Электромагнитная совместимость устройств. Конспект лекций для студентов специальности "Электроснабжение железнодорожного транспорта"
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
РЕЗЮМЕ При расчете напряжения мешающего влияния приходится учитывать большую длину линии связи и несинусоидальность влияющего тока, что приводит к необходимости суммирования напряжений влияния на разных участках и к расчету на гармониках. Учитывается обычно только магнитное влияние, а суммирование производится в квадратурах. Возможность расчета на гармониках определяется теоремой Фурье и линейностью цепи, подверженной влиянию. Возврат к оглавлению Лекция 13. ИСТОЧНИКИ МЕШАЮЩИХ ВЛИЯНИЙ 13.1. Определение влияющих токов тяговой сети переменного тока< В случае тяговой сети переменного тока межподстанционные зоны для высших гармоник являются электрически длинными и расчеты тока контактной сети должны учитывать это обстоятельство. <Правила защиты:> [1] предлагают рассматривать все тяговые плечи как плечи одностороннего питания. Все токи участков по рис. 34 при этом рассчитываются независимо друг от друга. Гармонические составляющие тягового тока для каждого из участков определяются из выражения  , где  - гармоника тока электровоза, работающего в конце плеча питания при нормальном режиме;  - волновой коэффициент, учитывающий изменение тягового тока по длине тяговой сети и вычисляемый по методике "Правил защиты..." [1]; в случае короткого участка его можно принять равным единице.Гармоники тока электровоза можно определить тремя следующими путями: · приближенно по выражениям, приведенным в разделе 13.2, где учитывается основной источник несинусоидальности в тяговой сети переменного тока - выпрямитель электровоза, нагруженный активно-индуктивной цепью; · по таблице "Правил защиты..." [1] (выдержки из нее представлены в табл. 4), в которой предполагается, что каждая секция восьмиосного электровоза потребляет ток 150 А в режиме тяги; при работе n секций диодного или тиристорного электровоза расчетное значение влияющего тока следует увеличить в  раз; значения гармоник тока предполагаются пропорциональными действующему значению тока электровоза;· путем практического измерения гармоник тягового тока. Таблица 4 Ток в удаленном от тяговой подстанции конце тягового плеча одностороннего питания однопутного участка для одной секции восьмиосного электровоза, потребляющего ток 150 А в режиме тяги
13.2. Спектральный состав тока выпрямительного электровоза Источником несинусоидальности в тяговой сети переменного тока является выпрямительный электровоз. В простейшем варианте можно рассмотреть закономерности возникновения гармоник тока при применении для питания тяговых двигателей мостовой схемы выпрямления (рис. 35а).  Рис. 35 За счет катушки Ld происходит сглаживание пульсаций выпрямленного тока, и можно считать в первом приближении, что через двигатели течет не изменяющийся во времени ток Id. В положительный полупериод напряжения u2 ток протекает по цепи VD1-M-VD2, а в отрицательный - по цепи VD3-M-VD4. За счет наличия индуктивности рассеяния переключение происходит за конечное время, соответствующее углу коммутации γ. На рис. 34в изображены формы тока через вентили в зависимости от напряжения вторичной обмотки (рис. 34б); поскольку ток вторичной обмотки равен i2=i V1-iV4 , то форма тока первичной обмотки (рис. 34г) определяется вычитанием соответствующих импульсов тока вентилей VD1 и VD4. Первичный ток имеет форму, близкую к трапецеидальной; в реальных условиях форма тока зависит от ходовой позиции электровоза, скорости движения, уровня напряжения, наличия других электровозов на фидерной зоне. При оценочных расчетах можно заменить реальную форму кривой тока прямоугольными импульсами или импульсами трапецеидальной формы. Для прямоугольных импульсов (рис.34д)  ,где kт - коэффициент трансформации преобразовательного трансформатора, а для трапецеидальных импульсов (рис.34е)  .13.3. Определение влияющих токов тяговой сети постоянного тока Обычно в тяговой сети постоянного тока основными источниками гармоник являются тяговые подстанции, что позволяет говорить о наличии в тяговой сети источника ЭДС гармоник, поскольку наличие конденсатора в сглаживающем устройстве тяговой подстанции обусловливает малое ее внутреннее сопротивление. По последней причине входное сопротивление межподстанционной зоны можно считать равным сопротивлению тяговой сети. После разложения несинусоидального напряжения тяговой подстанции на гармоники можно легко определить ток от подстанции на гармонике k. Сопротивления электроподвижного состава имеют индуктивный характер и довольно большие на гармониках, так что токи гармоник не зависят от наличия электровозов на зоне, а при одинаковых подстанциях входные сопротивления тяговой сети с двух сторон