CC BY
64
УДК 629.423.3.004.28
Ю. С. БОНДАРЕНКО (ДПТ)
ВИБ1Р КРИТЕРПВ ДЛЯ ОЦ1НКИ ЕЛЕКТРОМАГН1ТНО1 СУМ1СНОСТ1 ТЯГОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В ПЕРСПЕКТИВНИХ ЕЛЕКТРОВОЗ1В
Стаття присвячена обгрунтуванню та вибору, серед юнуючих, критерив для визначення електромагштно! сумiсностi статичного перетворювача пвдвищено! частоти, що входить до складу сучасного електрорухомо-го складу, з системами електрифжованих залiзниць.
Ключовi слова: електромагштна сумiснiсть, тяговий перетворювач, багатосистемний електровоз
Електромагштна сумюнють на затзничному транспорт!, а в особливост на дшянках елект-рифшованих зал1зниць, е досить важливою складовою !х функщонування. Взаемопов'язана робота електричних систем зал1зничного транспорту безумовно призводить до появи !х взае-много електромагштного впливу.
Мета дано! роботи полягае у вибор1 показ-ниюв якост електрично! енерги, що спожива-ють перспективы електровози, подальше вико-ристання яких дозволить провести ощнку електромагштно! сумюносп тягового перетворювача з живлячими лш1ями електрифшованих зал1зниць.
Анал1з л1тератури та попередшх дослщжень дозволив визначити деяю основш положення питання електромагштно! сумюносп, яю ви-кладеш нижче.
Як вщомо, перетворення на тягових шдста-нщях, або на електрорухомому склад! електрично! енерги змшного струму в енерпю випрям-леного струму та навпаки - за допомогою ста-тичних нашвпровщникових перетворювач1в, пов'язано з1 значним споживанням реактивно! енерги перетворювальними агрегатами. Кр1м того, нашвпровщников! перетворювач! вщно-сяться до класу навантажень, що мають нел> шйш вольт-амперш характеристики, та спожи-вають з мережi несинусо!дальний струм, що спотворюе криву напруги живлячих енергосис-тем. Несинусо!'дальшсть та несиметр1я живля-чо! напруги, в свою чергу, негативно вплива-ють на яюсть випрямлено! напруги - призво-дять до появи в останнш додаткових гармонш-них складових та до шдвищеного електромагштного впливу тягово! мережi на сум!жш слабкострумов! системи. Це пов'язано з тим, що лши зв'язку, як правило, проклада-ють паралельно трас електрифшовано! зал1з-нищ, а пристро! зал1знично! автоматики вико-ристовують у якосп сигнальних кш рейков! кола, що одночасно являються зворотшм про-
водом для прот1кання несинусо1дального тягового струму [1, 2].
Повшстю виключити електромагштний та гальвашчний вплив одного електрообладнання на шше, одних електричних кш на шш! практично неможливо.
На шдстав! проведеного анал1зу р!зномашт-них джерел шформацп, в тому числ! [8, 9, 11], визначимо, що на сьогодшшнш день серед д> ючих стандарта Укра1ни не юнуе такого, який би визначав нормоваш показники електромагштно! сумюност (ЕМС) систем електрифшова-них зал1зниць. А тому в практищ дослщження ЕМС, зазвичай намагаються знизити вплив перешкод до тако! м1ри, при якш не порушувала-ся б нормальна робота електричних кш корис-туючись при цьому ГОСТ 13109-97 [8, 10, 11] «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», що визначае норми якост електрично! енерги, а саме р!вш електромагштно! сумюносп для кондуктивних електромагштних перешкод у системах електропостачання загального при-значення [3].
Зпдно [3] основними показниками якосп електрично! енерги являються:
- стале вщхилення напруги dUy;
- розмах змши напруги dUt;
- доза флкера Pt;
- коефщент спотворення синусо!дальност1 криво! напруги KU ;
- коефщент n-ог гармоншно! складово! на-
пруги ku (n);
- коефщент несиметри напруг по зворотнш послщовност! K2U ;
- коефщент несиметри напруг по нульовш послщовност! K0U;
- вщхилення частоти Df ;
- тривалють провалу напруги DtH;
© Ю. С. Бондаренко, 2012
- iмпульсна напруга dUшп;
- коефщент тимчасово! перенапруги К U .
