Сглаживающие устройства

Составляющие выпрямленного напряжения. Напряжение, получаемое от преобразовательных агрегатов, является не постоянным, а пульсирующим (рис. 224, а). Периодичность пульсации при схемах выпрямителей мостовой и «две обратные звезды» шестикратная и частота пульсации соответственно равна 50 • 6 = 300 Гп. Выпрямленное пульсирующее напряжение аналитически можно представить как сумму двух составляющих — постоянной Ud и переменной UЧем больше переменная составляющая по отношению к постоянной, тем больше пульсация. Качество выпрямленного напряжения характеризуется коэ(})фициентом пульсации кп, равным отношению переменной составляющей Udll к постоянной Ud:

к0 = UJUd. (190)

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения при холостом ходе и синусоидальном симметричном сетевом напряжении при указанных схемах выпрямления составляет примерно 4,2%, а при номинальном токе без регулирования напряжения он достигает 7%.Переменная составляющая аналитически может быть представлена как сумма синусоидальных переменных напряжений с частотой, кратной частоте пульсации (рис. 224, б). Такие синусоидальные напряжения с

частотой 300; 600; 900; 1200 Гц и т. щая составляющая, называют высшими гармоническими составляю-ними, или просто гармониками. Порядок этих и других гармоник, кратных промышленной частоте переменного тока /1г = 50 Гц, определяется делением частоты высшей гармонической на частоту 50 Гц. Соответственный порядок будут иметь и их коэффициенты пульсации согласно выражению (190). Значения коэффициентов пульсации при номинальном токе составляют: при частоте 300 Гц кивР«6,5%; 600 Гц—/сЦ|2г?»3,5% ; 900 Гц—кп1Рг« «2%; 1200 Гц—кп241, ~ 1.5%. Сумма этих гармоник показана на рис. 224, я. Кроме указанных четырех гармоник, в переменную составляющую входят другие гармоники, дающие в сумме кривую Udn — ef (Рис. 224, г).

Во многих случаях переменное напряжение энергосистемы песи-нусоидалыю, что вызывает увеличение пульсации гармоник и их cue-

д., из которых слагается перемеи-

Рнс. 224. Кривые выпрямленного напряжения (а) и его составляющих (б, в ,г) тава. Кроме указанных гармоник 300; 600; 900; 1200 Гц и выше, в выпрямленном напряжении появляются также гармоники 100; 200; 400; 500 Гц и выше при асимметрии сетевого напряжения.

Мешающее действие высших гармоник. Переменная составляющая выпрямленного напряжения, равная сумме указанных гармоник, создает в контактной сети переменный ток, цепь которого замыкается через тяговые двигатели и рельсы. Переменный ток вызывает электромагнитное, электростатическое и гальваническое действие на линии связи. Электростатическое действие создается электрическим полем проводов контактной сети, значение которого невелико, вследствие чего не требуется специальных мер но устранению такого влияния на линии связи. Гальваническое действие создается наложением переменных токов высших гармоник, проходящих в рельсовой цени и земле, на токи липни связи, у которых вторым проводом является земля. На электрифицированных линиях не допускают по этим соображениям однопроводпые линии связи и должна быть обеспечена надежная изоляция от земли двухпроводных линий связи.

Электромагнитное действие создается магнитным нолем проводов контактной сети. Магнитный поток этого ноля имеет составляющие, пропорциональные токам гармоник. Переменная составляющая магнитного потока, пересекая близлежащие провода линии связи, наводит в них э. д. с. Так как .два провода связи одной цепи находятся по отношению к контактной сети на различном расстоянии, то в них индуцируется э. д. с. различной величины одного направления. Разность этих э. д. с. в двух проводах большой длины создает в телефонной сети мешающий переменный ток, состоящий из тех же высших гармоник, что и ток в тяговой цени. Этот ток вызывает шум в телефонных аппаратах и мешает вести переговоры или искажает телеграфные передачи. Радикальными мерами для устранения электромагнитного влияния тягового тока являются относы линии связи на расстояние более 100 м от контактной сети или каблирование линии связи. Однако эти меры требуют больших капитальных затрат. Более целесообразно применение на тяговых подстанциях сглаживающих устройств, не пропускающих в контактную сеть ток высших гармоник. Каблирование линий связи значительно дороже сглаживающих устройств и применяется при системе однофазного тока, так как последний вызывает не только мешающее, но и опасное влияние па линии связи. В проводах этих линий при близком расстоянии от нуги возникает значительная э. д. с. (1000 В и более), опасная для персонала и линий связи.