межподстанционной зоны одинаковы, Zвх,i. Влияющий ток тяговой сети равен  , - векторная разность напряжений смежных подстанций на гармонике k. Гармоники напряжения тяговой подстанции определяются напряжением на выходе выпрямителя и сглаживающим эффектом фильтра тяговой подстанции. В следующем разделе рассматривается гармонический состав напряжения на выходе выпрямителя, а сглаживающее действие фильтра рассмотрено в разделе 14.4.13.4. Спектральный состав напряжения на входе сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока Наиболее часто для выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций постоянного тока применяются шестипульсовые схемы. Простейшая мостовая схема шестипульсового выпрямителя показана на рис. 36, где преобразовательный трансформатор с внешней сетью представлены источниками ЭДС и индуктивностями рассеивания Xs, а тяговые двигатели со сглаживающей катушкой замещены -цепочкой.  Рис. 36 При работе выпрямителя происходит поочередное переключение вентилей, причем переход тока с одного вентиля на другой происходит в середине интервала времени включения третьего вентиля. Например, переход тока с вентиля VD1 на вентиль VD2 при превышении напряжения на вентиле VD2 происходит в середине интервала времени работы вентиля VD6. Этот процесс переключения вентилей называется коммутацией, и при отсутствии тока нагрузки он происходит практически мгновенно. В итоге на холостом ходе при симметричном входном трехфазном напряжении выпрямитель выдает пульсирующее напряжение, выделяя максимальные значения из шести половинок синусоиды (рис. 37а). Согласно теореме Фурье периодическое напряжение характеризуется набором гармоник, у которого основная частота определяется периодом исходного напряжения. На рис. 37а период выпрямленного напряжения равен 3.33 мс, так что это напряжение имеет постоянную составляющую и гармоники с частотами, кратными 300 Гц. Поскольку питание выпрямителя производится от сети 50 Гц, при некоторых условиях частоты гармоник могут оказаться кратными 100 Гц и даже 50 Гц. По этой причине за базовую частоту принимают 50 Гц и говорят о частоте 300 Гц как о шестой гармонике. По переменной ω tпериод напряжения по рис. 37а равен π/3, так как ω=2π/T, T=20 мс. В гармоническом составе выпрямленного напряжения присутствуют гармоники с номерами 6, 12, 18 и так далее.  Рис. 37 На рис. 37б показана кривая выпрямленного напряжения при несимметрии входного напряжения, когда амплитуда синусоиды второй фазы больше амплитуд первой и третьей фазы. Второй и пятый (соответствующий нижней части синусоиды) импульсы оказываются больше соседних импульсов. Период выпрямленного напряжения равен T=10 мс, а частота первой гармоники f1=1/T=100 Гц. Если отсчитывать время в единицах ω t , то период выпрямленного напряжения в этом случае равен π. При появлении у выпрямителя нагрузки начинают играть роль процессы, определяемые наличием в цепи целого ряда индуктивных элементов, препятствующих резким изменениям тока. При токе в нагрузке ее индуктивность Xd поддерживает ток на почти постоянном уровне, и на запирающемся вентиле ток должен скачком упасть до нуля, а на вновь отпертом возрасти до уровня тока Id. Разумеется, этого не происходит из-за наличия в цепи вентилей индуктивных элементов Xs, так что некоторое время после отпирания подхватывающего вентиля запирающийся вентиль еще отперт; этот отрезок времени, в течение которого схема выглядит ненормально - в ней целых три отпертых вентиля - называется временем коммутации, а в единицах ω t - углом коммутации γ вентилей. Рис. 37в отображает ситуацию с коммутацией вентилей. Угол коммутации сильно влияет на спектральный состав выпрямленного напряжения, в целом увеличивая уровень высших гармоник. При управляемых вентилях начало коммутации может быть задержано относительно естественного момента отпирания. Величина угла коммутации γ в шестипульсовой схеме определяется известным выражением:  ,где Id - величина выпрямленного тока, Xs - индуктивное сопротивление трансформатора и питающей сети переменного тока, отнесенное к числу витков вентильной обмотки; E2 - действующее значение фазного напряжения вентильной обмотки. При малых γ < π/6  , и при учете соотношения ,где Sкз - мощность короткого замыкания на шинах питающего напряжения подстанции, Sн - номинальная мощность трансформатора, E2=2.62 кВ, uк - напряжение короткого замыкания трансформатора в процентах, получим  , град.,где Sкз подставляется в мегавольтамперах, Sн - в киловольтамперах, Id - в амперах. При двух трансформаторах - тяговом и преобразовательном - вместо uк/Sн берется сумма uк т/Sн т+uк пр/Sн пр. С увеличением нагрузки выпрямителя растет угол коммутации и амплитуды гармоник, и обычно при расчете напряжения шума на отдельной фидерной зоне двухстороннего питания нагрузку одной тяговой подстанции берут равной номинальной нагрузке, а другой - половине от номинальной нагрузки. Если питающее тяговую подстанцию напряжение строго симметрично, то на выходе неуправляемого выпрямителя появляются гармоники с номерами k, равными 6, 12, 18 и так далее, коэффициенты разложения которых в ряд Фурье могут быть определены по графикам "Правил защиты..." [2] или вычислены по следующим формулам [8]:  При несимметрии питающего трехфазного напряжения в выходном напряжении выпрямителя появляются четные гармоники под номерами 2, 4, 8 и т.