УСТРОЙСТВА ПОПЕРЕЧНОЙ ЕМКОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
|
Введение 4
1 Проблемы обеспечения электроснабжения переменного тока 8
1.1 Качество электроэнергии в сетях тягового электроснабжения
переменого тока 8
1.2 Анализ электромагнитных процессов в системе «тяговая сеть-
электровоз» 12
1.3 Модель системы «тяговая сеть-электровоз» 14
1.4 Анализ частотных и временных характеристик системы тягового
электроснабжения 16
1.5 Анализ влияния искажения токов и напряжений в тяговой сети на
качество электроэнергии в сетях нетяговых потребителей 20
1.6 Мероприятия по улучшению качества электрической энергии в сетях
тягового электроснабжения 21
2 Расчет пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для систем
тягового электроснабжения 26
2.1 Анализ характеристик существующих установок поперечной
емкостной компенсации для систем тягового электроснабжения 26
2.2 Компенсационные характеристики и методы реализации пассивных
фильтрокомпенсирующих устройств 32
2.3 Широкополосные демпфирующие фильтры 35
2.4 Пример расчета пассивного ФКУ 38
3 Расчет и исследование характеристик многофункциональных
фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового
электроснабжения 44
3.1 Требования к ФКУ 44
3.2 ФКУ с простейшим демпфирующим фильтром первого порядка.... 45
3.3 Фильтрокомпенсирующие устройства с широкополосными
фильтрами третьего порядка 49
3.4 Анализ напряжений на элементах ФКУ 57
3.5 Выбор параметров элементов ФКУ 58
3.6 Выбор основного оборудования для ФКУ 60
3.7 Анализ переходных процессов при включении ФКУ тяговую сеть..61
Заключение 68
Список использованных источников 70
1 Проблемы обеспечения электроснабжения переменного тока 8
1.1 Качество электроэнергии в сетях тягового электроснабжения
переменого тока 8
1.2 Анализ электромагнитных процессов в системе «тяговая сеть-
электровоз» 12
1.3 Модель системы «тяговая сеть-электровоз» 14
1.4 Анализ частотных и временных характеристик системы тягового
электроснабжения 16
1.5 Анализ влияния искажения токов и напряжений в тяговой сети на
качество электроэнергии в сетях нетяговых потребителей 20
1.6 Мероприятия по улучшению качества электрической энергии в сетях
тягового электроснабжения 21
2 Расчет пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для систем
тягового электроснабжения 26
2.1 Анализ характеристик существующих установок поперечной
емкостной компенсации для систем тягового электроснабжения 26
2.2 Компенсационные характеристики и методы реализации пассивных
фильтрокомпенсирующих устройств 32
2.3 Широкополосные демпфирующие фильтры 35
2.4 Пример расчета пассивного ФКУ 38
3 Расчет и исследование характеристик многофункциональных
фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового
электроснабжения 44
3.1 Требования к ФКУ 44
3.2 ФКУ с простейшим демпфирующим фильтром первого порядка.... 45
3.3 Фильтрокомпенсирующие устройства с широкополосными
фильтрами третьего порядка 49
3.4 Анализ напряжений на элементах ФКУ 57
3.5 Выбор параметров элементов ФКУ 58
3.6 Выбор основного оборудования для ФКУ 60
3.7 Анализ переходных процессов при включении ФКУ тяговую сеть..61
Заключение 68
Список использованных источников 70
Железнодорожный транспорт России потребляет около 6 % вырабатываемой в стране электроэнергии. Расход энергии на тягу поездов в структуре электропотребления железных дорог составляет более 70 %. В связи с этим одной из приоритетных задач Энергетической стратегии ОАО «Российские железные дороги» является повышение энергоэффективности, ускоренный переход к энергосберегающим технологиям.
Повышение качества электроэнергии и компенсация реактивной мощности в электроэнергетических системах с тяговыми нагрузками является одним из основных направлений по снижению потерь электроэнергии.
Искажение синусоидальной формы токов и напряжений в тяговых сетях отрицательно влияет на эффективность функционирования
электроподвижного состава, устройств связи, сигнализации, автоматики и телемеханики, могут вызывать повреждение оборудования.
Основным средством улучшения качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Они осуществляют ослабление высших гармоник токов и напряжений, а также обеспечивают компенсацию реактивной мощности и регулирование напряжения в точке подключения.
Развитию методов проектирования пассивных фильтрокомпенсирующих устройств посвящены работы многих отечественных и зарубежных специалистов. Однако в большинстве случаев рассматриваются компенсирующие устройства для многофазных промышленных сетей. Системы тягового электроснабжения имеют особенности, которые отличают их от общепромышленных сетей и снижают эффективность традиционных ФКУ.
Первая особенность заключается в том, что электроподвижной состав переменного тока представляет собой мощную однофазную нелинейную нагрузку, оказывающую отрицательное влияние на качество электроэнергии как в тяговой, так и во внешней сети. Силовые преобразователи электровозов переменного тока реализованы по однофазной мостовой схеме. Такие преобразователи вызывают значительные искажения формы потребляемого тока, в спектре которого преобладают нечетные низкочастотные гармоники (3, 5, 7-я). Несинусоидальные токи вызывают искажения напряжений на токоприемниках ЭПС.
