2.2 Енергетична взаємодія системи перетворювального обладнання тягової підстанції постійного струму із системою зовнішнього елктропостачання

Залізничний транспорт є однією з найважливіших галузей народного господарства України, конкретними перевагами якого є: енергоефективність, низький рівень викидів в атмосферу, безпека, ефективне використання простору, що дозволяє здійснювати перевезення з меншими витратами та більшою надійністю. Перспективним напрямком розвитку якого є впровадження високошвидкісного руху, що потребує аналізу та побудови структурно-логістичних зв’язків, значних інвестицій у будівництво та модернізацію існуючої інфраструктури, елементів систем залізничного транспорту зокрема системи електропостачання. Ефективність роботи тягового електропостачання також визначається станом інфраструктури передачі енергії електроприймачам (електрорухомий склад та не тягові споживачі). Сьогодні тягове електропостачання опинилось в умовах морального та фізичного старіння енергетичного комплексу: контактної мережі та тягових підстанцій.

Вирішення цих питань потребує проведення оновлення обкладення силових та низькоенергетичних систем, технічного розвитку, пошуку оптимальних рішень з підвищення енергоефективності та електромагнітної сумісності., що вмотивовано тенденцією до збільшення кількості чутливих до кондуктивних та польових звад пристрої релейного захисту, телемеханіки та автоматичного управління режимами роботи [24] побудованих на електронній та мікропроцесорній базі. Кондуктивними завадами називають перешкоди, що розповсюджуються у провідному середовищі, зокрема, по електричній мережі., відповідно до польових, випромінювальних або індуктивних завад відносяться ті, які передаються шляхом випромінювання електромагнітного поля, через непровідне середовище [25, 26].

Успішне вирішення науково-технічних проблем при впровадженні і експлуатації електрифікованих ліній постійного струму, в тому числі і підвищеної напруги, неможливе без вирішення проблеми електромагнітної сумісності від якої напряму залежать ефективність передачі та перетворення електричної енергії. Під електромагнітною сумісністю розуміють здатність електротехнічних пристроїв або їх елементів нормально функціонувати в даному електромагнітному середовищі, не вносячи неприпустимих електромагнітних завад і не отримуючи таких з її сторони.Якщо електромагнітна сумісність не забезпечена, тобто окремі елементи електротехнічних приладів не володіють заданою завадостійкістю до внутрішніх (між елементами) і зовнішніх (по відношенню до пристрою) завад, то тим самим створюються умови для: функціональних порушень з великими або меншими наслідками, пошкоджень засобів захисту і безпеки людей, погіршення якості електроенергії, погіршення електромагнітної обстановки в навколишньому середовищі, ураження обслуговуючого персоналу.

Взаємодія системи тягового електропостачання постійного струму представляє собою складний імовірнісний процес характеристика якого змінюється у площинні простору та часу, та зумовлює непередбачувані зміни електромагнітної стану суміжних пристроїв (кіл системи автоматики, ліній зв’язку та інше). Основним пристроєм на сучасних тягових підстанціях, застосування якого викликає низку негативних явищ, є тягові перетворювач. Наявність потужних нелінійних навантажень призводить до додаткових втрат електричної енергії та зниження терміну експлуатації електричних апаратів швидкідкісного руху та розвиток транспортних коридорів, впровадження сучасних технологій та обладнання, в тому числі нових типів електрорухомого складу, призводить до збільшення споживання електричної енергії, а, значить, і до збільшення споживання реактивної енергії, збільшення втрат активної енергії та погіршення гармонічного складу струмів і напруг, як на стороні змінного, так і постійного струму. Крім випрямлячів джерелом вищих гармонік струму у мережі являються трансформатори. Змінна магнітних властивостей якого призводить до спотворення кривої струму, що у трифазній системі, за симетричного навантаження симетричні системи прямої, зворотної та нульової послідовності струму. Тягові двигуни та перетворювачі сучасного рухомого складу також представляють собою нелінійне навантаження, яке здатне генерувати у тягову мережу широкий спектр перешкод. У більшості випадків гармонійний склад напруги на виході із тягової підстанції та на струмоприймачах електровозів відрізняється між собою, що є наслідком неоднорідності елементів тягової мережі. У результаті сумісної взаємодії системи електропостачання та електрорухомого складу є імовірнісним виникнення резонансних явищ на окремих частотах, які негативно впливають на роботу пристроїв електропостачання та здатні вивести їх із ладу.

