильтра с запи
рающим контуром 600 Гц принята для внедрения на полигоне электрифициро
ванных участков с тональными рельсовыми цепями Западно-Сибирской желез
ной дороге. (
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсу
ждались на научно-техническом симпозиуме «Eltrans-2001» (Санкт-Петер-бург,
2000 г.); II международной научно-технической конференции «Современные
научно-технические проблемы транспорта в России» (Ульяновск, 2002 г.); на
учно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособ
ленных предприятиях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2003
г.); заседаниях научно-технического семинара кафедры «Электроснабжение
железнодорожного транспорта» ОмГУПСа (Омск, 2000 — 2004 гг.); научно-
техническом семинаре кафедр ОмГУПСа (Омск, 2004 г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано: депонированных рукописей - 1, статей в научных сборниках с международным участием - 5, статей в межвузовских сборниках - 2, тезисов докладов — 2. Получено два патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 123 страницы печатного текста, 37 рисунков, 21 таблицу и состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка (102 наименований) и семи приложений на 59 страницах.
Исследования электромагнитного влияния тяговой сети постоянного тока на смежные электротехнические коммуникации
Исследования влияния тяговой сети на смежные коммуникации можно разделить на рассмотрение гармонического состава в выпрямленном напряжении и тяговом токе, определение возможного уровня помех, разработку схем и выбор параметров СФ.
Специфика исследования гармонического состава в токе тяговой сети постоянного тока заключается в том, как учитывались режим работы выпрямителей тяговых подстанций и питающих напряжений, местоположение тяговой нагрузки (электровоза) и в формировании математической модели тяговой сети.
Исследованию гармонического состава в выпрямленном токе посвящены работы Круга К. А. [54] , Шляпошникова Б. М. [52]} Неймана Л. Р. [26, 53], Блавдзиевича Г. И., Каганова И. Л. [55], Поссе А. В. [51], Глинтерника С. Р. [24], Снарского А.А [40] и др. Анализ электромагнитных процессов в статических преобразователях позволил установить основные закономерности формирования тока на выходе выпрямителя при симметричных и синусоидальных питающих напряжениях. Определены расчетные формулы основных характеристик выпрямителя, которые во многом обусловливают форму тока и напряжения, выполнено теоретическое построение формы тока выпрямителя. Однако такой подход не позволял учесть возможность резонанса гармоник тока.
Анализ электромагнитных процессов в выпрямителе усложняется при учете несимметрии и не синусоидальности питающих напряжений. Проблеме гармонического анализа кривой напряжения на выходе многопульсового выпрямителя при несимметричных и несинусоидальных питающих напряжениях посвящены работы Шляпошникова Б. М. [27], Трейваса М. Д. [29], Поссе А. В. [27], Шидловского А. К. [15], Шалимова М. Г. [30], Пинцова А. М. [25], Мацеи-ко В. П. [13,14,31-33], Низова А. С. [35], Ковалевой Т. В. [16-18] и др. Авторы исследований гармонического состава в тяговом токе при несимметричных и несинусоидальных питающих напряжениях на сегодняшний день, полагают, что тяговый ток абсолютно сглажен, т. е. индуктивное сопротивление тяговой сети много больше сопротивления цепи протекания анодного тока преобразователя. На самом деле гармоники выпрямленного напряжения обусловливают протекание высших гармонических в тяговом токе, т. к. сопротивление тяговой сети конечно, и в некоторых случаях эти токи достигают больших значений.
Учет емкости и ее распределенного характера позволил в работах Михайлова В. А. [45] и Требиной Е. Г. [23] составить модель тяговой сети, учитывающую возможные резонансы гармоник в тяговой сети. Сопротивление тяговой сети представлялось1 как сопротивление однородной линии с распределенными параметрами, тяговый ток определялся через отношение векторной разности напряжений смежных тяговых подстанций к сопротивлению тяговой сети. Это позволило определить, что емкостное сопротивление тяговой сети может вызывать появление резонанса гармоник тока диапазона 50 - 150 Гц, которые воздействуют на кодовую автоблокировку частотой 50 (25) Гц. В работах не учитывался сложный характер изменения гармонического состава тягового тока при движении тяговой нагрузки и специфика схемы питания тяговой сети, что не позволяет оценить реальную картину распределения тока в тяговой сети.
