CC BY
98
Общетехнические задачи и пути их решения 77
Макетные испытания этого
предложения подтвердили его
Библиографический список
1. Плавкий предохранитель - элемент силовой электронной техники / Д. Андроников // Силовая электроника. - 2007. - № 1. - С. 10-15.
2. Аппаратура СЦБ. Технологический процесс ремонта РМ32-ЦШ 09.11-82.Ч. II / утв. 11.08.81 В. И. Сироткиным. - М. : Транспорт, 1982. - С. 108.
3. Устройства СЦБ. Технология
обслуживания /утв. 25.12.1997
В. Д. Водяхиным. - М. : Транспорт, 1999. - 433 с. - ISBN 5-277-02068-3.
4. Анализ надежности контроля
срабатывания плавких предохранителей СЖАТ / А. М. Костроминов, Д. Л. Павлов, К. В. Варис // Материалы 66-й научно-технической
конференции СПбНТОРЭС им. А. С. Попова / ред. В. С. Гутин [и др.]. - СПб., 2011. - С. 102104.
5. Повышение надежности работы плавких
предохранителей в устройствах
работоспособность и реализуемость.
железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. Л. Павлов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2005. - Вып.
I. - С. 79-83.
6. Пат. 105085 Российская Федерация,
МПК Н 02 H 3/05. Устройство для контроля резервированного предохранителя /
Костроминов А. М., Костроминов А. А.,
Насонов Г. Ф., Шишков Н. А., Варис К. В.,
Гаврилов В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ПГУПС. - № 2011100589/07; заявл.
II. 01.2011; опубл. 27.05.2011, Бюл. № 15.
7. Пат. 105072 Российская Федерация,
МПК Н 01 H 85/00. Предохранитель с контролем срабатывания / Костроминов А. М., Костроминов А. А., Насонов Г. Ф.,
Шишков Н. А., Варис К. В., Гаврилов В. В. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ПГУПС. - № 2011100859/09; заявл. 12.01.2011; опубл. 27.05.2011, Бюл. № 15.
УДК 629.423.32
А. Н. Марикин, А. Т. Бурков, В. Г. Жемчугов, С. В. Кузьмин
Петербургский государственный университет путей сообщения
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ НА РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ СЦБ
Применение управляемых выпрямителей на тяговых подстанциях постоянного тока приводит к появлению неканонических гармоник в рельсовых цепях. Для выявления причин появления гармоник и степени их влияния на рельсовые цепи выполнено математическое моделирование для тяговой подстанции Хмелевка скоростной линии Санкт-Петербург -Москва.
преобразовательные агрегаты, тяговые подстанции постоянного тока, обратная тяговая сеть, неканонические гармоники.
Введение
В тяговой сети постоянного тока мешающее действие на устройства СЦБ и линии связи оказывает переменная составляющая напряжения и тока
контактной сети и рельсовой цепи [1]. Переменная составляющая возникает вследствие применения да-пульсовых выпрямительных агрегатов на тяговых
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 78
подстанциях и использования ЭПС с импульсным потреблением тока.
В ходе предварительных испытаний инфраструктуры энергоснабжения на скоростной линии Санкт-Петербург -Москва обнаружен недопустимый по нормам НБ ЖТ ЦТ 04-98 уровень мешающих гармоник тока в цепи отсоса тяговых подстанций при работе управляемых выпрямителей, приводящий к сбоям СЦБ и АЛС.
Указанные гармоники могут появляться при некоторых повреждениях в системе управления и в элементах
1 Цель исследований
Существующие сглаживающие
фильтры тяговых подстанций
неэффективны для подавления возникающих при этом низкочастотных гармоник.
При внешних однофазных коротких замыканиях выводов вентильной обмотки преобразовательных трансформаторов на внешний контур заземления тяговой подстанции максимально-токовые защиты совсем не чувствительны к возникающим при этом токам, так как их значение ограничивается значительными
переходными сопротивлениями тяговой подстанции и рельсовой сети относительно земли, имеющими большой
силовой схемы преобразователей, не являющихся аварийными для самих преобразователей, и на которые не реагируют обычные максимально-токовые и дифференциальные защиты. Это могут быть: исчезновение импульсов
управления, недостаточный ток управления из-за старения тиристоров и их неоткрытие, отклонение углов включения тиристоров
преобразовательного агрегата и внешние короткие замыкания вентильных обмоток на контур заземления подстанции.
