Оценка эффективности функционирования сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.331 : 621.311.015 : 621.316.925

В. Г. СИЧЕНКО, В. А. ЗУБЕНКО (ДПТ)

ОЦ1НКА ЕФЕКТИВНОСТ1 ФУНКЦ1ОНУВАННЯ ПАСИВНИХ ЗГЛАДЖУЮЧИХ Ф1ЛЬТР1В ТЯГОВИХ ШДСТАНЦШ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ

В CTarri наведеш результати експериментально1 оцiнки ефективностi функцюнування пасивних згла-джуючих фiльтрiв тягових шдстанцш постiйного струму.

В статье приведены результаты экспериментальной оценки эффективности функционирования пассивных сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока.

In this article the results of experimental estimation of functioning efficiency of the passive ripple filters of traction d.c. substations are presented.

Залiзничний транспорт вщноситься до клю-чових галузей народного господарства Украши та посщае перше мюце за вантажообшом i друге за пасажирообшом. В умовах нового етапу розвитку ринкових вщносин, пов'язаних зi вступом Украши до Свггово! оргашзаци торпв-лi, важливим фактором шдвищення ефективно-стi залiзничного транспорту залишаеться еко-номiя ресурав, насамперед палива i електро-енерги, витрати на якi становлять основну час-тину експлуатацiйних витрат. Питома вага залiзничного транспорту в загальному електро-споживаннi Украши становить 3,48 % (6,471 млрд кВт-год за 2007 р.). При цьому на елект-ричну тягу поiздiв витрачаеться 82,78 % (5,357 млрд кВт-год) [1].

На електрифшованих залiзницях Украши, довжина яких на даному етат складае бшя 10 тис. км, що становить близько 43 % загаль-ноi довжини залiзниць Украши, розповсю-дження одержали двi системи тягового елект-ропостачання:

- постшного струму напругою 3,3 кВ -4734,89 км;

- змшного однофазного струму частоти 50 Гц напругою 27 кВ - 4935,71 км.

Масова електрифшащя залiзниць Украши, а саме Швденно1", Придншровсько1', Донецькоi i Львiвськоi, на системi постiйного струму напругою 3,3 кВ прийшлася на середину 50-х роюв минулого стол^тя. Вибiр цiеi системи був обумовлений як станом i рiвнем розвитку вiтчизняноi промисловостi у загальному плаш, так i окремо електротехшчно1' галузi в частинi забезпечення електрифшаци необхiдним силовим електрообладнанням, матерiалами та електрорухомим складом.

Тяговi шдстанцп (ТП) електрифiкованих за-лiзниць постшного струму в основному облад-наш випрямними агрегатами, якi працюють по 6-пульсових схемах випрямлення змiнноi на-пруги: мостовiй i двi зворотш зiрки з вирiвню-вальним реактором. За симетрично1' напруги живильно1' лши змiнна складова на шинах тягового навантаження мютить гармонiки, кратш 300 Гц - 300, 600, 900, 1200 Гц i т.д. Однак, не-симетрiя фазових напруг живильних ЛЕП приводить до появи гармошк iз частотою, кратною 100 Гц, але не кратною 300 Гц - 100, 200, 400 Гц i т.д. У цей час на тягових шдстанщях розпочате застосування 12-пульсових випрям-лячiв, якi забезпечують полiпшення техшко-економiчних показникiв роботи системи тягового електропостачання. У реальних умовах перетворення електрично1' енергii спектральний склад випрямлено1' напруги 12-пульсового ви-прямляча також складаеться з гармошк iз частотами 100, 200, 300, 400 Гц i т.д., однак амп-лпудш значення итп зазначених гармошк ниж-че, нiж при 6-пульсових перетворювачах [2].

