Выбор схемы и расчет параметро сглаживающих устройств тяговых подстанций с многопульсовыми выпрямителями

в работе проведены исследования кривой выпрямленного напряжения и даны рекомендации по выбору схемы и параметров сглаживающего устройства тяговой подстанции. В экономическом разделе выполнено технико-экономическое сравнение СУ. В разделе безопасность и экологичность рассмотрены мероприятия по безопасноу проведению работ на преобразовательном трансформаторе, включающие в себя как организационные, так и технические. ...

Введе-ние………………………………………………………………………..…….11
1 Выбор схемы и расчет параметров сглаживающих устройств тяговых подстанций с многопульсовыми выпрямителя-ми............................….........…....…………12
1.1 Виды влияний тяговой сети постоянного тока на смежные устройст-ва...........................................................................................................................12
1.2 Схемы выпрямления многопульсовых преобразователей, их сравни-тельная оценка с точки зрения влия-ний......................…............................………….…….14
1.2.1 Шестипульсовые схемы выпрямле-ния.............................................................14
1.2.2 Двенадцатипульсовые схемы выпрямле-ния....................................................15
1.2.3 Двадцатичетырехпульсовые схемывыпрямле-ния..........................................22
1,2.4 Сравнение схем выпрямле-ния.....................................................................26
1.3 Характеристика основного оборудования тяговых подстанций Омской дистанции электроснабже-ния.................................................................................27
1.4 Расчет гармоник на выходе многопульсовых выпрямителей при симметричных и несимметричных напряжениях питающей се-ти.........................................39
1.5 Выбор схемы и расчет параметров сглаживающих устройств при раз-личных устройствах связи и автоблокиров-ки.........................................................................48
2 Технико-экономическое сравнение сглаживающих уст-ройств...........................70
2.1 Расчет стоимости капитальных вложений на сооружение сглаживающих уст-ройств............................................................................................................................70
2.2 Эксплуатационные расхо-ды.................................................................................71
2.3 Технико-экономическое сравнение и выбор схемы сглаживающих уст-ройств............................................................................................................................76
3 Обеспечение требований безопасности труда при производстве работ на преобразовательном трансформато-ре.............................................................................77
3.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов при выполнении ра-бот................................................................................................77
3.2 Организационные мероприятия по технике безопасности при производстве работ на преобразовательном трансформато-ре........................................................78
3.3 Технические мероприятия по технике безопасности при производстве работ на преобразовательном трансформато-ре...............................................................78
3.4 Технические средства защиты, обеспечивающие безопасность работ, оценка их эффективно-сти........................................................................................................85
Заключе-ние…………………………………………………………….......................88
Библиографический спи-сок……….......………………………………….…………89
Приложение Распечатка графического материала, выполненного в элек-тронном ви-де……………………………………………………………………………….......91
Многопульсовые мостовые схемы выпрямле-ния............…………..…..лист 1
Исходные данные для расчета.............................……….…… ……..…лист 2
Расчет гармоник выпрямленного напряжения 6-пульсового преобразователя при симметричных питающих напряжени-ях...........................…………...лист 3
Действующее значение напряжения на выходе многопульсовых выпрямителей при различных режимах питающего напряже-ния……………………..лист 4
Расчет псофометрического напряжения для 12- и 24-пульсовых схем вы-прямления при использовании однозвенных апериодических и резонансно-апериодических сглаживающих устройств..............................…....………..... лист 5
Результаты расчета псофометрического напряже-ния....................……лист 6
Схемы сглаживающих фильтров при применении 12-пульсовых выпря-мителей...........................................................................……….……………..…лист 7
Частотные характеристики однозвенных апериодического и резонансно-апериодического сглаживающих устройств...........................……………...…лист 8