Схемы сглаживающих устройств (СУ). СУ состоит из одного (рис. 225, а) или двух (рис. 225, б не) реакторов, включенных в минусовую шину, и резонансных контуров, состоящих из конденсаторов и индуктивных катушек. Каждый контур настраивают в резонанс на определенную частоту из числа гармоник, имеющихся в выпрямленном напряжении. Спектр частот в переменной составляющей выпрямленного напряжения очень разнообразен — от 100 до 6000 Гц через каждые 100 Гц, причем наибольшие амплитуды напряжений имеют гармоники, кратные 300 Гц. Наибольшее мешающее воздействие на линии связи оказывают гармоники от 100 до 1500 Гц.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения не может создать тока в резонансных контурах вследствие наличия в них конденсаторов. Переменной составляющей напряжения создается ток, проходящий по реактору и двум параллельным цепям (см. рис. 225, й): первой — резонансным контурам, второй — контактной сети и тяговым двигателям электровоза. Сумма падений напряжения в реакторе AUр и резонансных контурах Л(/]; равна переменной составляющей:

AUV + AUK. (19]}

Следовательно, падение напряжения в резонансных контурах является одновременно тем переменным напряжением, которое создает в контактной сети мешающий переменный ток. Чем меньше падение напряжения AUK, тем меньше влияние тягового тока на линии связи. В реальных СУ А£/р « 0,98Ullu; AUK « 0,02Uda.

Идеальным сглаживающим устройством является такое, у которого независимо от частоты все напряжение переменной составляющей теряется в реакторе Lp, а в резонансных контурах потеря напряжения равна нулю. Для этого необходимо: сечение проводов, присоединяющих контуры к шинам, выбирать как можно большим, а длину их сокращать до минимума; во избежание активных потерь катушки выполнять с наименьшим активным сопротивлением, а конденсаторы — с наименьшим диэлектрическими потерями; контакты цепи контуров выполнять с наименьшим переходным сопротивлением и постоянно контролировать их состояние; индуктивное сопротивление каждого контура подбирать соответственно емкостному сопротивлению этого контура так, чтобы их общее сопротивление было равно нулю, т. е. настраивать контуры точно в резонанс. Для резонанса п-й гармоники необходимо соблюдение соотношения

xLn = хСп или со,, Ln = 1 /ш„ С„, (192)

где со„ — угловая частота п-й гармоники; С„ и L„ — емкость и индуктивность для контура п-й гармоники.

Мешающее действие переменной составляющей выпрямленного напряжения зависит от падения напряжения в цепи резонансных контуров. Сглаживающее действие фильтра, предназначенного для гой или иной гармоники, т. е. проводящего ток этой гармоники, характеризуется коэффициентом сглаживания /сС|.д.„. Коэффициент сглаживания представляет отношение напряжения п-й гармоники Udan до фильтра к напряжению этой гармоники после фильтра, или, что одно и то же, к падению напряжения на контуре фильтра Л(/„п:

,, _ U dun In ?п

"'сгл-и— А,, , , •

'\и К71 In! к л 2к„

Так как отношению напряжений соответствует отношение полных сопротивлений, то коэффициент сглаживания какого-либо контура можно представить выражением

"l/Witn ■ !"^?bn)2'! (хка -ЛГр,,)2 .. Ху,п

— 1 — . ^ — у

г‘п1 у -•!- Хцп «к*

где х_рп и х_кп — индуктивные сопротивления реактора и контура для гармоники п-й частоты; R_m и R_tm — активные сопротивления реак­тора и контура для гармоники п-й частоты.

В формуле (193) под знаком корня в числителе активные сопротив­ления реактора R_pn и контура R_l{n и реактивное сопротивление кон­тура х,_та незначительны по сравнению с х_р„, а в знаменателе л',_;п < R_l;n. Ими пренебрегают ввиду малых значений.

Активное сопротивление контура складывается из диэлектричес­ких потерь в конденсаторах, определяемых по углу потерь tg б, и активного сопротивления индуктивных катушек, проводов и контак­тов. Это сопротивление

Run = « tg 6/о5„С„,

где а — коэффициент, учитывающий активное сопротивление прово­дов, контактов и катушек.

Следовательно,

•УцТ’ «I. f-pit _ ^Cn

R_Kn at л/(о„С„ ati> ft

Коэффициент сглаживания тем выше, чем больше _р„ и С_п и чем меньше активное сопротивление контура.

Когда каждый контур LC настроен па частоту, кратную 300 Гц, то сглаживающее устройство называется одпозвенпым (см. рис. 225, а). Имеются такие же двухзвенные сглаживающие устройства, коэффи­циент сглаживания которых выше однозвенных. В двухзвеипом сгла­живающем устройстве Западно-Сибирской ж. д. (см. рис. 225, б) три контура LC настроены на частоты 100; 200 и 300 Гц. Емкость С4 сов­местно с реактором L_р2 предусмотрена для сглаживания гармоники частотой 174 Гц.