д. Напряжения этих гармоник, величины которых обычно существенно меньше гармоник, кратных 6, можно определить из графиков "Правил защиты..." [2]. Гармоники выпрямителя тяговой подстанции снижаются сглаживающими фильтрами тяговых подстанций, учет которых рассмотрен в разделе 14.4. РЕЗЮМЕ Величины гармоник влияющего тока при расчетах мешающих влияний определяются таблицами и формулами нормативных документов. Для некоторых отдельных случаев расчет гармоник влияющего тока может быть проведен по упрощенным формулам, приведенным в данном разделе. Возврат к оглавлению Лекция 14. АКТИВНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ НА СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ 14.1. Классификация способов снижения влияний Мероприятия по уменьшению влияния могут осуществляться как в подверженной влиянию смежной линии, так и в тяговой сети - источнике влияний. Мероприятия, осуществляемые в смежной линии, защищают только данную линию, и поэтому их относят к пассивным. Таким мероприятием являются относ смежной линии от железной дороги, а для линии связи возможно применение кабельных линий, скрещивание проводов, установка разрядников, установка разделительных трансформаторов, включение дренажных катушек с заземленной средней точкой и ограничивающих фильтров, повышение уровня передачи, использование редукционных трансформаторов. К активным защитным мероприятиям для линий связи относят применение отсасывающих трансформаторов на дорогах переменного тока и фильтр-устройств на тяговых подстанциях постоянного тока для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Эти мероприятия действуют на все смежные линии и эффективность их тем выше, чем больше число одновременно защищаемых линий. 14.2. Применение отсасывающих трансформаторов При электрификации на переменном токе для снижения напряжения магнитного влияния применяют отсасывающие трансформаторы. Основная идея метода - увеличение экранирующего действия рельсов, которые в обычных условиях уменьшают влияние примерно в два раза. С этой целью увеличивают взаимосвязь между контактной сетью и рельсами; можно еще уменьшить собственное продольное сопротивление рельсов, но этого трудно достичь. Взаимосвязь увеличивают применением специальных трансформаторов, названных отсасывающими, поскольку они заставляют ток нагрузки течь по рельсам, как бы отсасывая ток из земли. Два варианта включения отсасывающих трансформаторов иллюстрируются схемами рис. 38. На рис. 38а показана схема с включением вторичной обмотки трансформатора в рассечку рельса, а на рис. 38б - с включением в рассечку дополнительно монтируемого провода, называемого обратным проводом.  Рис. 38  Рис. 39 Коэффициент трансформации отсасывающих трансформаторов обычно равен единице или по крайней мере близок к единице. Величина сопротивления нагрузки вторичной обмотки составляет в схеме рис. 38а доли Ома, в схеме рис. 38б - 1-3 Ома, то есть режим работы отсасывающего трансформатора близок к короткому замыканию, как у трансформатора тока. Роль отсасывающего трансформатора в схеме рис. 38а такая же, как у путевого источника тока в системе постоянного тока. В обеих схемах токи в обмотках трансформатора практически противофазны, а напряжения на обмотках сравнительно небольшие. На рис. 39а показана схема работы группы отсасывающих трансформаторов, включенных в рассечку рельса, при расположении одного электровоза на участке. Как видно из графика распределения тока в рельсах (рис. 39в), ток в рельсах с трансформаторами гораздо больше тока без трансформаторов и экранирующее действие рельсов сильнее.  