Железнодорожный транспорт является одной из ключевых отраслей на-родного хозяйства России. В структуре электропотребления железных дорог удельный вес электропотребления на тягу поездов составил 86,2 %, на эксплуатационные нужды – 1,0 %, на прочее потребление – 2,8 %.
Преобразование переменного тока в постоянный на электрических железных дорогах осуществляется при помощи статических преобразователей (выпрямителей), устанавливаемых на тяговых подстанциях.
Получаемое при преобразовании переменного тока выпрямленное напряжение является пульсирующим и содержит помимо постоянной составляющей, гармоники, имеющие различную частоту и величину. Гармонические составляющие выпрямленного напряжения определяют протекание по контактной сети переменных токов различной частоты, создавая в окружающем простр анстве переменное магнитное поле, а разность напряжений между контактным проводом и землей (рельсами) – переменное электрическое поле. Таким образом, тяговая сеть электрических железных дорог постоянного тока является источником электромагнитного влияния, вызывая в смежных устройствах (линиях связи, автоматики, телемеханики и других), проходящих вдоль трассы электрической железной дороги, индуктивные опасные и мешающие влияния. Все это требует разработки и создания технических средств, обеспечивающих электромагнитную со-вместимость тяговой сети и смежных устройств.
Среди технических средств, обеспечивающих снижение влияний тяговой сети на линии связи, наиболее эффективными являются сглаживающие устрой-ства (СУ)

627
2 610

14,1
76,7
7,2
0,7
140
Сыропятская
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,0
1,3
658
2 610

12,0
75,7
7,2
0,5
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

15,6
70,8
7,2
0,6
141
Кормиловка
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

16,0
69,9
7,2
0,7
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

14,2
70,1
7,5
0,6
142
Осокино
ТДРУНГ - 20000 / 110
20
12, 75
110,0
3,4
69
867

47,9
148,2
12,6
3,4
143
Калачинская
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

12,7
74,1
7,2
0,6
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

15,7
72,1
7,2
0,7
144
Валерино
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

13,0
73,8
7,4
0,6
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

13,5
75,4
7,1
0,6
145
Илюшкино
ТДРУНГ - 20000 / 110
20
12, 75
110,0
3,4
69
867

47,9
90,0
12,6
3,4
146
Колония
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
2,6
627
1 260

17,2
68,9
7,6
0,9
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

15,7
69,3
7,3
0,9
Окончание таблицы 1.3
1
2
3
4
5
6
7
8
9

11
12
13
14
147
Лагунака
ТДРУНГ - 20000 / 110
20
12, 75
110,0
3,4
69
867

35,0
90,0
12,6
3,4
148
Каратканск
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