разброс. Возникающие при этом токи могут протекать по рельсовым цепям и вызывать их повреждения, приводящие к сбою СЦБ и (или) АЛС, что напрямую влияет на безопасность движения поездов.
Поэтому необходимо:
- исследовать внешние и внутренние
повреждения преобразовательного
агрегата тяговой подстанции постоянного тока, приводящие к появлению недопустимых гармоник в обратной тяговой сети;
- оценить опасное и мешающее влияние тока обратной тяговой сети на работу рельсовых цепей СЦБ и АЛС.
2 Структура компьютерной математической модели
Выпрямительный преобразователь, как нелинейное звено электрической цепи, является источником высших гармонических составляющих. В частотном спектре выпрямленного напряжения и тока двенадцатипульсового выпрямителя наиболее существенными являются следующие гармоники [2]:
- гармоника с частотой 100 Гц, обусловленная наличием несимметрии питающего напряжения;
- гармоника с частотой 300 Гц, обусловленная неравенством линейных
напряжений вторичных обмоток преобразовательного трансформатора, соединенных в «звезду» и «треугольник»;
- гармоника с частотой 600 Г ц, обусловленная двенадцатипульсовой схемой выпрямления.
При нарушении симметрии одного из плеч выпрямителя возможно появление гармоники с частотой 50 Гц. К таким нарушениям относятся: нарушение
симметричности подачи отпирающих импульсов на тиристоры, значительные отклонения сопротивления одного из плеч
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 79
выпрямителя, например, вследствие некачественной затяжки соединительных болтов, различные внутренние и внешние повреждения одного из плеч выпрямителя, а также замыкание вторичных обмоток на землю [3].
Проводить экспериментальные исследования электромагнитных процессов в управляемых преобразователях весьма затруднительно. Поэтому в данном исследовании для определения влияния на гармонический состав выпрямленного напряжения и тока различных нарушений в работе выпрямителя использован метод
имитационного математического
моделирования. На тяговой подстанции ЭЧЭ-4 Хмелевка установлены преобразовательные агрегаты, состоящие из преобразовательного трансформатора ТРДТНП-20000/110ИУ1 и управляемого выпрямителя В-ПТЕ-3,15 к-4,0к-12У 3.
Для построения имитационной модели необходимо составить
структурную схему преобразовательного агрегата и определить все параметры его схемы замещения.
Структурная схема тягового преобразовательного агрегата приведена на рисунке 1.
К РУ-10 кВ
Рис. 1. Структурная схема преобразовательного агрегата
От энергосистемы с приведенной ЭДС Ес и приведенным сопротивлением Zc получает питание четырехобмоточный преобразовательный трансформатор Т. Вентильные обмотки
преобразовательного трансформатора Т, помимо основных выводов, имеют также ответвления с пониженным напряжением. От ответвлений вторичной обмотки питается базовая секция выпрямителя ИУб, от основных выводов -регулируемая секция выпрямителя ЦУр. Для сглаживания пульсаций
выпрямленного напряжения служит
апериодический фильтр, образованный индуктивностью Ld и конденсатором Сф. Для подавления гармоник напряжения с частотой 100 Гц предназначена резонансная цепочка L100-C100. Нагрузка преобразователя смоделирована активным сопротивлением контактной сети и электровоза^кс_э, индуктивностью L^ и противоЭДС тяговых двигателей электровоза Еэ.
Структурная схема имитационной модели тягового преобразователя представлена на рисунке 2.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Рис. 2. Структурная схема имитационной модели преобразователя
3 Результаты математического моделирования
Для исследования влияния
несимметричного режима к питающему напряжению было добавлено напряжение обратной последовательности,
изменяющееся по амплитуде от 0 до 0,03 Ц/1н, по углу - от минус 60 до плюс 60 эл. град. Как показали предварительные исследования, величина угла не оказывает значительного влияния на амплитуду гармоник. Для более глубокого рассмотрения были выбраны:
- гармоника с частотой 50 Гц, оказывающая значительное влияние на нормальную работу СЦБ и АЛС;
- гармоника с частотой 100 Гц, присутствие которой обусловлено несимметрией питающего напряжения.
На рисунках 3 и 4 показаны графики зависимости амплитуд гармоник 50 и 100 Гц от величины напряжения обратной последовательности.
В качестве несимметричного управления рассмотрена задержка подачи на тиристор отпирающего импульса и исследовано влияние длительности этой задержки на амплитуду гармоник тока тяговой подстанции (рис. 5 и 6).