Живлення тягово1' мережi постiйного струму в Украш здiйснюеться вiд 211 стацюнар-них i 7 пересувних тягових шдстанцш. З тер-мiном служби бшьше 30 рокiв працюють 184 стацюнарних i 7 пересувних шдстанцш постшного струму. За рiвнем напруги зовшш-ньо1' енергомережi тяговi пiдстанцii постiйно-го струму отримують живлення напругою 6...10 кВ, 35 кВ, 110 кВ i 154...220 кВ. На ТП постшного струму глибокого вводу з первин-ною напругою 110 кВ i бшьше використову-еться, як правило, подвшна трансформацiя первинно1' напруги, що обумовлюе збшьшеш втрати електрично1' енергii. Техшчний стан ТП постiйного струму вщображаеться доско-

налютю основного силового електрооблад-нання ^ в першу чергу, досконалiстю пере-творювальних агрегатiв. На 211 стащонарних пiдстанцiях постiйного струму працюють 490 перетворювальних агрегатiв: 395 шт. 6-пульсних дiодних випрямлячiв, 95 шт. 12-пульсних випрямлячiв i 44 шт. тиристорних iнверторiв. Понад 50 % перетворювальних агрега^в типiв УВКЕ, ПВЕ-3, ПКВВ, ПВКЕ-2 з 6-пульсними схемами випрямлячiв вщпра-цювали свiй ресурс та пщлягають замiнi або модершзаци. Планами модершзаци господар-ства електрифшаци та електропостачання на 2007 - 2011 рр. передбачасться така модерш-защя з можливим переводом пiдстанцiй у ранг пщстанцш глибокого вводу та обов'язковим переходом на 12-пульсш схеми випрямлячiв з використанням однократно! трансформаци первинно! напруги [3].

За будь-яко! схеми випрямлення напруга, одержувана вщ перетворювальних агрегатiв, е пульсуючою, тобто представляе собою суму постшно! i змшно! складових, при цьому змш-ну складову можна представити як суму не-скiнченного ряду синусо!дальних напруг iз частотами, кратними частой пульсацiй. Вищi гар-мошйш складовi е основною причиною виник-нення перешкод у сумiжних лшях зв'язку, радiомовлення, рейкових колах залiзнично! си-гналiзацil i автоблокування. Таким чином, еле-ктрифiкацiя залiзничного транспорту системою постшного струму тiсно пов'язана iз проблемою забезпечення електромагштно! сумiсностi пристро!в електропостачання iз сумiжними електротехнiчними комунiкацiями. Вирiшення ще! проблеми вбачаеться у зменшенш до при-пустимого рiвня заважаючого впливу системи постшного струму на сумiжнi пристро!.

Основним заходом щодо зниження заважаючого впливу вищих гармонiйних складових випрямлено! напруги е встановлення на вшх ТП згладжуючих фiльтрiв (ЗФ), призначених для максимального зниження ампл^уд канонiчних гармонiк, властивих конкретнiй схемi випрямлення. На ТП, що використовують 6-пульсову схему випрямлення, рекомендуеться встанов-лення дволанцюгових резонансно-аперюди-чних ЗФ за схемою ВНД1ЗТ або за схемою За-хiдно-Сибiрськоl дороги. При використаннi 12-пульсових випрямлячiв рекомендуються од-

ноланцюговi аперiодичнi i резонансно-аперю-дичнi ЗФ [4].

Однак, проведеними дослiдженнями [5] встановлено, що на залiзницях постiйного струму застосовуються й iншi схеми ЗФ, при цьому:

- одноланцюговi фiльтри можуть мати реактор вщ 3 до 11 мГн, число резонансних конту-рiв вiд 2 до 7 i емнiсть аперiодичного ланцюжка 70 (350 мкФ);

- дволанцюговi фшьтри можуть виконувати-ся з шдивщуальними реакторами першо! ланки й зi сполученими, iндуктивнiсть реактора першо! ланки 5... 11 мГн, друго! ланки 3... 5 мГн, число резонансних контурiв вщ 1 до 10 i ем-нiсть аперюдичного ланцюжка 200.350 мкФ;

- одноланцюговi аперiодичнi фiльтри мають реактор 5.6,5 мГн i емнiсть 260.1500 мкФ;

- залежно вiд схеми фшьтра i типу застосо-вуваних конденсаторiв !хня кiлькiсть в одному ЗФ коливаеться вiд 15 до 200 шт.