13,5
69,1
7,5
0,7
ТРДП – 12500 / 10 ЖУ1
12,5
11, 4
10,5
1,3
627
2 610

15,7
69,3
7,4
0,9
149
Забулга
ТДРУНГ - 20000 / 110
20
12, 75
110,0
3,4
69
867

35,0
87,7
12,6
3,4
Таблица 1.4 – Кремниевые полупроводниковые выпрямители Омской дистанции электроснабжения
Номер подстанции
Наименование подстанции
Тип
выпрямителя
Iном,
А
Количество пульсаций - m
Параллельные ветви в плече - a
Последовательно соединенные диоды - s
Количество вентилей – n
Тип диода
1
2
3
4
5
6
7
8
9
124
Называевская
ТПЕД-3150 -3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
ТПЕД-3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
126
Кочковатская
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ133 -500
ПВЭ - 5 У1
3 000
12
5
7
420
ВЛ - 200
128
Драгунская
ПВЭ – 3
3 000
12
5
9
540
ВЛ - 200
БСЕ - 1 4ВД5 - Д5
3 150
12
2
2
48
Д 453-2000
130
Новокиевская
ПВЭ - 5 У1
3 000
12
5
7
420
ВЛ - 200
ПВЭ – 3
3 000
12
5
9
540
ВЛ - 200
132
Любинская
ПВЭ - 5 У1
3 000
12
5
7
420
ВЛ - 200
БСЕ - 1 4ВД5 - 24
3 150
12
2
2
48
Д 453-2000
134
Петрушенко
ТПЕД-3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
ПВЭ – 3
3 000
12
5
9
540
ВЛ - 200
136
Омск
ПВЭ - 5 У1
3 000
12
5
7
420
ВЛ - 200
ПВЭ - 5 У1
3 000
12
5
7
420
ВЛ - 200
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
24
3
4
288
ДЛ 133-500
Окончание таблицы 1.4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
137
Омск -
Северный
В-ТПЕД - 3150 - 3,3к-У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ153-2000
В-ТПЕД3150-3,3к-У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ 153-2000
138
Московка
ПВЭ – 3
3 000
6
5
18
540
ВЛ - 200
БСЕ - 1 4ВД5 - Д5
3 150
6
2
2
24
Д 453-2000
139
Густафьево
В-ТПЕД3150 - 3,3к - У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ 153-2000
В-ТПЕД3150 - 3,3к - У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ153-2000
140
Сыропятская
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133–500
141
Кормиловка
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
142
Осокино
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
6
6
8
288
ДЛ 133-500
143
Калачинская
В-ТПЕД3150 - 3,3к - У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ 153-2000
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
144
Валерино
В-ТПЕД3150 - 3,3к - У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ 153-2000
В-ТПЕД3150 - 3,3к - У1
3 150
12
2
2
48
ДЛ 153-2000
145
Илюшкино
ПВЭ - 5 У1
3 000
6
5
14
420
ВЛ - 200
146
Колония
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
147
Лагунака
ПВКЭ - 2 У1
3 000
6
5
14
420
ВЛ - 200
148
Каратканск
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
ТПЕД -3150 - 3,3к - У1
3 150
12
6
4
288
ДЛ 133-500
149
Забулга
ПВЭ - 5 У1
3 000
6
5
14
420
ВЛ - 200
Таблица 1.5 – Сглаживающие устройства Омской дистанции электроснабжения
Окончание таблицы 1.5
1
2
3
4
5
6
7
8
141
Кормиловка
однозвенный
резонансно –
апериодический
РБФАУ-6500
5,91
5,66
18,6
136; 348
142
Осокино
однозвенный
резонансно –
апериодический с 4 контурами
РБФАУ-3250
4,45
4,18
1,17; 1,25; 1,76
15; 25; 40; 100
143
Калачинская
однозвенный апериодический
РБФАУ-6500
4,9
4,87

