Фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока

Техническое решение относится к области тягового электроснабжения электрических железных дорог, в частности к установкам для фильтрации гармоник и компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока.
Схемные решения по фильтрокомпенсирующим установкам (ФКУ) в системе тягового электроснабжения железных дорог рассмотрены в [1-6]. В настоящее время в тяговых сетях переменного тока применяют двухрезонансные ФКУ [4]. Недостатком используемых ФКУ является слабое демпфирование резонансных режимов тяговой сети на частотах, превышающих 500 Гц, что увеличивает отрицательное влияние тяговой сети на линии проводной и радиосвязи и чувствительное электронное оборудование, а также может привести к перенапряжениям на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС);
Известна фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, состоящая из двух параллельно соединенных секций, включенных между шиной 27,5 кВ и рельсом, первая из них настроена на резонансную частоту 150 Гц, а вторая - на частоту 250 Гц. [RU 138738]. Для уменьшения потерь в секцию, настроенную на частоту 250 Гц, введена цепь из последовательно соединенных конденсатора и демпфирующего резистора. Технико-экономический эффект аналога определяется уменьшением величины потерь активной мощности, вызванных токами, протекающими в демпфирующем резисторе. Однако частотные характеристики ФКУ на частотах, превышающих 450 Гц, остаются неизменными, поэтому демпфирование резонансных режимов в тяговой сети на высоких частотах остается слабым.
Наиболее близкой к заявляемой является фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, включенная между шинами 27.5 кВ и рельсом и образованная узкополосной двухрезонансной секцией, настроенной на резонансные частоты 150 Гц и 250 Гц, состоящей из последовательно включенных реактора, конденсаторной батареи и параллельного резонансного контура, образованного второй конденсаторной батареей и вторым реактором [4, рис 2а].
Известная фильтрокомпенсирующая установка обеспечивает компенсацию реактивной мощности и ослабление низкочастотных 3 и 5-й гармоник. Недостатки прототипа:
- слабое демпфирование высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на линейные и стационарные устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование;
- возможность перенапряжений на токоприемнике ЭПС из-за резонансного усиления гармоник.
В основу нового технического решения положена задача ослабления высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на линейные и стационарные устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование, уменьшение перенапряжений на токоприемнике ЭПС, вызванных резонансными явлениями в системе тягового электроснабжения (СТЭ) на частотах высших гармоник.
Поставленная задача решается тем, что фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащая включенную между шинами 27.5 кВ и рельсом двухрезонансную узкополосную секцию, настроенную на резонансные частоты 150 Гц и 250 Гц, состоящую из последовательно включенных первого реактора, первой конденсаторной батареи и параллельного резонансного контура, образованного второй конденсаторной батареей и вторым реактором, дополнительно содержит включенную параллельно узкополосной двухрезонансной секции широкополосную демпфирующую секцию, образованную последовательным соединением третьей батареи конденсаторов и третьего реактора, параллельно которому включен демпфирующий резистор.
На фиг .1 показана схема предлагаемой фильтрокомпенсирующей установки. На фиг. 2 представлены частотные характеристики сопротивления известной ФКУ и предлагаемой ФКУ (кривая А - частотная характеристика известной ФКУ, кривая Б - частотная характеристика предлагаемой ФКУ). На фиг. 3 показаны частотные характеристики входного сопротивления системы тягового электроснабжения относительно токоприемника ЭПС после установки фильтрокомпенсирующих устройств (кривая А - частотная характеристика входного сопротивления после установки известной ФКУ, кривая Б - после установки предлагаемой ФКУ). На фиг. 4 показаны графики напряжения на токоприемнике ЭПС после установки фильтрокомпенсирующих устройств (кривая А - после установки известной ФКУ, кривая Б - после установки предлагаемой ФКУ).
Заявляемая ФКУ содержит включенные между шиной 27.5 кВ и рельсом узкополосную двухрезонансную секцию 1 и широкополосную демпфирующую секцию 2. Узкополосная двухрезонансная секция 1 включает последовательно соединенные первый реактор 3, первую батарею конденсаторов 4 и параллельный резонансный контур, образованный второй батареей конденсаторов 5 и вторым реактором 6. Параллельно узкополосной двухрезонансной секции 1 включена широкополосная демпфирующая секция 2, которая содержит последовательно соединенные третью батарею конденсаторов 7 и третий реактор 8, параллельно которому включен демпфирующий резистор 9.