Рiзноманiтнiсть схемних рiшень при вико-наннi ЗФ пiдтверджена нами при виконанш на-уково-дослiдно! роботи [6]. Зазначимо, що вс схемш рiшення ЗФ, при !х розробщ i проекту-ваннi, не враховували можливу несиметрiю i несинусо!дальнiсть живлячо! напруги. В той же час, у багатьох електричних системах, вщ яких одержують живлення ТП постшного струму, напруги е в бшьшому або меншому ступенi не-симетричними i несинусо!дальними залежно вiд кшькосп i потужностi однофазних i нел> нiйних навантажень, пiдключених до живиль-но! енергосистеми. Несиметрiя i несинусо!да-льнiсть живлячих напруг спотворюе форму криво! випрямлено! напруги, а отже, впливае на вибiр схеми i параметрiв ЗФ. ЗФ, обраний без врахування несиметрi! i несинусо!дальностi живлячих напруг, може в рядi випадюв не за-безпечити електромагнiтно! сумюност тягово! мережi й сумiжних електротехшчних пристро-!в, що призведе до порушення нормально! роботи лшш зв'язку i пристро!в автоблокування [7]. Результати дослщжень впливу якостi елек-троенергi! на рiвень гармонiйних складових у вщсмоктувальному фiдерi (ВФ) ТП за рiзних режимiв функцiонування i схем ЗФ на Львiвсь-кш, Донецькiй та Пiвденнiй залiзницях пред-ставленi на рис. 1 - 16. Коротка характеристика ТП, на яких проводились дослщження, наведена в табл. 1.

Таблиця 1

Характеристика тягових пщстанцш

ТП Р1вень живлячо! напруги, кВ Схема випрямлення Наявшсть 1нвертора Схема фшьтру Прим1тки

Л 110 6 + 2 ланцюги В робот1 одна ланка

С 110 6 + 2 ланцюги В робот1 одна ланка

О 110 6 - 2 ланцюги В робот1 одна ланка

З 35 12 - 1 ланцюг

24 22 20 8 6 4 2 0 8 6 4 2 О

шп

1 Э 5 7 Э 11 13 15 17 19 21 23 25 27 2Э 31 ЭЭ Э5 37 ЭЭ 41 4Э 45 47 43 51 53 55 57 53 61 БЭ

Рис. 1. Гармоншний склад струму ВФ ТП Л (випрямний режим; 16.11.2007 00:48;

КиА=1,8 %; Кив =1,7 %; Кис=1,6 %)

Рис. 2. Гармоншний склад струму ВФ ТП Л (шверторний режим; 16.11.2007 01:02;

КиА=1,8 %; Кив =1,8 %; Кис=1,8 %)

1 N П

"Я-Я-

13 5 7 9 11 13 15 17 19 21 2325 27 29 31 33 35 37 3941 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 БЗ

Рис. 3. Гармоншний склад струму ВФ ТП Л (випрямний режим; 16.11.2007 10:13; ЗФ вимкнено;

КиА =1,2 %; Кш =1,2 %; Кис =1,2 %)

Рис. 4. Гармоншний склад струму ВФ ТП Л (шверторний режим; 16.11.2007 10:35; ЗФ вимкнено; КиА =1,2 %; Кив =1,2 %; Кис =1,3 %)

I р, А

16

14 12 10

пппппп

Рис. 5. Гармоншний склад струму ВФ ТП Л (шверторний режим; 16.11.2007 11:10; ЗФ включено 2 ланки; Кил = 1,2 %; Кш = 1,5 %; Кис = 1,3 %)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 6. Гармоншний склад струму ВФ ТП С (випрямний режим; 16.11.2007 16:52; Кил =2,81 %; Кив =2,7 %; Кис =2,78 %)