501
144
Валерино
РБФАУ-6500
4,82
4,62

481
145
Илюшкино
однозвенный
резонансно –
апериодический с 4 контурами
РБФАУ-3250
4,45
4,18
1,17; 1,25; 1,76; 3,16
15; 25; 40; 90; 100
146
Колония
РБФАУ-6500
6,78
6,75
3,15; 1,76; 1,25; 1,17
90; 40; 25; 15; 100
147
Лагунака
РБФАУ-3250
4,46
4,22
1,17; 1,25; 1,76; 3,16
15; 25; 40; 90; 100
148
Каратканск
РБФАУ-6500
5,1
4,5
3,13; 1,76; 1,25; 1,17
90; 40; 25; 15;100
149
Забулга
РБФАУ-3250
4,4
4,14
1,17; 1,25; 1,76; 3,16
84; 15; 25; 40;90
1.4 Расчет гармоник на выходе многопульсовых выпрямителей при
симметричных и несимметричных напряжениях питающей сети
Для оценки порядка и величин реальных гармоник кривой выпрямленного напряжения, которые могут оказать наибольшее опасное и мешающее влияние на смежные устройства при работе выпрямителей тяговой подстанции, необходимо знать следующие параметры:
1) номинальная мощность и напряжение короткого замыкания силового и тягового трансформаторов подстанции, схема выпрямления;
2) параметры питающей системы (несимметрия и несинусоидальность питающих напряжений, отклонение напряжения, сопротивление питающей системы);
3) режим нагрузки выпрямителя.
Оценим реальные параметры питающей системы.
В режиме нагрузки благодаря индуктивному сопротивлению в цепях переменного напряжения переключение тока с одного вентильного плеча на другое происходит в течение времени, оцениваемого углом коммутации. Угол коммутации зависит от схемы выпрямления, тока нагрузки и индуктивного сопротивления коммутации, которое состоит из сопротивлений питающей системы , понижающего и тягового трансформаторов, приведенных к напряжению вентильной обмотки тягового трансформатора.
Результирующее индуктивное сопротивление определяют по формуле:
, (1.2)
где , – соответственно сопротивление и напряжение питающей системы;
U2 – фазное напряжение вентильной обмотки тягового трансформатора (для
6-пульсовой нулевой схемы выпрямления U2 = 3,02 кВ; для 6-пульсовой мостовой схемы выпрямления U2 = 1,51 кВ; для 12-пульсовой схемы выпрямления с последовательным соединением мостов U2 = 0,755 кВ; для 12-пульсовой схемы выпрямления с параллельным соединением мостов U2 = 1,51 кВ; для 24-пульсовой схемы выпрямления последовательного типа U2 = 0,378 кВ);
, – номинальные мощности соответственно понижающего и тягового трансформаторов, МВА;
, – напряжения короткого замыкания соответственно понижающего и тягового трансформатора, %.
Величина несимметрии питающих напряжений зависит от наличия мощных однофазных нагрузок, получающих питание от данной системы. Обычно на большинстве тяговых подстанций постоянного тока несимметрия питающих напряжений лежит в пределах 1–2 %, что соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
Отклонение напряжения в питающей системе нормируется ГОСТ 13109-97 и должно лежать в пределах: нормально допустимое значение ± 5 %, предельно допустимое значение ± 10 %. Наибольшие значения гармоник в кривой выпрямленного напряжения будут при большем отклонении напряжения в большую сторону, поэтому при несимметрии питающих напряжений от 0 до 2 % принято нормально допустимое значение отклонения напряжения + 5 % от номинального, при несимметрии от 2 до 10 % .
Гармонический состав питающего напряжения, действующее значение питающего напряжения на стороне 10 кВ, степень несимметрии оказывают наибольшее влияние на гармонический состав выпрямленного напряжения. При определении влияния тяговой сети постоянного тока должны быть созданы условия в которых отдельные гармоники выпрямленного напряжения принимали бы наибольшее значение. Для этого было проанализировано качество напряжения на тяговых подстанциях Кормиловка и Омск на выходе выпрямителя.
Математическая обработка результатов исследований качества электрической энергии на шинах 10 кВ тяговых подстанций постоянного тока была произведена в программе Excel 2007.
Реактансы системы на шинах тяговых подстанций представлены в таблице 1.6.
Таблица 1.6 - Реактансы системы на шинах тяговых подстанций
Номер подстанции
Наименование подстанции
U, кВ
Xмакс, Ом
Iмакс, кА
Sмакс, МВ∙А
Xмин, Ом
Iмин, кА
Sмин, МВ∙А
124
Называевская
115
15,6
4,3
847,8
48,4
1,4
273,2
126
Кочковатская
115
17,8
3,7
742,9
46,5
1,4
284,4
128
Драгунская
115
13,3
4,9
994,4
37,9
1,8
348,9
130