На рис. 225, в изображено двухзвенное семиконтурное сглаживаю­щее устройство ВНИИЖТ. Первое звено состоит из шести контуров на частоты от 100 до 600 Гц и реактора L_pl\ второе звено состоит из кон­денсатора С7 и реактора /. _Р2, параллельно которому подключен кон­тур L_m С_ш. Это звено рассчитано на сглаживание гармоник с частотой выше 600 Гц. Звено £,_р2-/.,_мС_ш образует фильтр-пробку для частоты 300 Гц, в котором принято С_ш = 12 мкФ. При известных значениях С_ш и Lp₂ определяют величину L_m исходя из условия резонанса при частоте 300 Гц: х/, + х*,_ш = х-_ш или &>L_p2 + <оД„ = 1/(о6'_|П, от­

куда Ь_т = 1/со²С_ш — L_vi = 10⁹/4л.² • 300²Сщ—L_p2 = 281.5/С,,, — L_p2.

Для снижения помех в каналах высокой частоты предусматрива­ется включение конденсатора С =112 мкФ между катодом выпрямите­ля и контуром заземления подстанций, как показано на рис. 225, а.

Ухо человека воспринимает гармоники частотой от 100 до 5000 Гц. Однако действие их на слух при одном и том же напряжении различ­но. Мешающее действие той или иной гармоники определяют, сравни­вая ее с гармоникой частотой 800 Гц, принятой по международным нор­мам. Г1о нормам необходимо, чтобы значение общего эквивалентного мешающего напряжения £/,_ш на выходе питающей линии тяговой се­ти во избежание помех не превышало 0,0015(7_Л, г. е. около 5 В. Исхо-

(191)

дн из этой нормы выбирают индуктивности реакторов и емкости при проектировании. Сглаживающие устройства в зависимости от индуктивностей реакторов обеспечивают следующие значения /ссг„ и Западно-Сибирской ж. д.—/ссгл = 554-150, £/эм = 2,8-4-1,2 В; ВНИИЖТ — ксгл - 1804-340, иш = 0,74-0,4 В.

При ненормальных режимах работы выпрямителей (работа без одной фазы) возможно возникновение гармоники 150 Гц, имеющей большой коэффициент пульсации и вызывающей большие помехи в линии связи. Для сигнализации о таком ненормальном режиме в цепь фильтров включают ТТ катушечного типа ТК.Ч, от которого питается токовое реле РТ, замыкающее цепь сигнализации при возникновении гармоники тока 150 Гц.

При выполнении ремонтных работ в СУ необходимо внимательно выполнять правила техники безопасности. Конденсаторы отключенного СУ представляют большую опасность для обслуживающего персонала, так как на их обкладках сохраняются накопленные заряды. Конденсаторы необходимо немедленно разрядить после отключения СУ. Для разряда конденсаторов используют резистор Rv, цепь на который создается разъединителем Р (см. рис. 223, а и б) при отключении СУ. Кроме того, необходим дополнительный разряд каждого конденсатора специальным переносным разрядным резистором ввиду наличия у них остаточных зарядов, опасных для жизни человека.

Конструкция сглаживающего устройства. Реактор СУ устанавливают на изоляторах для изоляции от земли. Его индуктивность не зависит от величины тока, так как он не имеет стального сердечника. Реакторы СУ комплектуют из блоков заводского изготовления. Блок состоит из четырех секций, в секции 14 рядов, а в каждом ряду 8 витков. Блок имеет 8 выводов (по два вывода от каждой секции), что позволяет осуществить параллельно-последовательное или параллельное соединение секций между собой. Число блоков в СУ определяется требуемой индуктивностью реактора, необходимой для достижения соответствующего значения коэффициента сглаживания в зависимости от параметров контуров СУ.

В каждом контуре устанавливают по 2 катушки, расположенных параллельно на брусе и взаимно перемещающихся одна относительно другой. Изменением расстояния между катушками контура получают требуемую индуктивность. Катушки выполняют из медного провода, который наматывают на изолированный каркас. Конденсаторы для СУ применяют типа ФМТЧ-12 с масляной изоляцией емкостью но 12 мкФ, рассчитанные на напряжение 4 кВ. Все соединения катушек и конденсаторов выполняют из полосовой меди. Индуктивные катушки и конденсаторы помещают по условиям безопасности в отдельном изолированном помещении. Катушки размещают так, чтобы не было взаимного влияния различных контуров друг на друга. По условиям удобства монтажа конденсаторы и катушки устанавливают комплектно в металлических шкафах. Защиту конденсаторов и катушек от КЗ осуществляют высоковольтными предохранителями типа ПК-6/150. Реакторы ввиду больших габаритов и массы (около 1 т) устанавливают в пристройке.