Разработке, исследованию и внедрению СФ посвящены работы отечественных ученых Фетисова1 Н. М. [21], Соловьева В. A.i [36], Трейваса М. Д. [29], Чернышева М. А. [37], Маценко В. П. [38-39,41-42], Михайлова В. А. [43] и зарубежных авторов Аррилага Дж [5], Anteo Muzio [44], Miller R. [46], Zickler [57], Magnusson Philip [34], Gilsig Toby [84], Parker A. M. [85], Beriger Gonrad [86], Bala C.V. [87], Yeise H. [88], Киносита Токаси [89] др. Ведущими организациями - разработчиками СФ в нашей стране является МГУПС, ОмГУПС, ВНИИЖТ, уральское отделение ВНИИЖТа, среди зарубежных фирм -Mitsubicy Denny (Япония); Philips Patenverwaltung GmbH и Siemens AG (Германия) [46].
ВНИИЖТом и ОмИИТом в 1961-67 гг. проведены всесторонние исследования по улучшению схем СФ и выявлены возможности применения на тяговых подстанциях резонансно-апериодических СФ [1]. В результате чего были предложены схемы Западно-Сибирской железной дороги и ВНИИЖТа.
В 80 - 90 х гг. наметилась тенденция каблирования линий связи, находящихся в зоне влияния электрифицированных железных дорог, что позволило упростить СФ тяговых подстанций, снизить их стоимость [48]. На итальянских железных дорогах с 40-х годов применяется аперибдический фильтр [44]. В нашей стране исследование и эксплуатация таких схем СФ начаты в 60-е годы. Исследования и опыт эксплуатации позволили сформулировать основные требования, которым должны удовлетворять сглаживающие фильтры [61]: 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 при длительности воздействия tB 1 с не должно превышать 100 В. Последнее требование относится прежде всего, к гармонике частотой 100 Гц. Если другие гармоники достигнут значения выше 100 В на выходе фильтра не будет выполняться условие по снижению псофометрического напряжения на выходе фильтра до уровня 4 В. Выбор схем и параметров фильтров определяется вышеуказанными требованиями. При этом схемное решение фильтра должно быть как можно более простым и экономичным, чтобы обеспечивать минимально возможные капитальные вложения и эксплуатационные расходы. На сегодняшний день наиболее перспективным являются однозвенные фильтры вследствие своей простоты и экономичности. Существующие требования к СФ по снижению опасного влияния на автоблокировку на участках с тональными рельсовыми цепями должны учитывать специфику влияния оказываемого тяговой сетью. Требования, разработанные для автоблокировок низкой частоты 25(50) Гц, нельзя распространить на рельсовые цепи тонального диапазона, так как недостаточно изучено влияние на них тяговой сети постоянного тока. Таким образом, направление исследования связано с установлением степени влияния вышеперечисленных факторов на величину напряжения помехи, расчетом максимально возможных значений этого напряжения и формирования требований к уровню наиболее опасных гармоник на выходе фильтров по усло вию снижению опасного влияния на автоблокировку, выбором схем и парамет ров СФ.
