автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Многопульсовые выпрямители тяговых подстанций электрического транспорта

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

КОМЯКОВА Татьяна Владимировна

УДК 621.331:621.311.4:621.314.632

МНОГОПУЛЬСОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.22.09 - Электрификация железнодорожного транспорта

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор М.Г.ШАЛИМОВ Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Г.С.МАГАЙ

Омск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................... 5

1. Многопульсовые неуправляемые выпрямители при симметричных питающих напряжениях.......................................................................... 17

1.1. Многопульсовые схемы выпрямления................................................ 17

1.2. Выпрямленное напряжение многопульсовых выпрямителей при симметричных питающих напряжениях.............................................. 30

1.3. Сетевой ток многопульсовых выпрямителей при симметричных питающих напряжениях........................................................................ 42

1.4. Характеристики многопульсовых выпрямителей при симметричных питающих напряжениях......................................................................... 48

1.4.1. Внешняя характеристика..................................................................... 48

1.4.2. Коэффициент мощности...................................................................... 49

1.5. Основные результаты и краткие выводы............................................... 52

2. Многопульсовые неуправляемые выпрямители при несимметричных питающих напряжениях............................................................................ 55

2.1. Выпрямленное напряжение и внешняя характеристика выпрямителей при несимметрии питающих напряжений............................................. 55

2.2. Сетевой ток многопульсовых выпрямителей при несимметрии питающих напряжений........................................................................... 81

2.2.1. Сетевой ток шестипульсового мостового выпрямителя при несимметрии питающих напряжений............................................... 81

2.2.2. Сетевой ток двенадцатипульсового выпрямителя при несимметрии питающих напряжений........................................................................ 96

2.3. Основные результаты и краткие выводы...............................................106

3. Влияние аварийных режимов и конструктивной несимметрии на гармонический состав кривых напряжения многопульсовых выпрямителей............................................................................................. 109

3.1. Гармонический анализ кривых напряжения многопульсовых выпрямителей при несимметричных аварийных режимах.................. 109

3.1.1. Гармоники выпрямленного напряжения многопульсовых выпрямителей при обрыве одной фазы вентильной обмотки преобразовательного трансформатора............................................... 109

3.1.2. Гармоники напряжения в цепи однофазного замыкания на землю вентильной обмотки трансформатора многопульсовых выпрямителей.................................................................................... 124

3.2. Влияние конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора на гармонический состав кривой выпрямленного напряжения..................................................139

3.3. Основные результаты и краткие выводы............................................147

4. Обоснование рациональной мощности и количества выпрямителей

на тяговой подстанции............................................................................149

4.1. Анализ электропотребления на тягу поездов подстанциями постоянного тока..................................................................................149

4.2. Выбор рациональной мощности и количества выпрямителей на тяговой подстанции............................................................................164

4.3. Расчет экономического эффекта от внедрения выпрямителя мощностью 6,3 МВ А...........................................................................188

4.4. Основные результаты и краткие выводы............................................193

5. Экспериментальные исследования характеристик многопульсовых выпрямителей..........................................................................................195

5.1. Характеристики двадцатичетырехпульсового выпрямителя тяговой подстанции магистрального участка железной дороги.......................195

5.2. Характеристики двенадцатипульсового выпрямителя тяговой подстанции метрополитена.................................................................206

5.3. Характеристики двенадцатипульсового выпрямителя мощностью 6,3 МВ А тяговой подстанции магистрального участка железной дороги...................................................................................................216

5.4. Основные результаты и краткие выводы...........................................228

Заключение.................................................................................................230

Список использованных источников........................................................234

Приложение 1. Техническое задание на опытно-конструкторскую работу: "Преобразовательный трансформатор мощностью 6300 кВ-А для питания полупроводниковых выпрямителей тяговых подстанций постоянного тока напряжением 3,3 кВ"...........................................................................251

Приложение 2. Программы экспериментальных исследований..............261

Приложение 3. Акт внедрения опытного образца двадцатичетырехпуль-сового выпрямителя на тяговой подстанции Омск Западно-Сибирской ж.д......................................................275