Звідси виділяють наступні типи проблем електромагнітної сумісності напівпровідникових пристроїв: якість електричної енергії у живлячій мережі та зворотній вплив перетворювача на мережу; завадостійкість (резистентність) керівної частини вентильних перетворювачів до кондуктивних та польових перешкод; емісія напівпровідникових перетворювачів електромагнітних перешкод у навколишнє середовище.

Перше питання включає у собі визначення та нормування показників, якості електричної енергії із метою контролю, оцінки рівня електромагнітних завад та розрахунку збитків від неякісного електропостачання, формулювання методів обліку негативного зворотного впливу струмів навантаження на якість напруги у живлячій мережі та виявлення споживачів, що чинять недопустимий вплив на якість напруги живлячої напруги. Друга складова – проблема завадостійкості електротехнічних систем (електронних, радіоелектронних) від кондуктивних та польових завад. Рівень електромагнітних завад може досягти граничного значення, яке перевищуючи рівень завадостійкості конкретного пристрою викличе порушення його функціонування. Державними стандартам на електромагнітну завадостійкість, окремо на кожен із видів перешкод, приведенні критерії якісності функціонування технічного засобу на період дії перешкоди та час після припинення її впливу, які визначаються за стандартизованою методикою. За емісії завад напівпровідниковим перетворювачем кондуктивні характеризуються рівнями струми чи напруги, а польові рівнем електромагнітного поля. Термінологія, сертифікація випробувань нормативи приведенні у відповідних стандартах на електромагнітну сумісність.

Створена джерелами завад сукупність електромагнітних явищ є наслідком дії пристроїв, що вступають у взаємодію, та залежить від їх параметрів, особливостей електротехнічних пристроїв, заходів направлених на забезпечення електромагнітної сумісності, а також від зовнішніх, метрологічних, виробничих, механічних, факторів. Оцінка електромагнітної обстановки здійснюється показниками визначених у державних стандартах на спеціальні системи електропостачання, вимоги до якості електричної енергії мережах загального призначення та окремих стандартах на електротехнічні засоби [27–30]. Планування електромагнітної сумісності потребує дослідження існуючих шляхів взаємовпливу елементів енергетичного комплексу та зовнішніх електротехнічних суміжних до них систем. Аналіз отриманих у результаті досліджень чутливості пристроїв, передаточних функцій, що формую механізм взаємного впливу, значень напруги, струму, напруженості, частотного спектру, магнітного поля та інших характеристик завад, дозволяють визначити принципи захисту від перешкод, допустимі рівні завад та забезпечити завадостійкість до них та як наслідок забезпечити енергоефективність перетворення електричної енергії за всіх можливих умов експлуатації обладнання.

Впровадження швидкісного та високошвидкісного залізничного сполучення, що супроводжується збільшенням навантаження на живлячу мережу, застосування техніки чутливої до погіршення електромагнітного стану середовища, зростання вартості електричної енергії привертає увагу до проблеми електромагнітної сумісності. Таким чином залишається актуальним питанням зниження витрат електричної енергії шляхом покрашення технік-економічних показників системи тягового електропостачання, зокрема випрямних агрегатів тягової підстанції. Суттєве зниження експлуатаційних витрат у системі тягового електропостачання можливе шляхом збільшення числа пульсацій випрямленої напруги, також втрати електроенергії у живлячій мережі можуть бути знижені у зв’язку із зменшення впливу нелінійного навантаження, також із збільшенням пульсації випрямленої напруги дозволяє спрошувати конструкцію згладжуючи фільтрів, покращуючи їх масо-габаритні показники та зменшується вплив на сумежні лінії. У зв’язку із вказаними проблемами представляє широкий інтерес дослідження впливу негативних факторів, що виникають при перетворенні електричної енергії, їх оцінка та пошук шляхів зменшення їхнього впливу.