Гармонический состав тягового тока при двухстрронней схеме питания тяговой сети однопутного участка
Гармоники высших нюрядков (f(n) 600 Гц) резонируют в тяговой сети при движении электровоза. Наибольший удельный вес при этом имеют канонические гармоники. Для шестипульсового выпрямителя это гармоники кратные 6, для двенадцатипульсового - кратные 12. Резонанс обусловлен наличием емкости тяговой сети. При движении электровоза реактивные сопротивления в цепи между электровозом и подстанцией А, электровозом и подстанцией В постоянно перераспределяются. Если полное индуктивное сопротивление первой или второй цепи равно емкостному сопротивлению для данной гармоники тока наступает резонанс, при котором ток ограничивается только активным сопротивлением цепи. В случае резонанса ток, протекающий в цепи электровоза, сильно отличается от тока тяговой подстанции, вследствие наличия емкостной составляющей сопротивления тяговой цепи. Полный ток тяговой подстанции перераспределяется обратно пропорционально активным сопротивлениям цепей протекания контурных токов (см. рис. 2.5). Значение гармоник, протекающих через емкостную составляющую тяговой сети, может превышать величину гармоник, циркулирующих в цепи электровоза, если активное сопротивление этой цепи меньше, чем в цепи протекания гармоник тока электровоза. Обратим внимание на величину наиболее опасных гармоник с точки зрения влияния на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями. Гармоники частотой 400 и 500 Гц при рассмотренной схеме питания не резонируют. Эти гармоники являются неканоническими, т. е. их нет, если напряжения, питающие выпрямитель, синусоидальны и симметричны. Поэтому на величину этих гармоник оказывает влияние степень несимметрии и несинуосидальности напряжений. Так при шестипульсовом выпрямителе и уровне несимметрии, не превышающем 2 %, действующее значение гармоники тока электровоза частотой 400 Гц не превышает 2,03 А, а при увеличении уровня несимметрии до 10 % - не превышает 6,56 А (см. табл. 2.2). При отдалении электровоза от тяговой подстанции гармоника 400 Гц плавно затухает, имея значение 0,25 и 0,87 А, а гармоника 500 Гц - 0,22 и 1,12 А соответственно при несимметрии напряжений, питающих выпрямитель, 2 % и 10 %. Двенадцатая гармоника тока является единственной из опасных, которая резонирует в тяговой сети при движении электровоза при рассматриваемой схеме питания. В случае если электровоз находится на расстоянии 1,3 км от тяговой подстанции и длине межподстанциошюй зрны 26 км, двенадцатая гармоника тягового тока резко усиливается, что обусловлено наличием но наличием резонанса на этой гармонике при таком местоположении электровоза. Нужно учесть, что двенадцатая гармоника является канонической, и она всегда присутствует в тяговом токе при шести- и двенадцатипульсовых выпрямителях тяговой подстанции, причем ее удельный вес, определяемый соответствующей гармоникой выпрямленного напряжения, по сравнению с 8 и 10 гармоникой наибольший. Известно [14 - 18], что удельный вес канонических гармоник напряжения с увеличением уровня несимметрии снижается. Это обусловливает то, что на станциях стыкования уровень двенадцатой гармоники тягового тока по сравнению с ее уровнем на обычных тяговых подстанциях более низкий. Так при шестипульсовом выпрямителе гармоника тока электровоза частотой 600 Гц при резонансе достигает величины 268,04 Л, в то время как при уровне несимметрии 10 % ее значение не превышает 155,36 А.
Определим, как влияет количество электровозов на гармонический состав в тяговом токе. Пусть на межподстанционной зоне находятся два электровоза: один двигается от тяговой подстанции А в сторону подстанции В, другой - находится на конце консоли. Оба электровоза потребляют одинаковый ток, равный половине максимального тока выпрямителя тяговой подстанции А. Общий ток потребляемый тяговой подстанцией А в этом режиме будет равен максимальному значению, т.е. как и в выше рассмотренном случае.
