Моделирование электромагнитных процессов в устройстве фильтрации и компенсации реактивной энергии на тяговых подстанциях переменного тока

124

Реконструкция тяговых средств

После выполнения этих работ в начале 2004 г были проведены контрольные испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ. Испытания показали, что нагрев полупроводниковых приборов не превышает допустимых значений. Переменная составляющая сетевого тока частоты 25 Гц устранена как в режиме тяги, так и в режиме электродинамического торможения. Переменная составляющая частоты 50 Гц наблюдается только в режиме электродинамического торможения, однако ее амплитуда не превышает допустимой величины 1,3 А.

Для проведения дальнейших эксплуатационных испытаний планируется создание нового электропоезда, на котором будут предусмотрены установка активного фильтра для подавления электромагнитных помех, а также объединение в единую сеть систем управления тяговыми преобразователями моторных вагонов.

УДК 621.331:621.311

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВЕ ФИЛЬТРАЦИИ И КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

А.Т. Бурков, А.Н. Марикин, А.П. Самонин, В.В. Сероносов

Аннотация

Одной из важнейших задач при электрификации железнодорожного транспорта является решение комплекса вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог переменного тока. Рассмотрены результаты математического моделирования электромагнитных процессов в фильтр-компенсирующем устройстве (ФКУ) тяговой подстанции переменного тока, позволяющем повысить качество электроэнергии в системах тягового электроснабжения переменного тока.

Ключевые слова: система тягового электроснабжения переменного тока, реактивная мощность, гармонический состав, компенсация, фильтрация.

Введение

Проблема повышения качества электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог переменного тока в условиях реформирования становится особенно актуальной. Применение ФКУ на тяговых подстанциях является одним из способов, позволяющих существенно улучшить показатели качества электроэнергии. С целью оценки эффективности ФКУ последних разработок производства

2004/2

Известия Петербургского университета путей сообщения

Реконструкция тяговых средств

125

«НИИЭФА-Энерго» целесообразно выполнить исследование электромагнитных процессов на математической модели для различных режимов работы.

1. Влияние ФКУ на коэффициент мощности тяговой подстанции и коэффициент искажения кривой потребляемого тока

Схема замещения ФКУ производства «НИИЭФА-Энерго» приведена на рис. 1.

В результате расчетов на математической модели получены зависимости коэффициента мощности от нагрузки фидеров без применения ФКУ и с наличием ФКУ для одинаковых токов фидеров (рис. 2) при включении ФКУ в отстающую фазу.

Рис.1. Схема замещения фильтр-компенсирующего устройства в системе тягового электроснабжения переменного тока.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2004/2

126

Реконструкция тяговых средств

ф

Рис. 2. Зависимости коэффициента мощности тяговой подстанции от

нагрузки фидеров

Анализ рис. 2 позволяет сделать следующие выводы: а) применение ФКУ повышает коэффициент мощности тяговой подстанции в среднем 12 - 18%, б) при токах фидеров меньше 70А происходит перекомпенсация и коэффициент мощности резко снижается.

Коэффициент мощности при неодинаковой нагрузке фидеров оказывается несколько меньше, чем при равной нагрузке. Так при токе правого фидера 280 А (на левом - холостой ход) коэффициент мощности снижается (по отношению к случаю равной нагрузке фидеров в 280 А) с 0,878 до 0,737. Однако и в этом случае ФКУ показывает свою эффективность, так как коэффициент мощности с применением ФКУ поднимается с 0,619 до 0,737. Еще больше коэффициент мощности увеличивается при загрузке правого фидера («отстающая» фаза) с 0,6 до 0,74.

Реактивная мощность, потребляемая ФКУ при отсутствии нагрузки на фидерах, составляет свыше 3 МВА.

Использование ФКУ позволяет уменьшить фазовый угол сдвига основной гармоники тока, а также повысить коэффициент искажения формы потребляемого тока, что демонстрирует рис. 3. При равномерной загрузке фидеров(/фл = /фп = 145 А) фазовый угол сдвига первой гармоники потребляемого тока уменьшился с 45 до 7 эл. гр. и одновременно с этим повысился коэффициент искажения формы тока с 0,979 до 0,986.

В результате исследования влияния отдельных узлов ФКУ (фильтрпробка (L150, С150) и контур (L50, С50, Rd)) на повышение коэффициента искажения формы тока и коэффициента мощности тяговой подстанции можно сделать следующий вывод: применение этих узлов позволяет в среднем поднять коэффициент искажения формы тока на 2 - 3% и

2004/2

Известия Петербургского университета путей сообщения

Реконструкция тяговых средств

127

одновременно снизить фазовый угол сдвига первой гармоники. При этом коэффициент мощности возрастает на 3 - 4%.

а)

б)

Рис. 3. Временные диаграммы напряжения и токов первичной обмотки трансформатора тяговой подстанции: а - без ФКУ; б - с использованием ФКУ

2. Исследование амплитудно-частотной характеристики ФКУ

Амплитудно-частотная характеристика фильтр-компенсирующего устройства и отдельных его узлов приведена на рис. 4.

Анализ рис.4 показывает, что уменьшение входного сопротивления ФКУ на частоте 150 и 250 Гц обеспечивают фильтрацию третьей и пятой гармоники тягового тока, а следовательно повышение коэффициента искажения потребляемого тока и увеличение коэффициента мощности.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2004/2

128

Реконструкция тяговых средств

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика входного сопротивления фильтр-компенсирующего устройства: 1- АЧХ основной части ФКУ (Ьк,Ск); 2- АЧХ фильтр-пробки (L150, С150); 3- АЧХ ЬС-контура на 50 Гц

(L50, С50, Rd); 4- АЧХ всего ФКУ

3. Коммутационные характеристики ФКУ

Включение ФКУ сопровождается небольшим увеличением тока.

Значительные перенапряжения, которые могут достигать 80 кВ, возникают в момент отключения ФКУ (рис. 5). Длительность перенапряжений достигает десятков микросекунд. Возможны повторные пробои межконтактного промежутка выключателя, при которых кратность перенапряжений может значительно возрасти.

4. Заключение

Результаты моделирования электромагнитных процессов в системе тягового электроснабжения переменного тока показывают, что применение ФКУ на тяговых подстанциях позволяет улучшить качество потребляемой электроэнергии за счет повышения коэффициента мощности тяговой подстанций на 12 - 18 % и коэффициента искажения формы тока на 7 %; улучшения распределения токов по фазам трансформатора и питающей энергосистемы (отношение наибольшего тока фазы к наименьшему снижается с 2 - 2,2 до 1,7 - 1,8); повышения напряжения на фидерах тяговых подстанций на 1 - 3 %.

Для надежной работы ФКУ необходимо принятие решений по защите элементов ФКУ от коммутационных перенапряжений.

2004/2

Известия Петербургского университета путей сообщения

Реконструкция тяговых средств

129

а)

б)

Рис. 5. Временные диаграммы процесса отключения ФКУ: а - напряжение и ток ФКУ; б - напряжения на контактах вакуумных выключателей

УДК 621.382.2

КОМПАКТНЫЙ ОХЛА ДИТЕЛЬ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

А.Б. Буянов, И.Г. Киселев, С.И. Степанов

Аннотация

Повышение единичной мощности преобразователей асинхронного тягового электропривода требует создания эффективных и компактных устройств охлаждения силовых полупроводниковых приборов и модулей. Предложена конструкция компактного испарительно-воздушного охладителя, обеспечивающая сбережение материальных и энергетических ресурсов. Приведены результаты расчетно-

Известия Петербургского университета путей сообщения

2004/2