Живлення тягової мережі постійного струму на Україні здійснюється від 211 підстанцій приєднаних до ліній електропостачання напругою від 6-220 кВ. Якість електричної енергії, яка транспортується мережею загального призначення, залежить від потужності та параметрів електроприймачів, рівномірності завантаженості фаз, режиму роботи нейтралі., рівня напруги живлячої лінії. Потужне однофазне навантаження, повздовжня та поперечна неоднорідність електричних характеристик лінії призводить до виникнення несиметрії живлячої напруги у трифазній системі. З досвіду експлуатації системи тягового електропостачання відомо, що несиметрична напруга є характерним проявом погіршення якості електричної енергії на вводах тягових підстанцій постійного струму у зв’язку із підключенням останніх до мережі загального користування. Суттєве погіршення несиметрії живлячої напруги спостерігається у місцях приєднання до системи зовнішнього електропостачання станцій стикування, де основною причиною виникнення асиметрії є тягове навантаження змінного струму. З цих причин вкрай необхідним є аналіз впливу ступеню несиметрії напруги живлячої мережі на процес випрямлення на тягових підстанціях постійного струму.

Основним елементом, який визначає електромагнітну сумісність тягової мережі постійного струму із системою зовнішнього електропостачання, є тяговий агрегат, який представляє собою перетворювальний трансформатор та мостовий трифазний випрямляч. На діючих тягових підстанціях застосовують шестипульсні та дванадцятипульсні, із з’єднаними послідовно мостами, схеми випрямлення (рис.2.5).

а)

б)

- напруга холостого ходу на виході із випрямляча

Рисунок 2.5 – Принципова схема шестипульсного (а) та дванадцятипульсного (б) випрямляча

Впровадження останніх вмотивовано зменшенням амплітуди пульсацій та реактивної потужності споживаної випрямлячем [31] та вимогами [19]. Конструкція дванадцятипульсного випрямляча із паралельним з’єднанням мостів, як відомо, передбачає застосування зрівняльного реактору, що являється небажаним оскільки викликає додаткові втрати. Крім того, забезпечення номінальної напруги на шинах підстанції потребує відповідного збільшення у двічі номінальної напруги секцій випрямляча та обмоток трансформатора, що призводить до збільшує витрати на ізоляцію та вартість тягового агрегату.

Трансформатор дванадцятипульсної схеми повинен мати розщеплену вторинну обмотку поділену на електрино ізольовані частини, розміщенні на одному стрижні магнітної системи трансформатора. Вентильні обмотки з’єднанні за схемами зірка та трикутник для формування змішення однойменних векторів лінійних напруг на 30 електричних градусів. Миттєве значення випрямленої напруги на виході із дванадцятипульсного випрямляча представляє собою суму миттєвих значень випрямленої напруги кожної із мотових секцій (рис.2.6). Відповідно середнє значення випрямленої напруги за режиму холостого ходу для шестипульсної та дванадцятипульсної схем знаходяться за формули [32]

, (2.2)

. (2.3)

де ,– середнє значення випрямленої напруги 6-пульсної та 12-пульсноїсхеми випрямлення, В;

,– амплітудні значення напруг у фазах вентильних обмоток трансформатора з’єднаних відповідно за схемами зірка та трикутник, В.

,– миттєве та середнє значення випрямленої напруги 12-пульсної схеми випрямлення;_, – миттєве значення напруг на виході із мостових секцій випрямляча.

Рисунок 2.6 – Часові діаграми випрямленої напруги

Умови роботи вентильного плеча характеризуються середнім та максимальним струмом у відкритому стані та максимальною зворотною напругою. Вони знаходяться у залежності від значень випрямленого струму та лінійної напруги вторинних (вентильних) обмоток трансформаторів та визначаються за наступними виразами

, (2.4)

, (2.5)

, (2.6)

де ,– середній та максимальний струм вентильного плеча, А;

– випрямлений струм, А;

– максимальна зворотня напруга вентильного плеча, В;

,– лінійна напруга вентильних обмоток зібраних відповідно у зірку та трикутник, В.

За струмом вентилі шестипульсних та дванадцятипульсних перетворювачів знаходяться у рівних умовах, проте за однокового значення випрямленої напруги на виході із перетворювача, зворотня напруга на вентилях випрямлячів із послідовно з’єднаними мостами у двічі менше по відношенню до відповідного показника на елементах шестипульсних схем.