Сравнивая результаты расчетов при одном и двух электровозах (приложение А рис. А.1. - А.4. с рис. А.5) следует отметить, что в обоих случаях гармоники, не резонирующие в тяговой сети, имеют одинаковые значения, однако если при одном электровозе резонировали гармоники, начиная с двенадцатой, то при двух электровозах усиливаются гармоники с порядковыми номерами большими двадцати. При этом если сравнивать величину резонирующих гармоник, их абсолютные значения при двух электровозах ниже, чем при одном, что объясняется наличием индуктивности электровоза, шунтирующей емкость тяговой сети. При двух электровозах увеличивается индуктивность между тяговой сетью и землей, что обусловливает некоторое демпфирование емкости тяговой сети и приводит к снижению амплитудных значений резонирующих гармоник. Поэтому в дальнейших расчетах будем рассматривать случай когда на межподстанционной зоне находится один электровоз, так как в этом случае наиболее опасные гармоники - восьмая, десятая и двенадцатая достигают наибольших значений.
Анализ результатов расчета максимальных действующих значений для п-й гармоники тягового тока (см. табл. 2.2) позволяет установить ряд закономерностей: - схема выпрямителя тяговой подстанции не влияет условия резонанса тока в тяговой сети; -увеличение длины межподстанционной зоны приводит к тому, что в тяговой сети резонируют гармоники более низких порядков. Результаты расчета гармонического состава тягового тока при двухсторонней схеме питания тяговой сети однопутного участка представлены в табл. 2.3. При двухсторонней схеме питания тяговой сети однопутного участка тяговый ток можно разделить на две составляющие. Первая составляющая определяется величиной тяговой нагрузки и в основном зависит от сопротивления цепи электровоза, вторая - векторной разностью напряжений смежных тяговых подстанций. Вторую составляющую можно называть «уравнительным током» лишь условно, так как его протекание в реальных условиях затруднено вследствие вентильных конструкций выпрямителей тяговых подстанций.
Первая составляющая тягового тока подстанций не превышает значения гармоники тока электровоза, и она снижается, если электровоз отдаляется от подстанции. Вторая составляющая зависит от схемы выпрямления и положения электровоза на межподстанционной зоне. Этот ток будет иметь максимальное значение, если электровоз находится вблизи одной из тяговых подстанций, при этом схемы выпрямления тяговых подстанций, питающих тяговую сеть, различны, например, на одной - двенадцатипульсовая, а на другой шестипульсо-вая. В этом случае за счет того, что весь ток тяговой нагрузки будет потребляться от одной подстанции, гармоники выпрямленного напряжения этой подстанции будут иметь существенно более высокие значения по сравнению с гармониками соседней тяговой подстанции.
Определение максимального значения помехи, вызванного протеканием тягового тока
Другим предложением является однозвенный апериодический сглаживающий фильтр с запирающим контуром 600 Гц [83], содержащий емкость в параллельной части. В последовательной части параллельно реактору, в зависимости от величины его индуктивности, подключается емкость такой величины, чтобы частота настройки запирающего контура составляла 600 Гц.
При использовании предлагаемого фильтра необходимо учитывать, что в цепь емкости, образующей запирающий контур 600 Гц, недопустимо подключать регулировочную индуктивность для более точной настройки контура, так как в этом случае частотная характеристика фильтра изменяется за счет появ-ления дополнительного резонансного контура, что приводит к резкому ухудшению сглаживания гармоник выпрямленного напряжения. Количество конденсаторов, образующих емкость запирающего контура, зависит от максимального тока, протекающего в этом контуре, и возможного максимального напряжения на реакторе. Максимальный ток можно определить из условия, что все напряжение гармоники частотой 600 Гц прикладывается к реактору. В этом случае ток, циркулирующий в запирающем контуре, ограничивается сопротивлением реактора на частоте двенадцатой гармоники и может быть определен по выражению Максимальное напряжение будет возникать при отключении близкого короткого замыкания. В этом случае на реакторе возникает значительная ЭДС, которая может быть определена по следующей формуле Результаты расчетов максимальных значений тока и напряжения, воздействующих на конденсаторы запирающего контура, приведены в табл. 4.1. Для конденсаторов сглаживающих фильтров регламентировано значение тока на 1 мкФ, например, для частоты 600 Гц оно равно 1,44 А. Таким образом, можно выбрать количество параллельно и последовательно включенных конденсаторов в запирающем контуре. Заметим, что применение значительных емкостей в апериодической части СФ может привести к резонансу на опасных гармониках. Так в работах [23, 43] показана возможность резонанса гармоники 100 Гц при СФ с апериодической частью. Определим, существует ли возможность резонанса на наиболее опасных гармониках, обусловленная применением емкостей в апериодической части СФ.