Устройство разрядное. Отключение БВ при токах КЗ и перегруз­ках на фидерах постоянного тока сопровождается подгоранием глав­ных контактов и стенок дугогасительных камер БВ срабатыванием разрядников в РУ-3,3 кВ. Такие явления происходят от перенапря­жений, создаваемых электромагнитной энергией, образующейся в ре­акторах СУ. Величина запасенной энергии W_p зависит от индуктивности реакторов L_p и квадрата тока /_р, т. е. 1V'_P = I_р/*/2. Действие ш_р про­является в момент спада тока в реакторе, т. е. и момент гашения дуги в БВ. Для гашения этой энергии применяют устройство разрядное (УР), которое шунтирует реакторы. Применение УР при индуктив­ности реакторов 10 мГн и более позволяет: в 2—3 раза уменьшить энер­гию, выделяемую в дугогасительных камерах БВ; продлить срок служ­бы БВ за счет уменьшения износа контактов и стенок дугогаснтель- ных камер; сократить время отключения тока КЗ выключателем, что может снизить вероятность пережогов контактной сети; уменьшить пе­ренапряжение на шинах 3,3 кВ, что существенно облегчит работу вен­тильных разрядников.

УР (рис. 226) состоит из двух параллельных цепей диодов Д1-Д10 типа ВЛ-200-10 с резисторами R1-R10 и четырех секций на тиристо­рах T1-TS типа ТЛ-200-10. В каждой секции включено последователь­но по 2 тиристора. В управляющие электроды тиристоров включены ва- ристоры U1-U8 (варистор — нелинейный полупроводниковый резис­тор, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины приложенного напряжения), которые являются датчиками для УР.

К mesa

При нормальном режиме работы фидеров контактной сети на зажимах 1-12 реакторов образуется э. д. с. саоминдукции, величина которой изменяется в зависимости от нагрузки подстанции. Из-за незначительной величины этой э. д. с. срабатывание УР не происходит. Когда отключение БВ происходит от КЗ или перегрузки, то на реакторе (в момент спада тока в нем) появляется э. д. с. самоиндукции со знаком плюс в точке 1 и знаком минус в точке 12. Если амплитуда э. д. с. самоиндукции превысит напряжение открытия варисторов U одной из секций, например варисторов U1 и U2, начинает протекать небольшой ток по цепи: 1-2-Д1, Д5 и Rl, R5-Ppl-Ul-0 1-U2-Ct2-11-PC-TT-I2. Со стабилитронов Сг1 и Сг2 из точек 3 н 4 поступают положительные отпирающие потенциалы на управляющие электроды тиристоров Т1 и Т2. При открытом состоянии тиристоров 77, Т2 протекает больший ток по цепи: 1-2-Д1, Д5 и Rl, R5-R/)1-T1, Т2-11-РС-ТТ-12. Когда ток через разрядный резистор Rpl достигнет величины, при которой падение напряжения на нем станет больше напряжения открытия варисторов другой цепи, например U3 и U4, произойдет отпирание тиристоров второй секции и т. д. Энергия, запасенная в реакторах 6р1, Lр2, рассеивается в резисторах Rpl-Rp4. После отключения БВ снижается до рабочего значения напряжение на реакторе и изменяется полярность на нем — минус в точке 1 и плюс в точке 12. Тиристоры закрываются, шунтирующее действие УР прекращается.

При пробое тиристоров любой секции происходит ложная работа УР. Вследствие длительного шунтирования реакторов нарушается нормальная работа СУ. Кроме того, длительное протекание пульсирующего тока через диоды Д1-Д10 может вывести их из строя.

Блок защиты УР состоит из диодного моста Д11-Д14, фильтра из конденсаторов 67 и С2, стабилитронов Ст<)-Ст13, резисторов R35 и R36, герконного реле РТ с мапштоуправляемыми контактами. При пробое тиристоров происходит бросок тока через первичную обмотку ТТ. Во вторичной обмотке ТТнаводится э. д. с. значительной величины, которая, выпрямляясь диодным мостом и стабилизируясь, подается на быстродействующее реле РТ. Реле РТ срабатывает при амплитудном значении тока в первичной обмотке ТТ более 20 А. Контакты реле РТ замыкают цепь моторного привода, действующего на отключение разъединителя Р. При действительной работе УР, т. е. при шунтировании им реакторов в момент отключения БВ от токов КЗ или перегрузки, импульс тока также трансформируется во вторичную обмотку ТТ, однако реле РТ не срабатывает, так как фильтр из конденсаторов 67 и С2 задерживает нарастание напряжения на катушке разе РТ на время отключения БВ. Срабатывание УР фиксируется регистратором срабатывания PC.