Вторая особенность систем тягового электроснабжения состоит в том, что по отношению к гармоникам высокого порядка протяженная контактная сеть ведет себя как линия с распределенными параметрами. Установившиеся и переходные процессы в системе тягового электроснабжения сопровождаются резонансными явлениями, которые вызывают значительные искажения кривой напряжения. Резонансные явления в протяженных тяговых сетях оказывают мешающее влияние на устройства проводной связи, чувствительное электронное оборудование. Таким образом, необходимо применение специальных мер, направленных на снижение влияния тяговой сети на системы связи, цепи питания устройств автоматики и телемеханики.
Для повышения энергоэффективности, улучшения качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения необходимы многофункциональные ФКУ, осуществляющие регулирование реактивной мощности, подавление наиболее мощных низкочастотных гармоник, демпфирование резонансных режимов, обеспечивающие электромагнитную совместимость ЭПС с устройствами проводной связи, автоматики и телемеханики.
Цель работы - совершенствование многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового электроснабжения,обеспечивающих компенсацию реактивной мощности и электромагнитную совместимость электроподвижного состава с тяговой сетью, устройствами проводной и радиосвязи, цепями питания устройств автоматики и телемеханики.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести анализ электромагнитных процессов в системах тягового электроснабжения с учетом распределенного характера тяговой сети.
2) Разработать методы расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств, позволяющие варьировать конфигурации и характеристики ФКУ в зависимости от требований по компенсации реактивной мощности, обеспечению электромагнитной совместимости электроподвижного состава и системы электроснабжения.
3) С помощью предложенных методов выполнить расчет и исследовать статические и динамические характеристики фильтрокомпенсирующих устройств для систем с тяговой нагрузкой. Провести сравнение предлагаемых конфигураций ФКУ с известными.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, 3 главы основного текста, заключение, библиографический список из 34 наименований и приложение. Общий объем диссертации 73 страницы.
В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения электромагнитной совместимости электроподвижного состава с системами тягового электроснабжения (СТЭ) переменного тока. Исследованы особенности электромагнитных процессов в системах тягового электроснабжения, обусловленные распределенным характером тяговой сети для высокочастотных гармоник.
Вторая глава посвящена разработке методов расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового электроснабжения. Рассмотрены методы синтеза широкополосных фильтров, основанные на использовании методов реализации резистивно нагруженных четырехполюсников лестничной структуры.
В третьей главе выполнен расчет и исследованы характеристики ФКУ для систем тягового электроснабжения, рассчитанных с помощью предложенных методов. Проведено сравнение характеристик предлагаемых ФКУ с известными устройствами, используемыми в тяговых сетях переменного тока. Анализ показал, что предлагаемые ФКУ обладают определенными технико-экономическими преимуществами перед известными устройствами поперечной емкостной компенсации, используемыми в системах тягового электроснабжения. Предлагаемые варианты ФКУ позволяют снизить потери в элементах, уменьшить мешающее влияние преобразователей ЭПС на системы связи и чувствительное электронное оборудование.
Повышение качества электроэнергии и компенсация реактивной мощности в электроэнергетических системах с тяговыми нагрузками является одним из основных направлений по снижению потерь электроэнергии.
Искажение синусоидальной формы токов и напряжений в тяговых сетях отрицательно влияет на эффективность функционирования
электроподвижного состава, устройств связи, сигнализации, автоматики и телемеханики, могут вызывать повреждение оборудования.
Основным средством улучшения качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения являются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Они осуществляют ослабление высших гармоник токов и напряжений, а также обеспечивают компенсацию реактивной мощности и регулирование напряжения в точке подключения.
Развитию методов проектирования пассивных фильтрокомпенсирующих устройств посвящены работы многих отечественных и зарубежных специалистов. Однако в большинстве случаев рассматриваются компенсирующие устройства для многофазных промышленных сетей. Системы тягового электроснабжения имеют особенности, которые отличают их от общепромышленных сетей и снижают эффективность традиционных ФКУ.
Первая особенность заключается в том, что электроподвижной состав переменного тока представляет собой мощную однофазную нелинейную нагрузку, оказывающую отрицательное влияние на качество электроэнергии как в тяговой, так и во внешней сети. Силовые преобразователи электровозов переменного тока реализованы по однофазной мостовой схеме. Такие преобразователи вызывают значительные искажения формы потребляемого тока, в спектре которого преобладают нечетные низкочастотные гармоники (3, 5, 7-я). Несинусоидальные токи вызывают искажения напряжений на токоприемниках ЭПС.
Вторая особенность систем тягового электроснабжения состоит в том, что по отношению к гармоникам высокого порядка протяженная контактная сеть ведет себя как линия с распределенными параметрами. Установившиеся и переходные процессы в системе тягового электроснабжения сопровождаются резонансными явлениями, которые вызывают значительные искажения кривой напряжения. Резонансные явления в протяженных тяговых сетях оказывают мешающее влияние на устройства проводной связи, чувствительное электронное оборудование. Таким образом, необходимо применение специальных мер, направленных на снижение влияния тяговой сети на системы связи, цепи питания устройств автоматики и телемеханики.