При дотриманш зазначених норм забезпечу-еться електромагнiтна сумiснiсть електричних мереж систем електропостачання загального призначення й електричних мереж споживачiв електрично! енерги (приймачiв електрично! енерги).
Особливiстю багатосистемного електровозу е тяговий перетворювач шдвищено! частоти [4], який, згiдно згаданих вище положень перетво-рення енерги, е нелшшним навантаженням. А тому, серед представлених вище критерив, особливо! уваги заслуговують наступнi [3]:
- коефщент спотворення синусо!дальност криво! напруги KU ;
- коефщент n-di гармоншно! складово! на-
пруги ku (n);
- коефщент несиметри напруг по зворотнш послiдовностi K2U ;
- коефщент несиметри напруг по нульовiй послщовност K0U;
Автор проводить дослщження у галузi за-стосування багатосистемних електровозiв на залiзницях Укра!ни.
Поняття багатосистемного електрорухомого складу (ЕРС) визначае можливють роботи останнього як у мереж постiйного так i змшно-го струму [4]. Цей факт вимагае визначення единих спiльних критерив оцiнки ЕМС, як дозволили б врахувати вс особливостi функщо-нування вказаних мереж та зробити порiвняль-ну ощнку електромагнiтного впливу.
Так для будь-яких iснуючих схем електропостачання залiзниць змiнного струму, якi жи-вляться вщ районно! трифазно! мережi, харак-терними е проблема несиметричного наванта-ження фаз, що призводить до появи несиметри напруги на шинах тягових пiдстанцiй [6]. До того ж, вщкритим залишаеться неодноразово згадане питання спотворення синусо!дальносп струмiв та напруг за рахунок наявност у мереж нелiнiйного навантаження.
Перевагою системи живлення постшного струму е вщносно невеликий вплив навантаження тягово! мережi на сумiжнi лши [6]. Для тако! системи не е характерним явище несиметри напруг, а вiдсутнiсть на юнуючому елект-рорухомому складi постiйного струму статич-них перетворювачiв знижуе показники несину-со!дальност струмiв та напруг мережа
Даний факт не можна використовувати при оцiнцi ЕМС багатосистемного ЕРС через наяв-
нiсть у його складi вище згаданого статичного перетворювача шдвищено! частоти [4].
Таким чином, зауважимо, що серед предста-влених показниюв якостi електрично! енерги розглянутих систем единим, який задовольняе вказану вище умову порiвняльного аналiзу, е несинусо!дальшсть струмiв та напруг. Тому, в якосп узагальненого критерiя для ощнки ЕМС багатосистемного ЕРС з тяговими мережами постiйного i змiнного струму будемо викорис-товувати вище згадаш коефiцiент спотворення синусо!дальносп криво! напруги KU , та коеф> щент n-о! гармоншно! складово! напруги KU (n).
У робот [5], додатково до визначених, про-понуеться ряд показникiв електрично! енерги, що характеризують ЕМС системи тягового еле-ктропостачання з ЕРС та системою зовшшньо-го електропостачання. Серед них варто вщм> тити той, що характеризуе вплив електрорухо-мого складу безпосередньо на систему тягового електропостачання, а саме Кп i - приведений
коефщент спотворення синусо!дальност струму ЕРС.
Пiдбиваючи тдсумок проведеного аналiзу лiтературних джерел, остаточно визначимось з показниками ЕМС, як будемо використовувати при проведенш подальших дослiджень. Такими показниками е:
- коефiцiент спотворення синусо!дальност криво! напруги KU ;
- коефiцiент n-о! гармоншно! складово! на-
пруги ku (n);
- приведений коефщент спотворення сину-со!дальност струму ЕРС Кп i.