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 81
Рис. 3. Зависимость амплитуды гармоники 50 Гц выпрямленного тока от величины напряжения обратной последовательности
Im гарм 100 Гц, А
Рис. 4. Зависимость амплитуды гармоники 100 Гц выпрямленного тока от величины напряжения обратной последовательности
Im гарм 50 Гц, А
Рис. 5. Зависимость амплитуды гармоники тока подстанции с частотой 50 Гц от угла задержки подачи отпирающего импульса
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 82
Рис. 6. Зависимость амплитуды гармоники тока подстанции с частотой 100 Гц от угла задержки подачи отпирающего импульса
Анализ расчетных зависимостей показывает, что при увеличении несимметрии питающего напряжения амплитуды гармоник линейно возрастают. Задержка подачи отпирающего импульса на тиристор приводит к увеличению амплитуды гармоник 50 и 100 Гц в выпрямленном токе подстанции, причем амплитуда гармоники 50 Гц растет более интенсивно и может достигать предельно допустимого для рельсовой цепи СЦБ значения 3,5 А.
В качестве несимметричности параметров силовой цепи преобразователя было рассмотрено увеличение
сопротивления одного его из плеч. В ходе вычислительных экспериментов на модели было исследовано изменение амплитуды гармоник тока подстанции при увеличении сопротивления одного из плеч от 0,21 мОм до 10,5 мОм. График зависимости амплитуд гармоник тока подстанции с частотой 50 Гц от сопротивления плеча выпрямителя представлен на рисунке 7.
Увеличение сопротивления плеча оказывает значительное влияние на амплитуду гармоник тока с частотой 50 Гц. Амплитуда остальных гармоник меняется незначительно.
К повреждениям преобразователя, вызывающим появление недопустимых гармоник, следует отнести пробой одного из плеч, блокирование (невключение) одного из плеч, а также замыкание вторичных обмоток на внешний контур заземления. Пробой плеча эффективно выявляется существующими защитами, поэтому далее не рассматривается.
Амплитуды гармоник тока подстанции, полученные при моделировании блокирования одного плеча, приведены в таблице.
ТАБЛИЦА. Амплитуды гармоник тока подстанции при исследовании режима блокирования одного плеча выпрямителя
Г армоника, Гц Амплитуда гармоники при выпрямленном токе, А
Id = 600 Id = 1200
50 202,2 320,1
100 0,54 1,09
150 18,61 23,33
200 5,75 9,17
300 0,90 1,68
600 1,4 2,48
Очевидно, что при блокировании плеча гармоника тока с частотой 50 Гц достигает чрезвычайно больших величин и представляет реальную опасность для устройств железнодорожной автоматики.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 83
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0,5 0
0 2 4 6 8 10 R пл. мОм
Im гарм 50 Гц, А
Рис. 7. Зависимость амплитуды гармоники тока подстанции с частотой 50 Гц от сопротивления плеча выпрямителя
Заключение
Проведенные теоретические
исследования показали, что основными повреждениями, приводящими к появлению на выходе выпрямителя неканонических гармоник, являются:
- несимметричное управление
тиристорами преобразователя;
- несимметричность электрических параметров силовой цепи преобразователя;
- блокирование (неотпирание) одного из плеч выпрямителя.
Исследованные повреждения, за исключением блокировки одного из плеч выпрямителя, не выявляются
существующими устройствами защиты. Поэтому для защиты устройств железнодорожной автоматики от
Библиографический список
1. Электроснабжение сигнальных точек СЦБ / И. О. Набойченко // Сборник научных трудов УрГУПС. - 2006. - № 44 (127). - С. 84-90.
2. Электронная техника и преобразователи : учебник для вузов ж.-д. трансп. / А. Т. Бурков. -М. : Транспорт, 1999. - 464 с.
аварийного повышения уровня гармоник на выходе выпрямительного
преобразователя должно быть
разработано устройство, непрерывно анализирующее гармонический состав тока подстанции. В зависимости от амплитуды и частоты контролируемых гармоник устройство должно выдавать
сигнал на отключение поврежденного выпрямительного агрегата или
сигнализировать персоналу о сбое в его работе. При этом в устройстве защиты должна быть предусмотрена блокировка от ложных срабатываний при коммутационных процессах на
электроподвижном составе и в тяговой сети.
3. Электромагнитная совместимость : учебник для вузов железнодорожного транспорта / М. П. Бадер. - М. : УМК МПС, 2002. - 638 с.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