Новокиевская
115
15,0
4,3
853,2
19,6
3,4
674,7
132
Любинская
115
14,4
4,6
918,4
16,6
4,0
796,7
134
Петрушенко
115
3,4
19,5
3889,7
4,7
14,1
2813,8
136
Омск
115
5,7
11,6
2320,2
8,4
7,9
1574,4
137
Омск - Северный
115
0,5
13,2
239,8
0,5
12,6
229,7
138
Московка
115
4,1
16,2
3225,6
8,9
7,5
1486,0
139
Густафьево
115
10,1
6,6
1309,4
28,6
2,3
462,4
140
Сыропятская
115
9,9
6,7
1335,9
49,7
1,3
266,1
141
Кормиловка
115
13,4
4,9
986,9
43,5
1,5
304,0
142
Осокино
115
14,3
4,6
924,8
29,0
2,3
456,0
143
Калачинская
115
12,7
5,2
1041,3
30,6
2,2
432,2
144
Валерино
115
17,9
3,7
740,9
32,7
2,0
403,9
145
Илюшкино
115
18,4
3,6
717,9
46,7
1,4
283,4
146
Колония
115
42,9
1,5
308,3
95,6
0,7
138,3
147
Лагунака
115
16,3
5,2
813,8
53,4
1,2
247,9
148
Каратканск
115
12,7
6,7
1043,8
61,6
1,1
214,6
Таблица 1.7  Значения питающих напряжений, используемые в расчетах, при
различной степени их несимметрии
Параметр
Расчетные значения фазных питающих напряжений при
различной степени их несимметрии
0 %
2 %
U1A, В
5774
5774
U1B, В
5774
5774
U1C, В
5774
5659
При оценке возможной несинусоидальности кривой питающего напряжения отметим, что на основании экспериментальных исследований, проведенных на ряде электрифицированных участков железных дорог [6, 7], установлено наличие в гармоническом спектре напряжений, питающих выпрямители тяговых подстанций, в основном пятой, седьмой, одиннадцатой и тринадцатой гармоник. Причем на участке с двенадцатипульсовыми выпрямителями преобладают 11 и 13 гармоники, на участке с шестипульсовыми все вышеперечисленные гармоники имеют одинаковый удельный вес в спектре.
По мере приближения тяговой подстанции к центру питания искажение кривой питающего напряжения уменьшается. Существенное влияние на значения гармоник кривой выпрямленного напряжения оказывает не только величина, но и фаза гармоник питающего напряжения. При наличии на участке тональных рельсовых цепей наибольший интерес представляют гармоники частотой 300 и 600 Гц, они будут определять схему и параметры сглаживающего устройства.
Режим нагрузки выпрямителя примем номинальным (Id = 3150 А), так как значения всех гармоник выпрямленного напряжения с ростом нагрузки увеличиваются, нам же необходимо выявить наибольшие их значения.
Значения параметров питающей сети приведены в таблице 1.8.
Таблица 1.8  Значения параметров питающей сети
Параметр
Значения
Параметр
Значения
U1, В
5774
U1(29), В
1,10
U1(3), В
29,04
U1(31), В
1,24
U1(5), В
17,89
U1(35), В
18,14
U1(7), В
9,37
U1(37), В
18,99
U1(11), В
88,40
1А(3), эл. град.
90
U1(13), В
48,80
1А(5), эл. град.
90
U1(17), В
2,07
1А(7), эл. град.
U1(19), В
1,19
1А(11), эл. град.
45
U1(23), В
30,20
1А(13), эл. град.
225
U1(25), В
29,30
1А(17), 1А(19), 1А(23), 1А(25), 1А(29), 1А(31), 1А(35), 1А(37), эл. град.
На кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университета путей сообщения разработана программа «Двадцатичетырехпульсовый выпрямитель», позволяющая получить исходные данные по гармоническому составу для выбора схем и параметров сглаживающих устройств для тяговых подстанций с двенадцатипульсовыми неуправляемыми выпрямителями
Результаты расчета гармоник кривой выпрямленного напряжения двенадцатипульсового и двадцатичетырехпульсового выпрямителя для тяговой подстанции при различной степени несимметрии и несинусоидальности с использованием ПЭВМ представлены в таблицах 1.9 – 1.11.
Таблица 1.9  Результаты расчета гармоник и коэффициента сглаживания гармоник выпрямленного напряжения 12-пульсового преобразователя тяговой подстанции Кормиловка при несимметрии 2%
n
f
Значение гармоник выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя при синусоидальном несимметричном напряжении, В
Значение выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя при несимметричном несинусоидальном напряжении, В
2
100
35,49
35,46
4
200
6
300
0,48
8
400
0,12
0,57
10
500
4,07
3,62
12
600
82,69
94,02
14
700
6,55
7,14
16
800
0,26
0,76
18
900
0,48
20
1000
0,33
0,59
22
1100
5,06
4,88
24
1200
40,62
58,82
26
1300
5,52
5,35
28
1400
0,4
0,18
30
1500
0,49
32
1600
0,55
0,36
34
1700
5,6
5,77
36
1800
28,07
28,99
Таблица 1.10  Результаты гармонического анализа выпрямленного напряжения
12-пульсового преобразователя тяговой подстанции Омск при
несимметрии 2%
n
2
f
100