Визначення кожного з вказаних коефщенпв потребуе фiзичного вимiру контрольованих величин, яю залежать вiд того чи шшого показ-ника та мають вщповщний порядок вимiру. Згiдно [3], вимiри коефiцiентiв KU та KU(n)
виконують для мiжфазних або фазних напруг трифазно! системи живлення. При визначенш коефщенту KU (n) спершу для кожного /-го
спостереження за визначений перiод часу, що дорiвнюе 24 години, визначають дiюче значен-ня напруги n-о! гармошки U^), та вказаний
коефiцiент у вiдсотках:
К
U,
(n)i
U (n )i
U
100.
(1)
1( i)
де U1(ii) - дiюче значення напруги основно! час- KUi та виконуеться з урахуванням вказаних
тоти.
З метою остаточного визначення даного ко-нтрольованого параметру, проводять усеред-нення отриманих результатiв /-их спостережень на штерв^ часу, що дорiвнюе 3 с.:
К
и (n )
1
N
X (KU(n)i )2
N
(2)
kvi=-
XU(
n=2
2 ( n)i
U(
-•100.
(3)
(1)i
вище умов, тобто:
Ku =
N
X к
i=1
N
(4)
де N - кiлькiсть спостережень, що вщповщно до додатку Е [3] мае бути не менше 9.
Яюсть електрично! енерги за коефiцiентом «-о! гармоншно! складово! напруги вважають вщповщною вимогам дiйсного стандарту, якщо найбшьше з усiх, обчислених протягом 24 годин, значень вказаних коефщенпв не переви-щуе гранично припустимого значення, а зна-чення коефщента Ки (и), що вiдповiдае iмовiр-
ностi 95% за встановлений перюд часу, не пе-ревищуе нормально допустимого значення.
Крiм того, допускаеться перевiрка якостi електрично! енерги на вiдповiднiсть нормам стандарту за сумарною тривалiстю часу виходу розглянутого показника за нормально й гранично припустимi значення. В цьому випадку, якiсть електрично! енергi! за коефщентом Ки«) вважають вщповщною вимогам [3], якщо
сумарна тривалють вказаного вище часу стано-вить не бшьше 5% вiд встановленого для спостережень перюду часу, тобто 1 год 12 хв, а за гранично припустим значення - 0 % вщ цього перюду часу.
Аналопчно проводять визначення коефще-нту спотворення синусо!дальносп криво! напруги Ки . Спершу, як i в попередньому випадку, проводять визначення вказаного параметру для кожного /-го спостереження протягом часу, що дорiвнюе 24 години, для чого попередньо визначають ддаче значення гармоншних скла-дових напруги дiапазону гармонiк з 2-! до 40-!:
При цьому, умови, за яких яюсть електрично! енерги за вказаним критерiем вщповщае стандарту [3], залишаються аналопчними до визначених вище для коефщенту Ku (n).
Останнiм з визначених показниюв ЕМС е приведений коефщент спотворення
синусо!дальностi струму ЕРС Кп ;, який згiдно
[5] визначаеться наступним чином:
(
К = ■
N (
X
n=3
к,
\
2X2
i3H
К
inH J
h
-•100.
(5)
де Ki3H та KinH - нормованi значення коефщ> ентiв спотворення синусо!дальностi струму ЕРС вщповщно третьо! та n-о! гармоншних складових, якi в загальному випадку визнача-ються, як:
1
( Д, 2 ^ 2 IX(hn )
V n=3
Ki =
h
•100.
(6)
При цьому, при визначенш даного показни-ка якост електрично! енергi! допускаеться не враховувати т гармонiйнi складовi, вщсоткова доля яких становить менше 0,1%.
Подальше визначення параметру, що роз-глядаеться, знову ж таки проводиться методом усереднення отриманих значень коефщенпв
У виразах (5) та (6): n - порядок гармонiки; 1п - дiюче значення n-о! гармоншно! складово! струму ЕРС; 11 - ддаче значення першо! гармошки струму ЕРС; N - порядок останньо! га-рмонiки в розрахунковому дiапазонi спектру частот.
