Применение сглаживающих устройств в системах электроснабжения железных дорог

В статье рассматриваются понятия, причины и способы применения сглаживающих устройств в тяговом электроснабжении.

Ключевые слова: транспорт, электрические сети, сглаживающие устройства, тяговая сеть.

При преобразовании трехфазного переменного тока в постоянный с помощью выпрямителей тяговой подстанции кривая выпрямленного напряжения является пульсирующей. У шестипульсовых преобразователей, применяемых на большинстве тяговых подстанций РЖД, на интервал одного периода основной (промышленной) частоты переменного тока 50 Гц приходится шесть пульсаций, у двенадцатипульсовых — двенадцать. Сами же пульсации выпрямителя имеют в своем ряду высокочастотные гармонические составляющие (250, 350…550 Гц), а ток внешней энергосистемы зачастую также является несинусоидальным. Наличие этих гармоник в кривой выпрямленного напряжения приводит к протеканию в тяговой сети пульсирующих токов, к возникновению вокруг проводов контактной сети переменного магнитного поля, которое наводит в проводах воздушных линий ЭДС этих частот, под действием которых создаются переменные токи, оказывающие мешающие воздействия на остальную аппаратуру, например СЦБ, автоматики или связи. Сглаживающие устройства (далее — СУ) — элементы, устанавливаемые в распределительных устройствах 3,3 кВ, призванные не допускать протекания от тяговой подстанции в контактную сеть токи высших гармоник. Далее рассмотри принцип их работы. [1]

На рисунке 1 представлена принципиальная схема СУ 3,3 кВ. Тяговый ток попадает в контактную сеть (КС) через выпрямитель UD. Для предотвращения протекания токов высших гармоник в КС её необходимо зашунтировать в узлах «а» и «б». Через данный шунт будут проходить не только высокогармонические составляющие, но и тяговый постоянный ток. Во избежание КЗ в цепь шунта последовательно включают конденсатор C (рекомендуемая ёмкость 400 мкФ), который не пропускает постоянную составляющую тока. Для компенсации ёмкостного сопротивления последовательно включается катушка индуктивности L, настраиваемая с конденсатором в резонанс на частоту «мешающей» гармоники. Дополнительно для снижения токов высокочастотных гармоник в рельсовый фидер включается реактор LR (рекомендованная индуктивность 5 мГн), имеющий большое индуктивное и малое активное сопротивление. Ток «мешающей» гармоники в точке «а» разветвляется на ток Izf частотного фильтра и ток Iкс контактной сети. При этом сопротивление LC-контура СУ стараются делать минимально возможным, чтоб по нему прошла бо́льшая часть высокочастотного тока, а в КС, соответственно, — меньшая.

Рис. 1. Принципиальная схема сглаживающего устройства тяговой подстанции [1]

Влияние СУ характеризуется коэффициентом сглаживания Кс:

При определенных условиях в цепи СУ могут наблюдаться резонансные явления на частотах от 50 до 150 Гц, при которых резко возрастают токи гармоник в СУ и в рельсовых цепях СЦБ, что может стать причиной ложного срабатывания устройств железнодорожной сигнализации. Для снижения резонансных явлений рекомендуется параллельно ёмкости С включать резонансный RС-контур, настроенный на частоту примерно 100 Гц. Наличие такого контура позволяет не только исключить резонансные явления на этой частоте, но и повысить коэффициент сглаживания.

Защищается СУ предохранителем, а для контроля за работой устанавливается трансформатор тока, в цепь вторичной обмотки которого включается амперметр и токовое реле, которое необходимо для подачи сигнала обслуживающему персоналу об увеличении тока в СУ, например, при значительной несимметрии или замыкании [2].

В настоящее время при реконструкции старых или постройке новых тяговых подстанций взамен шестипульсовых внедряются более совершенные двенадцатипульсовые схемы выпрямления, которые дают возможность применения более экономичных схем сглаживания, например, однозвенных, отличающихся от двухзвенных своей простотой и надёжностью.

Существуют несколько интересных идей о модернизации СУ тяговых подстанций. Далее хотелось бы рассмотреть патент [3] RU 33675 U1 (МПК: H02M 1/14) Магая Г. С., Комяковой Т. В. и Скокова Р. Б. от 27.10.2003 г.

Для снижения напряжение гармоники 600 Гц до допустимого напряжения 2,8 В в классических схемах требуется использование конденсаторов ёмкостью более 750 мкФ, что значительно удорожает устройство. Данная схема лишена этого недостатка. Пульсирующее напряжение поступает на вход фильтра. Запирающий контур, состоящий из реактора 6 и емкости 5, и емкость параллельной части фильтра 4 обусловливают подавление гармоник с частотой выше 150 Гц на выходе фильтра, при этом запирающий контур, настроенный на частоту наиболее опасной влияющей гармоники 600 Гц, подавляет ее значение в 300–1200 раз, т. е. ниже требуемого уровня. При ёмкости более 300 мкФ и индуктивности реактора 3 мГн напряжение шума на выходе фильтра не превышает 5 В. Таким образом, предлагаемое устройство удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к сглаживающим фильтрам, и может применяться на тяговых подстанциях после установки двенадцатипульсовых выпрямителей во время реконструкции.

Рис. 2. Схема устройства патента RU 33675 U1 [3]

Литература:

1. ГОСТ 32676–2014 «Реакторы для тяговых подстанций железных дорог сглаживающие. Общие технические условия».
2. Lokomo.ru, «Сглаживающие устройства в электроснабжении».
3. Патент RU 33675 U1 «Однозвенный апериодический сглаживающий фильтр с запирающим контуром 600 Гц» (МПК: H02M 1/14) Магая Г. С., Комяковой Т. В. и Скокова Р. Б. от 27.10.2003 г.