Приложение 4. Акт внедрения двенадцатипульсового выпрямителя на тяговой подстанции Заельцовская МП "Новосибирский

метрополитен"...................................................................278

Приложение 5. Акт внедрения двенадцатипульсового выпрямителя в составе преобразовательного трансформатора ТРМП-6300/3 5ЖУ1 и модернизированных вентильных конструкций ПВЭ-5 на тяговой подстанции Мариановка Западно-Сибирской ж.д......................................................280

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт является одной из важнейших отраслей народного хозяйства России. На электрифицированных железных дорогах страны, протяженность которых на 1 января 1998 г. составляла 39,5 тыс. км или 45,7% от протяженности всей сети дорог, осуществлялось 74,9% перевозок от их общего объема. В 1997 г. для нужд электрической тяги использовано 24 млрд кВт-ч электроэнергии, что составляло 3,9% от общей выработки электрической энергии в стране III.

В связи с особенностями экономики России, своеобразным формированием тарифов на рынке электрической энергии, в последние годы значительно возросла доля затрат на оплату электроэнергии. В 1997 г. она составила в среднем по сети железных дорог России 10,8% от общих эксплуатационных расходов, а на некоторых дорогах достигла 15%. В связи с этим вопросы, связанные со снижением затрат на электропотребление, приобретают большую актуальность.

Ряд решений, принятых на федеральном уровне / 2-4 /, позволяют существенно снизить затраты на электрическую энергию для тяги поездов путем упорядочения тарифов с учетом графиков электропотребления, уровня напряжения в точке подключения потребителя к электрической сети энерго-снабжающей организации. Наряду с этим, весьма актуальным остается вопрос снижения затрат на электрическую энергию путем улучшения технико-экономических показателей технических средств железнодорожного транспорта.

Следует отметить, что уменьшение объема перевозок в последние годы обусловливает снижение коэффициента полезного действия технических средств железнодорожного транспорта. Поэтому наблюдается ухудшение та-

кого важного показателя эффективности электрических железных дорог как удельный расход электрической энергии на тягу поездов. В 1997 г. при объеме перевозок 1764 млрд ткм брутто этот показатель составил 134 кВтч/10 тыс.ткм брутто (в 1991 году при объеме перевозок 3463 млрд ткм брутто -127,9 кВт-ч/10 тыс.ткм брутто) /1 /.

В значительной мере эффективность электрических железных дорог зависит от технико-экономических показателей системы тягового электроснабжения. Большой вклад в развитие и совершенствование систем электроснабжения железнодорожного транспорта, улучшение электромагнитной совместимости устройств тягового электроснабжения со смежными устройствами внесли М.И.Михайлов, Л.Д.Разумов, С.М.Сердинов, С.Д.Соколов, К.Г.Марквардт, Г.Г.Марквардт, Р.Р.Мамошин, В.Н.Пупынин, Е.П.Фигурнов, А.Т.Бурков, А.В.Котельников, Р.И.Мирошниченко, М.Г.Шалимов, Ю.С.Железко, М.П.Бадер и другие ученые / 5-19 /.

В настоящее время протяженность электрифицированных железных дорог постоянного тока в России составляет 48% от общей протяженности электрифицированных железных дорог. Одним из основных элементов системы тягового электроснабжения постоянного тока являются выпрямители тяговых подстанций, процесс функционирования которых во многом определяет показатели системы в целом.

По состоянию на 1 января 1997 г. на тяговых подстанциях постоянного тока магистральных электрических железных дорог находилось в эксплуатации 2075 полупроводниковых выпрямителей, собранных по различным схемам. Более половины из них (1163 выпрямителя или 56% от общего числа) включены по шестипульсовой нулевой схеме параллельного типа, которая имеет очень низкие технико-экономические показатели, а 19% - по шестипульсовой мостовой схеме выпрямления. Использование двенадцатипульсо-

вых мостовых схем выпрямления (526 выпрямителей или 25% от общего числа), позволило улучшить форму кривых сетевого тока и выпрямленного напряжения, снизить влияние тяговой сети на смежные устройства, существенно повысить технико-экономические показатели системы электроснабжения в целом. Однако, исследования и опыт эксплуатации показали, что в некоторых случаях и двенадцатипульсовые выпрямители не удовлетворяют современным требованиям электромагнитной совместимости / 137 /. Поэтому возникает необходимость дальнейшего совершенствования схем выпрямления, более углубленного исследования электромагнитных процессов и характеристик многопульсовых выпрямителей при различных режимах.