I р, А

16 -

пп ...лг..П||| .Пп-

I р, А

16 -

-ЛДл

ппПпп

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 6 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 6

Рис. 7. Гармоншний склад струму ВФ ТП С (шверторний режим; 16.11.2007 16:59; Кил =2,81 %; Кив =2,72 %; Кис =2,83 %)

Рис. 8. Гармоншний склад струму ВФ ТП С (вимушений режим; 16.11.2007 17:39;

Кил=1,27 %; Кив =1,17 %; Кис=1,14 %)

8

6

4

2

П

0

14

12

10

8

8

6

6

4

4

2

2

П

п

0

0

20 1 18 -16 -14 -12 10 8 6 4 2 0

Дд

дД,

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 9. Гармоншний склад струму ВФ ТП О (21.11.2007, 08:31; ЗФ включено;

Кил =3,66 %; Кив =3,71 %; Кис =3,50 %)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 10. Гармоншний склад струму ВФ ТП О (21.11.2007, 08:35; ЗФ включено;

Кил =3,7 %; Кив =3,72 %; Кис =3,51 %)

I, А

I, А

18 -16 -14 -12 -10 -8 6 4 2 0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 11. Гармоншний склад струму ВФ ТП О (20.11.2007, 15:02; ЗФ виключено;

Кил =5,72 %; Kub =5,8 %; Кис =5,68 %)

'ИШЬ.............- Jir llllllllll ИП1 Inllr 1-1Н1П-1пГппп1 JnllnllOnr inllr I

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 12. Гармоншний склад струму ВФ ТП О (20.11.2007, 20:11; ЗФ виключено;

Кил =5,59 %; Кив =5,72 %; Кис =5,48 %)

20

20

18 -

16

14

12

2

0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 13. Гармоншний склад струму ВФ ТП З (12.03.2008, 09:25; ЗФ включено;

Кил =1,6 %; Кив =1,51 %; Кис =1,41 %)

Рис. 14. Гармоншний склад струму ВФ ТП З (12.03.2008, 12:00; ЗФ включено; Кил = 1,44 %; Кив = 1,02 %; Кис =0,83 %)

I, A

1,5

1,0

0,5

0,0

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 15. Гармоншний склад струму ВФ ТП З (12.03.2008, 10:07; ЗФ виключено;

Кил =2,37 %; Кив =2,41 %; Кис =2,31 %)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63

Рис. 16. Гармоншний склад струму ВФ ТП З (12.03.2008, 10:35; ЗФ виключено;

Кил =2,80 %; Кив =2,87 %; Кис =2,78 %)

I, A

I, A

4,0

2,0

0,5

0,0

Яюсть роботи ЗФ ощнюеться вим1рюванням р1вшв екв1валентно! заважаючо! напруги до i шсля ЗФ з подальшим визначенням коефщенту згладжування Кзгл ЗФ як вщношення рiвнiв ек-вiвалентноï заважаючо! напруги иЕзав1 (до

згладжування) i иЕзав2 (шсля згладжування). Зниження рiвня працездатностi ЗФ ощнюеться порiвнянням визначеного Кзгл з його нор-мованим значенням [8]. На сьогодшшнш день на ТП постшного струму контроль якост фун-

кщонування ЗФ фактично вiдсутнiй. Для ощн-ки енергетично! ефективностi функцiонування ЗФ в pi3H^ режимах нами проводився розра-

хунок потужностi спектру £ЗФ за методикою [9, с. 318-319]. Результати розрахунку наведет в табл. 2.