Форма кривої струму мережі від якої живиться перетворювальний агрегат залежить від низки факторів до яких можна віднести параметри навантаження та перетворювального агрегату, кількість пульсацій випрямленої напруги, схема з’єднання обмоток перетворювального трансформатора, тип схеми випрямлення (нульова, мостова). У залежності від значення параметрів навантаження знаходитися рівень потужності, яка передається до споживача, та, власне, форма кривої струму. Наприклад, за умови безкінечного значення індуктивності навантаження представляє собою ідеальну фетр-пробку й випрямлений струм та струм у мережі не містить пульсацій (гармонік). Обмотки перетворювального трансформатора шестипульсної схеми випрямлення з’єднанні за схемою «зірка-трикутник» (див.рис.2.5), що обумовлено поліпшенням кривої напруги у мережі, зменшенням вартості ізоляцію первинної обмотки та додаткових втрат у металевих конструкціях від гармонік магнітного потоку кратних до трьох. У такій схемі лінійний вторинний струм (між вентильною обмотую та плечем моста) має форму близьку до прямокутної (див.рис.2.7, в). Проте у обмотках високої та низької напруги струму навантаження набувають ступінчастої форми (див.рис.2.7, г).

Струми в обмотках трансформатора підключених до мостових секцій випрямляча за період зміни живлячої наруги два рази змінюють свій напрям, що визначає приналежність мостових схем трифазного випрямлення до двухполуперіодних та сприяє зменшенню масо-габаритних показників перетворювальних трансформаторів у зв’язку із відсутністю постійної складової струму обмоток.

–миттєва лінійна напруга вторинної обмотки; – миттєвий струм вентильного плеча;– середній струм вентильного плеча; – випрямлений струм;– миттєвий лінійний стум вторинного кола трансформатора;– миттєвий струм вентильної обмотки;– миттєвий струм первинної обмотки.

Рисунок 2.7 – Часові діаграми напруги та струму мостового випрямляча у випадку з’єднання обмоток трансформатору за схемою У/Д-1

Постійна складова у кожному із стрижнів магнітної системи трансформатора викликає некомпенсований однонаправлений потік примусового підмагнічування. Він зміщає положення робочої точки на кривій намагнічування чим зменшує допустимий діапазон зміни індукції магнітопроводу. Із метою збереження магнітного потоку на необхідному рівні при заданій напрузі потребує збільшується поперечний переріз осердя, а, отже, й маса трансформатора. Крім цього порушення магнітної рівноваги, сприяє виникненню вищих гармонік у напрузі живлячої мережі.

Діючі зазначення струму у вентильних обмотках трансформатора з’єднаних відповідно за схемами зірка та трикутник

, (2.7)

, (2.8)

де ,– діючі значення струму у вентильних обмотках трансформатора зібраних відповідно у зірку та трикутник, А.

Струми у фазах мережевої обмотки перетворювального трансформатора можна визначити розв’язавши системи рівнянь складених за аналогами законів Кірхгофа для магнітних колах. Нижче приведена система рівнянь для перетворювального трансформатора із розчепленню вторинною обмоткою (див. рис. 2.5,б) [31]

(2.9)

де ,,– струми первинних обмоток, А;

,, – струми вентильних обмоток схеми «зірка», А;

,,– струми вентильних обмоток схеми «трикутник», А;

,,– кількість первинних обмоток та вентильних обмоток відповідно за схеми «зірка», «трикутник».

Із рівнянь (2.9) отримаємо миттєве значення струму фази А

, (2.10)

де – коефіцієнт трансформації трансформатора схеми з’єднання «зірка».

Система рівнянь для магнітної системи трифазного двообмоткового трансформатора та її корені аналогічна до (2.9) і (2.10), але без складових, що представляють магніторушійні сили та струми однієї із частин вторинної обмотки.

Вираз (2.10) свідчить, що струм первинної обмотки перетворювального трансформатора являє собою алгебричну суму струмів вентильних обмоток поділених на відповідний коефіцієнт трансформації. Отримана результуюча крива струму за формою наближається до синусоїдальної (рис.2.8), що з позиції гармонійного аналізу означає зменшення кількості генерованих гармонік у мережу джерела напруги по відношенню до шестипульсного перетворювача.