Рис. 40 На рис. 40 представлена схема включения на участке нескольких отсасывающих трансформаторов с обратным проводом, а также распределения токов в контактной сети, обратном проводе и рельсах при трех электровозах на участке. Для этой схемы ток в контактной сети и ток в обратном проводе индуктируют в рельсах соответствующие ЭДС, которые в общем случае не компенсируют друг друга, вызывая протекание в рельсах индуктированного тока. В смежной линии наводятся ЭДС от токов контактной сети, обратного провода и рельсов почти по всей длине сближения, и суммарная ЭДС такого типа называется транзитной составляющей. Другая составляющая, называемая местной, обусловлена влиянием тягового тока электровозов на нескольких участках сравнительно небольшой длины, расположенных между каждым электровозом и ближайшей к нему перемычкой. На этих участках протекают токи в контактной сети, обратном проводе и ток в рельсах с частичной утечкой в землю. Характер влияния этих участков на смежную линию такой же, как от обычной тяговой сети без отсасывающих трансформаторов. Отсасывающие трансформаторы целесообразно включать в тяговую сеть в местах сопряжения анкерных участков, где удобно секционировать контактную сеть, выполнив сопряжение изолирующим. Поэтому расстояние между отсасывающими трансформаторами кратно длине анкерного участка, составляющей около 1.5 км. Наиболее оптимальное расстояние между отсасывающими трансформаторами составляет для схемы рис. 39а примерно 3 км, при этом коэффициент экранирования рельсов в 2-5 раз меньше, чем в случае без отсасывающих трансформаторов, а удорожание тяговой сети еще не слишком большое. Отсасывающие трансформаторы с обратным проводом при оптимальном расстоянии между трансформаторами 4.5 км снижают опасные влияния в 4-10 раз. Недостатком применения отсасывающих трансформаторов являются большие затраты на их приобретение, установку и обслуживание. 14.3. Применение демпфирующих контуров Тяговая сеть, имеющая распределенные емкость и индуктивность, может рассматриваться как колебательный контур. В момент завершения коммутации вентилей выпрямителя в нем возникают затухающие колебания на частотах резонанса контура. При большой добротности контура гармоники этих частот резко выделяются над остальными, приходясь к тому же на участок вблизи максимума частот наибольшего влияния (1 кГц).  Рис. 41 Для снижения добротности контура и амплитуд резонирующих гармоник применяют демпфирующий RC-контур (рис. 38). Выбором величин R и C обеспечивают гашение резонансных колебаний в широком диапазоне частот и относительно небольшое увеличение гармоник низких частот. 14.4. Сглаживающие фильтры тяговых подстанций постоянного тока Для снижения переменной составляющей выпрямленного напряжения на шинах 3.3 кВ на каждой тяговой подстанции постоянного тока монтируется специальное сглаживающее устройство, представляющее собою фильтр, построенный по Г-образной схеме. Фильтры тяговых подстанций состоят из реактора и ряда включенных параллельно друг другу индуктивно-емкостных контуров (рис. 42), настроенных на разные частоты, так что для них   Рис. 42 Количественной характеристикой эффективности действия фильтра является коэффициент сглаживания  при известном коэффициенте сглаживания напряжение на выходе фильтра равно  , где  - напряжение гармоники на входе фильтра.Собственно, на рис. 42а изображено одно звено фильтра; на рис. 42б показана схема замещения звена с учетом потерь в катушках. По последней схеме несложно определить коэффициент сглаживания.  , то  , где  ,  , .При расчете kсгл для частоты, на которую настроен один из контуров, можно считать, что Zфk определяется только настроенным контуром LkC k , поскольку его сопротивление мало по сравнению с сопротивлениями других ветвей. При этом  и  . Рис. 43 "Правила защиты..." [2] рекомендуют к использованию два типа фильтров, схемы которых показаны на рис. 43. В этих схемах конденсатор С емкостью 10 мкФ установлен для снижения помех высокой частоты (выше нескольких килогерц), а индуктивности реакторов могут меняться от 3 до 11 мГн. Сравнительно низковольтный фильтр LшCшLрII в схеме рис. 43,б настроен на частоту 300 Гц и играет роль дополнительного фильтра, увеличивающего коэффициент сглаживания на этой частоте. Значение дополнительной индуктивности Lш определяется формулой  , если Cш подставлять в микрофарадах, LрII - в миллигенри. Как указано в "Правилах защиты..." [2], при Сш=10 мкФ этот фильтр увеличивает коэффициент сглаживания на частоте 300 Гц в 10 раз.В табл. 5 приведены значения коэффициентов сглаживания фильтров для некоторых частот по данным "Правил защиты..." [2] при C1=140 мкФ, C2=100 мкФ, C3=90 мкФ, C4=60 мкФ, C5=45 мкФ, C6=40 мкФ, L1=18.1 мГн, L2=6.3 мГн, L3=3.15 мГн, L4=2.25 мГн, L5=2.05 мГн, L6=1.76 мГн, Lш=23.15 мГн, Сш=10 мкФ, CII=280 мкФ для схемы типового фильтра № 1 (рис. 43а) и CII=200 мкФ для схемы типового фильтра № 2 (рис. 43б). Таблица 5 Значения коэффициентов сглаживания типовых фильтров
Помимо применения сглаживающих устройств, значительного снижения гармонических составляющих в тяговой сети достигают при использовании на тяговых подстанциях двенадцатипульсовых выпрямителей. В этом случае при симметричном питающем напряжении выпрямленное напряжение содержит только гармоники, кратные 600 Гц, и амплитуды соответствующих гармоник получаются меньше, чем при шестипульсовых выпрямителях. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||