Пусть тяговая сеть питается консольно от тяговой подстанции А. Тогда в схеме замещения сети постоянного тока между подстанциями А и Б при наличие одного электровоза емкость тяговой сети не учитывается вследствие ее малого значения по сравнению с емкостью апериодической части фильтра С. Рассмотрим вариант питания тяговой сети от выпрямителя тяговой подстанции А, представленного генератором ЭДС гармоник Е{П). Как было показано во втором разделе, при консольной схеме питания может происходить резкое увеличение действующего значения гармоники тока частотой 600 Гц. Поэтому в качестве расчетной схемы представим консольную схему питания как потенциально наиболее характерную для возникновения резонанса на низких частотах. При консольной схеме питания, если не учитывать емкость тяговой сети, индуктивностью между электровозом и тяговой подстанцией Б можно пренебречь. Схема замещения при этом примет вид, приведенный на рис.4.2.
Входное сопротивление току тяговой подстанции А при однозвенном апериодическом сглаживающим фильтре можно определить по формуле:Аналогичным образом для однозвенного апериодического СФ с запирающим контуром 600 Гц получим выражение для определения частоты резонанса напряжений
Для расчета воспользуемся индуктивностями тяговой сети и электровоза, полученными ранее во втором разделе. Расчет выполняем для диапазона от х, равного нулю, т.е. электровоз располагается под шинами тяговой подстанции, до х, равного максимальной длине межподстанционной зоны. На Западно-Сибирской железной дороге для участков постоянного тока это 26 км.
Изменяя индуктивность реактора, внутреннюю индуктивность тяговой подстанции и емкость апериодической части СФ, определяем границы изменения частоты резонанса напряжений. Результаты расчета приведены на рис. 4.3.
Результаты расчета возможных частот резонанса напряжений по выражениям (4.7) и (4.8) при различных индуктивностях реактора, координате тяговой нагрузки х и емкости параллельной части позволили установить, что как апериодический фильтр, так и апериодический фильтр с запирающим контуром 600 Гц могут усиливать восьмую, десятую и двенадцатую гармоники тягового тока при емкости параллельной части от 10 до 90 мкФ. Однако использование емкостей вышеуказанного интервала недопустимо вследствие того, что любой из СФ, имеющий апериодическую часть, не удовлетворяет как первому, так и второму требованиям, предъявляемым к ним.
Определение параметров сглаживающих фильтров по условию снижения опасного влияния на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями
При двенадатипульсовом выпрямителе и воздушных линиях связи при коэффициенте несимметрии не выше 2% более предпочтительным является применение однозвенного апериодического СФ 6 запирающим контуром 600 Гц, так как требование по уровню псофометрического напряжения на выходе фильтра выполняется при индуктивности реактора от 3 до 7 мГн и емкости более 150 мкФ. В то время как для апериодического фильтра, при малых индуктивностях Lp, необходима более высокая емкость.
При двенадатипульсовом выпрямителе и воздушных линиях связи при коэффициенте несимметрии более 2 % однозвенный резонансно-апериодический СФ с частотой настройки контура 100 Гц является предпочтительным, так как уже при Lp= ЗмГн и емкости параллельной части более 370 мкФ выполняется второе требование. Псофометрическое напряжение на выходе других фильтров при данных параметрах вьшіе вследствие того, что при увеличении несимметрии напряжений существенно увеличивается значение гармоник, частотой 100 Гц, которые существенно влияют на эквивалентное мешающее напряжение на выходе СФ. При двенадатипульсовом выпрямителе и кабельных линиях связи наиболее рациональной схемой СФ является схема однозвенного апериодического СФ с запирающим контуром 600 Гц, так как требование выполняется при индуктивности реактора от 3 до 7 мГн при otu = 2%.