Таблиця 2

Результати розрахунку потужносп спектру

№ рисунка 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

£зф, кВт 10-3 785 1088 2187 3318 651 214 226 223 446 531 335 463 2 2 17 16

Анатз статистичного матерiалу та даних, наведених у табл. 2. дозволяе зробити наступнi висновки:

1. Гармоншний спектр струму ВФ залежить не тшьки вiд схеми випрямлення, схеми i режиму роботи ЗФ, а й вщ режиму напруги (i, певно, роботи i виду навантаження) живлячо! енергосистеми, в тому чи^ залежно вщ ре-гiону.

2. Неможливо встановити кореляцшний зв'язок мiж впливом режиму роботи ТП (випрямлення або швертування) на коефщент не-симетрп живлячо! напруги, в тому чи^ при ввiмкненому або вiдiмкненому ЗФ (захщний регiон). При цьому при погашены ТП (виму-шений режим) Ки зменшуеться бiльш нiж у 2 рази.

3. При вимкненому ЗФ (схщний регiон) Кп зростае в середньому бшьш нiж у 1,5 рази при шестипульсовш схемi випрямлення i в 1,5 _ 2,5 рази (а по окремих фазах i бiльше 3) при 12-пульсовiй схемь

4. Потужнiсть спектру при шверторному режимi роботи ТП бiльша, шж при випрямному режимi як при ввiмкненому, так i вимкненому ЗФ (захщний регюн).

5. Потужнiсть спектру при ввiмкненому ЗФ бiльша (!), шж при вимкненому при 6-пульсовш схемi i менша на порядок при ввiм-кненому ЗФ у порiвняннi з вимкненим ЗФ при 12-пульсовш схемi.

6. Потужнiсть спектру при 12-пульсовш схемi бiльш шж в 200 разiв менша шж при 6-пульсовiй (схiдний регiон) i бiльш нiж у 400 разiв менша при 6-пульсовiй схемi (захщний регiон).

Можна зробити висновок, що пщвищення ефективностi функцiонування ЗФ, та i само! ТП для забезпечення необхщного рiвня ЕМС пови-нне базуватись не тшьки на режимних та схе-мотехнiчних рiшеннях, в тому чи^ при введены в дiю нового обладнання, а й розробщ та впровадженнi сучасних силових активних фiльтрiв.

Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Анал1з роботи господарства електриф1кацп та електропостачання в 2007 рощ [Текст]. - К.: Укрзал1зниця, 2008. - 102 с.

2. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций [Текст] / Б. С. Барковский и др.; под ред. М. Г. Шалимова. - М.: Транспорт, 1990. - 127 с.

3. Концепщя буд1вництва та оновлення тягових шдстанцш [Текст] / Укрзал1зниця. - К.: Головне управлшня електрифшацп та електропостачання, 2005. - 16 с.

4. Про електромагнггну сум1сшсть електриф1кова-них зал1зничних лшш постшного струму [Текст] / I. В. Анохов та ш // Зал1зн. трансп. Украши. - 2000. - № 2. - С. 10-12.

5. Разработать и внедрить информационно-управляющий комплекс с применением микропроцессоров. Раздел: Разработка технического задания на программное и техническое обеспечение задачи «Контроль фильтр-устройства» [Текст] : отчет о НИР 144/87 / МИИТ. - М., 1987. - 30 с. - № ГР 01.87.0053842.

6. Дослщження показнишв якосп електроенергп на вводах 1 фщерах тягових пщстанцш постшного струму та розробка рекомендацш [Текст] : звгт по НДР 23.52.07.08 / ДНУЗТ 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2007. - 63 с. - № ДР 0107Ш10377.

7. Скоков, Р. Б. Снижение влияния тяговой сети постоянного тока на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Р. Б. Скоков. - Омск, 2004. - 18 с.

8. Сиченко, В. Г. Ддагностування згладжуючих фшьтр1в тягових щдстанцш постшного струму [Текст] / В. Г. Сиченко, М. П. Бадьор, В. А. Зу-бенко // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2000. -№ 2. - С. 80-84.

9. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи [Текст] / Л. А. Бессонов. - М.: Гардарики, 2006. - 701 с.

Надшшла до редколегп 24.09.2008.