При визначенi вказаних коефщенпв пропо-нуеться розрахунки починати з найбшьш не-безпечно!, з точки зору ди статичних перетво-рювачiв, третьо! гармонiки. Але аналiз ЕМС статичного перетворювача пiдвищено! частоти з системами електрифшованих залiзниць вима-гае розгляду повного спектру частот. Тому, при виконанш дослiджень, пропонуеться проводити аналiз гармонiк починаючи з друго!.
При розглядi загальних питань електромаг-нiтно! сумiсностi, що проводився вище, було окремо вiдмiчено лшп сигналiзацi!, централiза-цi!, блокування (СЦБ) та лши зв'язку, як систе-ми, що найчастiше зазнають електромагштного впливу. А тому, при проведенш дослiджень
i=1
ЕМС статичного перетворювача варто окрему увагу придшити саме вказаним системам.
Загалом весь спектр перешкод, що безперер-вно супроводжуе роботу вказаних об'екпв зал> зниць, подiляють на перешкоди iндуктивного та кондуктивного характеру. Наявнють перешкод iндуктивного характеру пов'язана з юну-ванням змiнних електромагштних полiв, що наводяться сумiжними електричними лшями з високим рiвнем передачi енергп. Кондуктивнi ж перешкоди обумовлеш наявнiстю неодноразово згаданого спектру вищих гармонiк тягового струму, що впливають на системи СЦБ через рейковi кола.
З точки зору ощнки електромагнiтного впливу статичного перетворювача багатосис-темного електровозу, на вказаш системи, най-бшьшо! уваги заслуговують саме перешкоди кондуктивного характеру. А тому подальшi до-слiдження доцiльно проводити з урахуванням останнього твердження.
Як i рашше, розглянутий аналiз ЕМС потре-буе наявносп вщповщно! нормативно! бази, яка, як i у попередньому випадку, не е достат-ньою [9]. В практицi оцiнки ЕМС ЕРС з системами СЦБ на затзницях Украши користуються вщповщними нормативними документами кра-1н Свропи [13] та СНД, а найчаспше Росшсько! Федераци (РФ). А тому, в якосп опорного нормативу, при виконанш вказаного дослiдження, будемо використовувати дiючi на сьогоднi на територи РФ «Нормы безопасности НБ ЖТ ЦТ 04-98»[12].
Вище проведенi аналiтичнi обгрунтування вибору критерив дослщження ЕМС дозволили визначити ряд величин, напруг та струмiв, що необхщш для !х розрахункiв. При цьому, варто зауважити, що в реальних умовах робота елект-рорухомого складу постшно супроводжуеться рiзноманiтними динамiчними навантаженнями та перехщними процесами. А тому вимiрюванi величини не залишаються постiйними.
При цьому наявнють вказаних процесiв обумовлена не лише умовами експлуатацп ЕРС, а й режимами ведення по!зду, тобто режимами його роботи, його зчшною масою та умовами електропостачання [7].
Режими ведення поlздiв розрiзняються величиною пускових та тормозних зусиль, що обумовлюються вище згаданою зчшною масою потягу та профшем коли [7]. Наявнють затяж-них пiд'йомiв та спускiв, а також важковагових поlздiв, як вiдомо, призводить до рiзкоl змiни величини споживаного електровозом струму. При цьому змшюються величини ампл^уд його
вищих гармонiйних складових та в цiлому мо-жуть погiршуватись умови забезпечення елект-ромагштно! сумiсностi.
Тому, при оцiнцi ЕМС тягового перетворювача шдвищено! частоти, визначення вказаних вище коефiцiентiв варто проводити в узго-дженнi з режимами роботи ЕРС, використову-ючи особливосп профiлiв його руху та величини зчшно! маси.
Таким чином, проведеш аналiтичнi досл> дження дозволили обрати критери оцiнки ЕМС тягового перетворювача багатосистемного еле-ктрорухомого складу з системами електрифшо-ваних залiзниць. Останнi дозволяють достатньо повно охарактеризувати стутнь електромагш-тного впливу перетворювача на сумiжнi систе-ми.