Разработке, исследованию и внедрению многопульсовых выпрямителей посвящены работы М.Г.Шалимова, Б.С.Барковского, В.П.Маценко, Г.С.Магая, Л.С.Панфиля, М.А.Рольбанда, Н.П.Балаклеевского, А.В.Поссе, А.А.Яценко, В.В.Руденского, Р.Н.Урманова, Я.Л.Фишлера, Л.М.Пестряевой, Б.А.Аржанникова, А.В.Виноградова и других авторов / 20-32, 45-47, 85-87, 96, 100 /.

Первый двенадцатипульсовый выпрямитель для тяговых подстанций магистральных электрических железных дорог разработан сотрудниками кафедры "Тяговые подстанции и их автоматизация" (ТПА) ОмИИТа ("Электроснабжение железнодорожного транспорта" (ЭЖТ) ОмГУПС) совместно с работниками службы электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги (ЗСЖД) и АО "Уралэлектротяжмаш" и включен в работу на одной из тяговых подстанций ЗСЖД в 1975 г. В настоящее время отечественной промышленностью для магистральных электрических железных дорог выпускаются выпрямители исключительно с двенадцатипульсовой схемой выпрямления. Длительный успешный опыт эксплуатации двенадцатипульсо-вых выпрямителей на сети дорог, достаточно высокие их технико-

экономичес1сие показатели способствовали разработке и созданию двенадца-типульсового выпрямителя для тяговых подстанций метрополитена /31,32/. Первый выпрямитель, собранный по такой схеме, эксплуатируется с 1994 г. в Новосибирском метрополитене. На совещании начальников служб электроснабжения метрополитенов России / 33 / принято решение о целесообразности серийного изготовления и дальнейшего внедрения двенадцатипульсовых выпрямителей в системе электроснабжения метрополитенов страны.

Современные достижения в области трансформаторостроения и преобразовательной техники позволяют создать выпрямители с большим числом пульсаций в кривой выпрямленного напряжения, которые удовлетворяли бы возросшим в настоящее время требованиям электромагнитной совместимости. Первый двадцатичетырехпульсовый выпрямитель, разработанный и внедренный сотрудниками кафедры ТПА ОмИИТа совместно с работниками службы электроснабжения ЗСЖД, проходит опытную эксплуатацию на одной из тяговых подстанций дороги / 24, 25 /.

Работа выпрямителей в условиях симметрии питающих напряжений была предметом обширных исследований, на основании которых достаточно точно определяются гармонические составляющие выпрямленного напряжения и сетевого тока, волнистость, псофометрическое значение выпрямленного напряжения, внешняя характеристика и коэффициент мощности. Большой вклад в исследование электромагнитных процессов в выпрямителях при симметричных питающих напряжениях внесли В.П.Вологдин, Б.М.Шляпошников, К.А.Круг, И.Л.Каганов, С.Р.Глинтерник, А.В.Поссе, М.П.Костенко, Л.Р.Нейман, Г.Н.Блавдзевич, ПЬМ.Размадзе, О.А.Маевский, В.Н.Зажирко и другие ученые / 34-44, 68-70 /.