Для повышения энергоэффективности, улучшения качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения необходимы многофункциональные ФКУ, осуществляющие регулирование реактивной мощности, подавление наиболее мощных низкочастотных гармоник, демпфирование резонансных режимов, обеспечивающие электромагнитную совместимость ЭПС с устройствами проводной связи, автоматики и телемеханики.
Цель работы - совершенствование многофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового электроснабжения,обеспечивающих компенсацию реактивной мощности и электромагнитную совместимость электроподвижного состава с тяговой сетью, устройствами проводной и радиосвязи, цепями питания устройств автоматики и телемеханики.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести анализ электромагнитных процессов в системах тягового электроснабжения с учетом распределенного характера тяговой сети.
2) Разработать методы расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств, позволяющие варьировать конфигурации и характеристики ФКУ в зависимости от требований по компенсации реактивной мощности, обеспечению электромагнитной совместимости электроподвижного состава и системы электроснабжения.
3) С помощью предложенных методов выполнить расчет и исследовать статические и динамические характеристики фильтрокомпенсирующих устройств для систем с тяговой нагрузкой. Провести сравнение предлагаемых конфигураций ФКУ с известными.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, 3 главы основного текста, заключение, библиографический список из 34 наименований и приложение. Общий объем диссертации 73 страницы.
В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения электромагнитной совместимости электроподвижного состава с системами тягового электроснабжения (СТЭ) переменного тока. Исследованы особенности электромагнитных процессов в системах тягового электроснабжения, обусловленные распределенным характером тяговой сети для высокочастотных гармоник.
Вторая глава посвящена разработке методов расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового электроснабжения. Рассмотрены методы синтеза широкополосных фильтров, основанные на использовании методов реализации резистивно нагруженных четырехполюсников лестничной структуры.
В третьей главе выполнен расчет и исследованы характеристики ФКУ для систем тягового электроснабжения, рассчитанных с помощью предложенных методов. Проведено сравнение характеристик предлагаемых ФКУ с известными устройствами, используемыми в тяговых сетях переменного тока. Анализ показал, что предлагаемые ФКУ обладают определенными технико-экономическими преимуществами перед известными устройствами поперечной емкостной компенсации, используемыми в системах тягового электроснабжения. Предлагаемые варианты ФКУ позволяют снизить потери в элементах, уменьшить мешающее влияние преобразователей ЭПС на системы связи и чувствительное электронное оборудование.
Сформулируем основные результаты диссертационной работы.
1. Рассмотрены проблемы обеспечения качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения. Показано, что основными факторами, влияющими на резонансные частоты сети, являются длина участка сети и индуктивность трансформатора.
2. Предложены фильтрокомпенсирующие устройства, обеспечивающие независимую коррекцию частотной характеристики сопротивления системы тягового электроснабжения в диапазонах низкочастотных и высокочастотных гармоник. ФКУ предложенной структуры осуществляют компенсацию реактивной мощности, подавление наиболее мощных низкочастотных гармоник тока и напряжения, а также демпфирование резонансных режимов в диапазоне высокочастотных гармоник.
3. Разработаны методы расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового электроснабжения, позволяющие варьировать конфигурации и характеристики ФКУ в зависимости от требований по компенсации реактивной мощности, обеспечению электромагнитной совместимости электроподвижного состава и системы электроснабжения.
4. Выполнен расчет и исследованы характеристики многофункциональных ФКУ для систем электроснабжения с тяговой нагрузкой. Проведено сравнение предлагаемых структур ФКУ с известными устройствами, используемыми в системах тягового электроснабжения переменного тока. Доказаны технико-экономические преимущества предлагаемых ФКУ перед известными.
1. Рассмотрены проблемы обеспечения качества электроэнергии в системах тягового электроснабжения. Показано, что основными факторами, влияющими на резонансные частоты сети, являются длина участка сети и индуктивность трансформатора.
2. Предложены фильтрокомпенсирующие устройства, обеспечивающие независимую коррекцию частотной характеристики сопротивления системы тягового электроснабжения в диапазонах низкочастотных и высокочастотных гармоник. ФКУ предложенной структуры осуществляют компенсацию реактивной мощности, подавление наиболее мощных низкочастотных гармоник тока и напряжения, а также демпфирование резонансных режимов в диапазоне высокочастотных гармоник.
3. Разработаны методы расчета пассивных фильтрокомпенсирующих устройств для систем тягового электроснабжения, позволяющие варьировать конфигурации и характеристики ФКУ в зависимости от требований по компенсации реактивной мощности, обеспечению электромагнитной совместимости электроподвижного состава и системы электроснабжения.
4. Выполнен расчет и исследованы характеристики многофункциональных ФКУ для систем электроснабжения с тяговой нагрузкой. Проведено сравнение предлагаемых структур ФКУ с известными устройствами, используемыми в системах тягового электроснабжения переменного тока. Доказаны технико-экономические преимущества предлагаемых ФКУ перед известными.