Крiм того, було визначено особливостi роботи електрорухомого складу, як впливають на визначення вказаних критерив та порядок !х визначення. Отриманi результати буде викори-стано в подальших дослiдженнях.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бадер, М. П. Электромагнитная совместимость
[Текст]:учеб. пособие для вузов ж/д трансп. / М. П. Бадер. - М. : УМК МПС, 2002. - 638 с.
2. Лещёв, А. И. Обеспечение электромагнитной
совместимости электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом в системе электрической тяги постоянного тока [Текст] : автореф. дисс. ... канд. техн. наук / А. И. Лещёв. - М. : РГОТУПС, 2003. - 28 с.
3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совме-
стимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]. - М., 1998. - 31 с.
4. Муха, А. М. Розвиток наукових основ створення
тягових електропередач багатосистемних елек-тровоз1в [Текст] : автореферат дис. ... д-ра техн. наук / А. М. Муха. - Д. : ДНУЗТ, 2011. -35 с.
5. Ермоленко, Д. В. Показатели электромагнитной
совместимости и методы ее обеспечения в системе элеткрической тяги временного тока [Текст] : автореферат дисс. ... д-ра техн. наук / Д. В. Ермоленко. - М. : ВНИИЖТ, 1999. - 41 с.
6. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифи-
цированых железных дорог [Текст]: учеб. пособие для вузов ж/д трансп. / К. Г. Марквардт. - М. : Транспорт, 1982. - 528 с.
7. Режимы работы магистральных электровозов
[Текст] / под. ред. О. А. Некрасова - М. : Транспорт, 1983. - 231 с.
8. Сиченко, В. Г. Розвиток наукових основ тдви-
щення електромагнггнох сумюносп подсистем електрично! тяги постшного струму зал1знич-
ного транспорту [Текст] : дис. ... д-ра техн. наук. - Д. : ДНУЗТ, 2011. - 396 с.
9. База нормативних докуменпв Укра1ни [Ешлект-
рон. ресурс] // ДП «Укрметртестстандарт» На-уково-техтчний центр стандартизации шфор-мацiйного забезпечення та пвдтвердження ввд-повiдностi. - Режим доступу:
http://www.csm.kiev.ua/nd/nd.php
10. Разгонов, С. А. Пвдвищення надшносл роботи
рейкових ланцюпв вумовах впливу перешкод тягового струму та нестабшьносп напруги в мереж1 живлення [Текст] : дис. ... канд. техн. наук. - Д. : ДНУЗТ, 2011. - 178 с.
11. Сиченко, В. Г. Електроживлення систем
залiзничноl автоматики [Текст] : монографiя / В. Г. Сиченко, В. I. Гаврилюк. - Д. : Маковець-кий, 2009. - 372 с.
12. НБ ЖТ ЦТ 01-98. Электровозы. Нормы безопас-
ности. - М., 1998. - 88 с.
13. EN 50121-3-1 Electromagnetic compatibility - Part
3-1:Rolling stock - Train and Complete vehicle
Надшшла до редколегп 30.05.2012. Прийнята до друку 08.06.2012.
Ю. С. БОНДАРЕНКО
ВЫБОР КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ТЯГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Статья посвящена обоснованию и выбору, среди существующих, критериев для определения электромагнитной совместимости статического преобразователя повышенной частоты, входящего в состав современного электроподвижного состава с системами электрифицированых железных дорог.
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, тяговый преобразователь, многосистемный электровоз
Yu. S. BONDARENKO
CHOICE A CRITERIA FOR ESTIMATING THE ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY OF TRACTIVE CONVERTERS OF PERSPECTIVE ELECTRIC LOCOMOTIVE
The article is devoted to the justification and the choice among existing criteria for determining the electromagnetic compatibility of high-frequency static converter, which is part of the modern electric rolling stock systems, with the systems of electric railways.
Keywords: electromagnetic compability, tractive converter, multisystem locomotive