Определив необходимые параметры фильтров можно выбрать такие схемы СФ, которые не только обеспечивали бы выполнение необходимых требований, но при этом имели наиболее простую и экономичную конструкцию.
Выбор схемного решения для конкретной тяговой подстанции определяется характерными для нее уровнем несимметрии напряжений, величиной тока нагрузки и других условий, однако при таком подходе требуется неоправданно большие затраты времени, так в этом случае необходимо было бы повторить большинство расчетов проведенных выше. Поэтому в данном пункте даются общие рекомендации, для наиболее общих случаев. При необходимости произвести выбор для более специфических случаев расчеты приведенные в этой главе неооходимо произвести заново с учетом специфики поставленной задачи. При малой несимметрии питающих напряжений и воздушных линиях связи наиболее приемлемым сглаживающим фильтром на участках с ТРЦ является однозвенный апериодический с запирающим контуром 600 Гц (табл. 4.3). Так при индуктивности реактора Lp = 4,5 мГн необходимая емкость в случае шестипульсового выпрямителя составляет 800 мкФ и более, а использовать апериодический СФ при такой индуктивности реактора и шестипульсовых выпрямителях нельзя. При двенадцтипульсовых выпрямителях, как при малой (ссц = 2 %), так и более высокой несимметрии питающих напряжений наиболее целесообразен фильтр с запирающим контуром 600 Гц. Требуемое значение емкости в параллельной части при Lp = 3 мГн при этом должно быть не менее 280 мкФ, в то время как апериодический и резонансно-апериодический фильтры при такой индуктивности применять нельзя. При кабельных линиях связи как для шести-, так и для двенадцати пульсового выпрямителя наиболее приемлемым является фильтр с запирающим контуром 600 Гц. В месте стыкования участков тональных и низкочастотных рельсовых цепей при большой несимметрии питающих напряжений возможно применение только однозвенного резонансно-апериодического СФ с частотой настройки контура 100 Гц, так как остальным фильтрам, для того чтобы удовлетворить требованию по снижению гармоники частотой 100 Гц на выходе СФ до уровня ниже 100 В необходимо иметь недопустимо большую емкость в параллельной части. Таким образом, предлагаемый однозвенный апериодический сглаживающий фильтр с запирающим контуром 600 Гц является наиболее эффективным техническим решением для участков с тональными рельсовыми цепями. Получены выражения, которые позволили определить параметры сглаживающих фильтров с апериодической параллельной частью при которых возможен резонанс напряжений на частоте опасных гармоник, в результате чего установлено что резонанс возможен при емкости от 10 до 90 мкФ, что значительно меньше ее величины необходимой для выполнения к требований предъявляемых к сглаживающим фильтрам. Предложены новые схемные решения сглаживающих фильтров для участков с тональными рельсовыми цепями, дающие возможность снизить влияние тяговой сети на автоблокировку с ТРЦ. 2. Определены параметры сглаживающих фильтров для участков с тональными рельсовыми цепями, что позволяет произвести выбор фильтров по условию снижения опасного влияния на автоблокировку. 3. Проведенные расчеты показывают, что предлагаемый однозвенный сглаживающий фильтр с запирающим контуром 600 Гц является наиболее эффективным для участков с ТРЦ, так как он удовлетворяет всем требованиям, при меньшей емкости в параллельной и индуктивности реактора в последовательной части по сравнению с апериодическим. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении» кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университета путей сообщения и на тяговой подстанции Омск Западно-Сибирской железной дороги.
