Сглаживающее устройство

Сглаживающее устройство (СУ) — элемент систем постоянного электрического тока, предназначенный для того, чтобы не пропускать ток высших гармоник с тяговой подстанции (ТП) в контактную сеть (КС). Включаются между плюсовой (+) и минусовой (−) шинами распределительного устройства (РУ) 3,3 кВ[1].

Общие сведения

Напряжение на выходе выпрямителя u_d является пульсирующим. Его можно представить как сумму постоянной U_d составляющей выпрямленного напряжения и переменной u_dk составляющей, состоящей из бесконечного ряда гармоник

u_d = U_d + u_dn

${\displaystyle U_{dn}=\sum _{n=1}^{\infty }{u_{k}}}$,

где u_k — напряжение гармоники k-го порядка.

При симметричных питающих напряжениях у 6-пульсовых преобразователей (П) периодичность пульсаций составляет 50×6 = 300 Гц, у 12-пульсовых П: 50×12 = 600 Гц. При несимметричных питающих напряжениях появляются другие гармоники, кратных частоте 100 Гц.

Переменная составляющая u_dk создаёт в цепи «контактная сеть — тяговый двигатель — рельс» переменный ток i_dk, который в свою очередь создаёт переменное магнитное поле Ф. Это поле наводит в близлежащих проводах линии связи (ЛС) электродвижущую силу (ЭДС), которая создаёт в ЛС ток i_ЛС, состоящий из тех же гармоник, что и u_dk. Следствием этого тока являются мешающие воздействия (шум) на телефонную аппаратуру.

С применением многопульсовых преобразователей на ТП повышается качество выпрямленного напряжения. Однако при любой схеме выпрямления в реальных условиях требуется дальнейшее снижение пульсации выпрямленного напряжения, что достигается применением сглаживающих устройств.

u_dk→i_dk→Ф_≈→ЭДС→i_лс

Теория работы

• 
  Принцип работы СУ
• 
  Схема замещения тяговой сети и СУ

Постоянная составляющая U_d создаёт ток I_d\\, который не протекает по резонансным контурам из-за наличия в них конденсатора С_к. Переменная составляющая u_dn создаёт ток i_dn, который можно представить в виде двух составляющих:

1. ${\displaystyle i_{dn}'}$ — протекает по той же цепи, что и Id;
2. ${\displaystyle i_{dn}''}$ — протекает через резонансные контуры C_к - L_к.

Переменная составляющая udn распределяется между падением U в резонансном контуре — Udnk и падением U на сглаживающем реакторе Ld— Udnp:

${\displaystyle U_{dn}=U_{dnk}+U_{dnp}}$

Поэтому, ΔU в резонансных контурах u_dnK является одновременно U, которое создаёт в тяговой сети мешающий переменный ток i_dn’.

Чем меньше u_dnк, тем меньше i_dn’, и тем меньше влияние тяговой сети на ЛС.

В идеальном СУ должно быть u_dnк = 0, u_dnр= u_dn.

В реальных СУ — u_dnк =2 %, а u_dnр = 98 % от u_dn.

Для ↓ u_dnк, применяют ↑ S и ↓ l проводов резонансных контуров, у L_K и C_K ↓ R, и, особенно, стремятся достичь наилучшего резонанса напряжений в контуре^[уточнить].

Требования, предъявляемые к СУ

1. напряжение U_dk частотой 100 Гц должно быть не больше 100 В;
2. псофометрическое U_пс напряжение на выходе сглаживающего устройства должно быть не более 5 В для воздушных линий связи и не более 20 В для кабельных линий связи;
3. простота схемы;
4. минимальные потери мощности в сглаживающих реакторах;
5. Стоимость минимальна;
6. Надежность.

Схемы СУ и их классификация

Имеются 3 разновидности СУ:

1. Однозвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство;[2]
2. Двухзвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство Западно-Сибирской железной дороги;
3. Двухзвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство ВНИИЖТа.

Последнее на тяговых подстанциях ОАО «РЖД» на данный момент не используют.

Однозвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство

Однозвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство

Подключается СУ к шинам РУ-3,3 кВ с помощью разъединителя QS. К шинам РУ подключается вольтметр PV, защищаемый предохранителем FU₂.

СУ состоит из сглаживающего реактора LR1 РБФА-У-6500/3250 У2 (реактор бетонный, фильтрованный, алюминиевый, универсальный, номинальное напряжение 3,3 кВ, номинальный ток 6500 или 3250 А, для умеренного климата, для установки с металлическими ограждениями), резонансного контура 'C1-L1, настроенного на частоту 100Гц, и ёмкостного конура С, обеспечивающего сглаживание высших гармоник.

Для защиты СУ применяется предохранитель FU₁. Для контроля за работой СУ устанавливается трансформатор тока ТА (ТЧС-2-75/5У2). В цепь вторичной обмотки этого трансформатора включают амперметр и токовое реле КА типа РТ-40/10. Последнее необходимо для подачи сигнала обслуживающему персоналу об увеличении тока в СУ с выдержкой времени 1-2 с. Ток срабатывания этой сигнализации составляет 60 А на нестыковой подстанции и 80 А — на стыковой.

Двухзвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство Западно-Сибирской железной дороги

Двухзвенное резонансно-апериодическое сглаживающее устройство Западно-Сибирской железной дороги

В двухзвенном СУ три резонансных контура L₁-C₁, L₂-C₂, L₃-C₃ настроены на частоты 100, 200, 300 Гц и образуют с реактором LR1

РБФА-У-6500/3250 индуктивностью LR1 = 5мГн первое звено. Ёмкость С совместно с реактором LR2 индуктивностью 3мГн образуют второе звено

Элементы СУ

В своём составе СУ имеют сглаживающие реакторы LR, резонансные контуры, комплектуемые из конденсаторов С и катушек индуктивностей L, а также ёмкостные контуры.

Реактор РБФАУ-3,3-6500 СУ

Реактор является основным элементом СУ и предназначен для снижения мешающего воздействия гармонических составляющих на устройства связи. Однако сглаживающее действие реактора невелико и он применяется в комбинации с ёмкостью и индуктивность. Реактор типа РБФА-6500/3250 имеет 4 параллельные ветви и может без перегрева нести нагрузку 3250 или 6500 А.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивностиявляются составным элементом СУ тяговой подстанции. Они включаются последовательно с конденсаторами и образуют контуры, настроенные в резонанс при частотах 300, 600, 900 и 1200 Гц. Катушки изготавливаются из медного многожильного провода.

Конденсатор высоковольтный

Конденсаторы — второй составной элемент СУ ТП. Конденсаторы должны иметь бумажный пропитанный диэлектрик и длительно работать при номинально выпрямленном напряжении 3300 В в условиях резонансного контура.

Конструкция

• 
  Конструктивное расположения элементов сглаживающего устройства
• 
  Конструктивное выполнение сглаживающего устройства

Конструктивное исполнение сглаживающего устройства[3]

Примечание

Катушки индуктивности изготовлены из медного провода ПР-500 различного сечения и количества витков. Применяют бумажно-масляные конденсаторы ФМТ4-12 с ёмкостью 12 мкФ, рассчитанные на напряжение 4 кВ.

Резонансные катушки и конденсаторы устанавливают в отдельных помещениях закрытой части ТП или в металлических шкафах.

Крупногабаритные реакторы устанавливают в камерах с металлическими ограждениями.

Для измерения псофометрического напряжения на выходе СУ на тяговых подстанциях устанавливаюь прибор ИМН.[4]

Источники

1. Все о конденсаторах. Статья: Классификация и система условных обозначений конденсаторов

URL: http://www.amfilakond.ru/article3.shtm (недоступная ссылка) (дата обращения 05.04.15г.);

1. Трайвас М. Д. Высшие гармонические выпрямленного напряжения и их снижение на тяговых подстанциях постоянного тока. — М., «Транспорт», 1964. 100с.;
2. Б. С. Барковский, Г. С. Магай, В. П. Маценко и др.; Под ред. М. Г. Шалимова. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций. — М.: Транспорт, 1990.-127с;
3. Почаевец В. С. Электрические подстанции: Учеб. для техникумов и колледжей ж.-д. трансп. — М.: Желдориздат, 2011. — 512с. ISBN 5-94069-012-2;
4. Бадёр М. П. Электромагнитная совместимость/Учебник для вузов железнодорожного транспорта.-М.: УМК МПС,2002.-638с. ISBN 5-89035-065-X
5. Низов А. С. Электромагнитная совместимость. Методическое пособие с заданиями, методическими указаниями и справочными материалами. — Екатеринбург, 2006. — 68с.
6. ЦЭ-39. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций, пунктов питания и секционирования электрофицированных железных дорог;
7. Почаевец В. С. Электрооборудование и аппаратура электрических подстанций: Учебное пособие для студентов вузов, техникумов, колледжей и учащихся образовательных учреждениях ж.-д. транспорта, осуществляющих начальную профессиональную подготовку.-М.: УМК МПС России, 2002.-52с. ISBN 5-89035-049-8;
8. Электрические сети : URL:http://leg.co.ua/arhiv/podstancii/elektrosnabzhenie-elektrificirovannyh-zheleznyh-dorog-11.html;
9. http://lokomo.ru/ : URL:http://lokomo.ru/elektrosnabzhenie/sglazhivayuschie-ustroystva.html
10. Бей Ю. М., Мамошин Р. Р., Пупынин В. Н., Тяговые подстанции / Учебник для вузов ж.-д. транспорта. — М.: Транспорт, 1986 — 319с.;
11. Реакторы сглаживающих устройств тяговых подстанций постоянного тока. Нормы безопасности. ЦЭПЗ- 2003. Москва.

Примечания

1. Почаевец В. С. Электрические подстанции. — Желдориздат, 2011. — 512 с.
2. Штин А. Н.  УрГУПС. Выбор оборудования распределительных устройств тяговых и трансформаторных подстанций. — Екатеринбург: УрГУПС, 2009. — С. 68.
3. Почаевец В. С. Электрооборудование и аппаратура электрических подстанций. — УМК МПС России. — 2002. — 52 с. — ISBN ISBN 5-89035-049-8.
4. ЦЭ-39. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту оборудования тяговых подстанций, пунктов питания и секционирования электрофицированных железных дорог.