Специфической особенностью современных электрических сетей является то, что зачастую приемники электрической энергии имеют нелинейный и несимметричный характер, что обусловливает несимметрию и несину-

соидалыюсть напряжений в отдельных точках сети. Появление несимметрии и несинусоидальности питающих напряжений оказывает существенное влияние на электромагнитные процессы в выпрямителях, а следовательно, и на их основные характеристики. Исследованию электромагнитных процессов и некоторых характеристик выпрямителей с различными схемами соединения при несимметричных питающих напряжениях посвящены работы М.Д.Трейваса, А.М.Пинцова, Г.Б.Черникова, С.Д.Соколова, М.П.Бадера, А.К.Шидловского, А.С.Низова, М.Г.Шалимова, В.П.Маценко и других /48-60, 131-133 /.

Большинство из этих работ посвящено гармоническому анализу кривой выпрямленного напряжения при различной степени несимметрии питающих напряжений. Методика анализа гармоник кривой выпрямленного напряжения при несимметричных питающих напряжениях / 58 / позволяет рассчитать ЭДС гармоник и их начальные фазы для m-пульсового выпрямителя. В / 48 / рассмотрены углы коммутации и внешняя характеристика шестипульсового мостового выпрямителя при несимметричных питающих напряжениях. Однако, при этом не в полной мере исследованы среднее значение и волнистость кривой выпрямленного напряжения, внешняя характеристика выпрямителей с числом пульсаций более шести.

Проблеме повышения качества электрической энергии в электрических системах в настоящее время уделяется большое внимание. Работы И.В.Жежеленко, Дж. Аррилага, Ю.С.Крайчика, В.С.Иванова, В.И.Соколова, Р.А.Борисова и других авторов / 61-67, 117-120 / посвящены исследованию гармоник в электрических сетях, обусловленных в том числе и влиянием различных выпрямителей. Анализ гармоник сетевого тока многопульсовых выпрямителей при симметричных питающих напряжениях рассмотрен многими исследователями. Однако влияние несимметрии питающих напряжений на гармонический состав сетевого тока выпрямителей до сих пор рассмотрено

недостаточно полно, особенно для схем с числом пульсаций в кривой выпрямленного напряжения более шести. Специфика нагрузочных режимов и условий электромагнитной совместимости в системе электрических железных дорог обусловили необходимость дополнительного исследования этого вопроса.

В процессе работы выпрямителей на тяговых подстанциях могут возникать различные несимметричные аварийные режимы: обрыв фазы вентильной обмотки преобразовательного трансформатора, замыкание одной из вентильных обмоток преобразовательного трансформатора на землю. Некоторые вопросы работы выпрямителей в неполнофазных режимах рассмотрены в / 56, 72 /. В целях совершенствования мероприятий и средств, направленных на исключение опасного влияния тяговых токов на работу рельсовых цепей автоблокировки в соответствии с требованиями "Правил технической эксплуатации железных дорог", возникла необходимость более углубленного анализа напряжений в тяговой сети при несимметричных аварийных режимах работы многопульсовых выпрямителей тяговых подстанций.

Технико-экономические показатели системы электроснабжения могут быть существенны улучшены, если совершенствование схем выпрямления совместить с созданием выпрямителей различной номинальной мощности, которая будет наиболее рациональной для тяговых подстанций с той или иной переработкой электрической энергии на тягу поездов.

Средняя переработка электрической энергии на тягу поездов одной тяговой подстанцией постоянного тока сети дорог составила в 1995 г. 12,5 млн кВт-ч в год, что соответствует среднему значению выпрямленного тока 450 А. В настоящее время на большинстве тяговых подстанций установлено два выпрямителя с номинальной мощностью 11,4 МВ-А и выпрямленным током

//

3150 А. При этом коэффициент использования установленной мощности выпрямителей на 80% тяговых подстанций не превышает ОД.

В связи с вышеизложенным возникла необходимость выбора рациональной мощности выпрямителей тяговых подстанций. Различные методики расчета мощности преобразовательных трансформаторов и выпрямителей с учетом неравномерности тяговых нагрузок, износа изоляции обмоток, перегрузочных способностей выпрямителей рассмотрены в работах К.Г.Марквардта, С.Д.Соколова, Р.И.Мирошниченко, В.И.Сопова и других авторов / 8, 14, 73-83 /.

В / 82 / В.И.Соповым выполне