Заявляемая фильтрокомпенсирующая установка работает следующим образом. Узкополосная двухрезонансная секция настроена в резонанс на частоты третьей и пятой гармоник, поэтому ее сопротивление на этих частотах мало. Токи третьей и пятой гармоник замыкаются через эту секцию и не попадают в тяговую сеть.
Анализ частотных характеристик тяговой сети показывает, что индуктивность провода воздушной линии и емкость между проводом и рельсами образуют параллельный резонансный контур. Резонансная частота контура находится в диапазоне 1000-1500 Гц в зависимости от длины участка тяговой сети. Резонанс вызывает усиление гармоник тока и напряжения, частоты которых находятся в этом диапазоне.
Резонансное усиление гармоник можно уменьшить, включив в тяговую сеть фильтрокомпенсирующую установку, сопротивление которой в диапазоне частот 1000-1500 Гц имеет резистивный характер. Это эквивалентно включению резистора параллельно резонансному контуру «провод-рельсы».
Сопротивление известной ФКУ в диапазоне более 500 Гц имеет индуктивный характер и линейно возрастает с увеличением частоты, поэтому ослабить резонансное усиление высокочастотных гармоник с помощью известной ФКУ невозможно.
В предлагаемой ФКУ сопротивление широкополосной демпфирующей секции 2 на частотах, превышающих 500 Гц, имеет резистивный характер и равно сопротивлению демпфирующего резистора 9. Поэтому подключение широкополосной демпфирующей секции 2 параллельно узкополосной двухрезонансной секции 1 уменьшает добротность резонансного контура, образованного индуктивностью проводов тяговой сети и емкостью между проводом и рельсами. При этом происходит ослабление высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование.
Достижение указанного технического результата подтверждено путем расчетных экспериментов, результаты которых приведены на Фиг. 2, 3 и 4. Расчетные эксперименты проводились с помощью программы схемотехнического моделирования Pspice. При моделировании приняты следующие условия: длина участка тяговой сети 30 км, марка контактного провода МФ-100, тип рельса Р75, действующее значение тока ЭПС равно 360 А. На Фиг. 2 показаны частотные характеристики входного сопротивления известного (кривая А) и предлагаемого технического решения (кривая Б).
Из Фиг. 3 (кривая А) следует, что сопротивление системы «тяговая сеть -известная ФКУ» имеет резонансный максимум на частотах 21-27 гармоник. Следовательно, эти гармоники будут усиливаться. При установке предлагаемой ФКУ частотная характеристика входного сопротивления системы тягового электроснабжения имеет монотонный характер в области частот, превышающих 500 Гц (кривая Б). Это исключает резонансное усиление высокочастотных гармоник.
На Фиг. 4 видно, что после установки предлагаемой ФКУ в тяговую сеть кривая напряжения на токоприемнике ЭПС будет более гладкой. Это подтверждают значения спектра гармоник напряжения на токоприемнике ЭПС, приведенные в табл. 1. В таблице приведены относительные значения гармоник в процентах по отношению к основной гармонике.
При установке предлагаемой ФКУ гармоники напряжения с номерами 11-25 имеют меньшие значения, чем при установке известной ФКУ. Таким образом, предлагаемая схема ФКУ позволяет уменьшить высокочастотные гармоники напряжения на токоприемнике ЭПС и ослабить мешающее влияние этих гармоник на устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование, что говорит о решении поставленной задачи.
Источники информации
1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. – М.: Транспорт, 1983. - 183 с
2. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография / Монография - М. МИИТ, 2012. - 211 с.
3. Герман Л.А., Серебряков А.С., Гончаренко В.П., Мизинцев А.В. Эффективность фильтрокомпенсирующих устройств в тяговой сети переменного тока. Вестник ВНИИЖТ, 2013, №5, с. 56-61.
4. Черемисин В.Т., Кващук В.А., Бренков С.Н. Двухрезонансные фильтрокомпенсирующие устройства электрифицированных железных дорог, Наука и транспорт, Модернизация железнодорожного транспорта, 2008, с. 48-51.
5. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К. и др. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 768 с.
7. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог (сборник справочных материалов). ОАО РЖД, филиал «ПКБ по электрификации железных дорог» - М.: «Трансиздат», 2006.