–миттєва фазна напруга вентильної обмотки з’єднаної за схемою «зірка»; – миттєва фазна напруга вентильної обмотки з’єднаної за схемою «трикутник»;– миттєві струму вентильних обмоток з’єднаних за схемами «зірка» та «трикутник»;– миттєва напруга та струм первинної обмотки.

Рисунок 2.8 – Часові діаграми струму та напруги дванадцятипульсної схеми випрямлення

Порядок гармонік відносно основної частоти живлячої мережі визначається виразом [33]

, (2.11)

де – порядок гармоніки струму;

– пульсність випрямляча;

.

За семеричної напруги живлення мостового випрямляча у якого , струм у живлячій мережі має гармоніки порядком. У спектрі гармонік струму генерованих дванадцятипульсним випрямлячем до мережі відсутні гармоніки порядок яких рівний 5, 7, 17, 19 і так далі. У результаті зменшується зворотній вплив перетворювального обладнання на живлячу лінію, що проявляється у нелінійному спаді напруги на імпедансі системи електропостачання та спотворенні кривої змінної напруги на електроприймачах. Несиметрія напруги живлення негативно впливає на процес перетворення електричної енергії, що візуально можна оцінити деформацією кривих напруги та струму у колах постійного та змінного струму випрямляча.

Виходячи із цього у роботі із метою оцінки рівня несиметрії живлячої напруги було використано коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності

, (2.12)

де – коефіцієнт несиметрії напруги по зворотній послідовності, %;

– діюче значення напруги зворотної послідовності основної частоти живлячої мережі, В;

– діюче значення напруги прямої послідовності основної частоти живлячої мережі, В.

У стандартах на напівпровідникові перетворювачі та спеціальні системи електропостачання [27-29] визначається низка показників, якими проводиться оцінка якості випрямленої напруги.

Коефіцієнт поленої хвилястості випрямленої напруги під час холостого ходу

, (2.13)

де – коефіцієнт поленої хвилястості випрямленої напруги;

– діюче значення n-ї гармоніки випрямленої напруги, В;

– середнє значення випрямленої напруги , В.

Коефіцієнт пульсації напруги

, (2.14)

де – коефіцієнт пульсації напруги;

– амплітудне значення змінної складової напруги, В;

– номінальне значення випрямленої напруги, В.

Проте жоден із них не характеризує конкретно вплив рівня несиметрії вхідної напруги на випрямлену. Для виявлення цього впливу було запропоновано використати явище зміни частотного спектру випрямленої напруги при виникненні несиметрії вхідної напруги випрямляча. При симетричній живлячій напрузі на виході випрямляча присутні постійна складова та гармоніки випрямленої напруги, порядок яких кратний кількості пульсацій схеми випрямлення. Такі гармоніки прийнято називати канонічними. Несиметрична напруга спричиняє появу неканонічних (аномальних) гармонік для схеми випрямлення, що додатково спотворюють криву випрямленої напруги, збільшуючи або зменшуючи окремі напівхвилі. Так, наприклад, для 6-пульсної схеми випрямлення канонічними будуть гармонійні складові з порядком частот, який кратний до 6, тобто 6, 12, 18, 24, … . В загальному випадку формула ряду для канонічних гармонік цієї схеми визначається як , де… . Неканонічними гармоніками для 6-пульсної схеми будуть парні гармоніки з таким порядком – 2, 4, 8, 10, 14, 16, 20, 22, 26, 28, ... . Формула ряду для таких частот в загальному випадку має вигляд, де… .

Канонічні гармоніки вихідної напруги дванадцятипульсної отримують порядок частот кратний до 12, тобто 12, 24, 36, 48, … , а неканонічними вважаються всі інші парні гармоніки.

Відповідно запропоновано визначити коефіцієнт співвідношення вищих гармонік, як відношення діючого значення напруги неканонічних гармонік до напруги канонічних [26]. Нижче представленні формули для визначення даного коефіцієнту для шестипульсної (2.15) та дванадцятипульсної схеми випрямлення

\* MERGEFORMAT (2.15)

(2.16)

де – коефіцієнт співвідношення вищих гармонік;

,– діючі значення неканонічних та канонічних гармонік напруги шестипульсної схеми випрямлення, В;

– діючі значення неканонічних та канонічних гармонік напруги дванадцятипульсної схеми випрямлення, В.