автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Тяговая подстанция системы электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения (12-24 кВ) с фидерными выключателями без открытой дуги

На правах рукописи

, Л

Калугнн Иван Геннадьевич

ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (12-24 КВ) С ФИДЕРНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ БЕЗ ОТКРЫТОЙ ДУГИ ~

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00554933^

I ь' МАЙ 2014

Москва - 2014

005549332

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

Бурков Анатолий Трофимович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения», кафедра «Электроснабжение железных дорог», профессор;

Гаранин Максим Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения», кафедра «Электроснабжение железных дорог», заведующий кафедрой.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Защита состоится «30» июня 2014 г., в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан « /У » 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сидорова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России, по данным ОАО «РЖД», к 2013 году протяженность электрифицированных железнодорожных линий составляла около 43,3 тыс. км, из которых на длине порядка 18,5 тыс. км использовалась система тяги 3 кВ постоянного тока. Вследствие относительно низкого напряжения, при котором осуществляется передача энергии электроподвижному составу (ЭПС), эта система тяги, работая даже в предельном режиме, зачастую не может обеспечить высокую пропускную способность и энергоэффективность. Указанные недостатки делают бесперспективным использование на будущих железных дорогах системы тяги постоянного тока 3 кВ. Однако полная ее замена существующей альтернативной системой тяги переменного тока 25 кВ не всегда технически и экономически оправдана. Поэтому требуется модернизация существующей системы тяги постоянного тока путем повышения напряжения передачи электроэнергии к ЭПС до уровня 12 кВ, а в перспективе и до 24 кВ.

Необходимость решения вышеуказанной задачи отражена в основных направлениях научно-технической деятельности принятой Стратегии инновационного развития ОАО "РЖД" на период до 2015 года (Белая книга ОАО "РЖД"). Согласно этому документу намечена модернизация и усиление системы тягового электроснабжения на ряде лимитирующих направлений, а также разработка систем тяги повышенного напряжения.

Одной из насущных проблем, связанных с созданием системы тяги постоянного тока повышенного напряжения, является разработка компонентов систем тягового электроснабжения (СТЭ), в частности, соответствующего преобразовательного и коммутационного электрооборудования постоянного тока тяговых подстанций (ТП), являющихся одними из важнейших электротехнических комплексов электрифицированных железных дорог. Причем, в соответствии с Энергетической стратегией ОАО "РЖД" на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года, преимущество должно отдаваться преоб-

разовательной технике на основе достижений в области силовых управляемых полупроводниковых элементов и коммутационным аппаратам, исключающим горение открытой дуги (бездуговым).

Таким образом, диссертация посвящена разработке целесообразных технических решений по преобразовательному, распределительному и коммутационному электрооборудованию для ТП СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ с учетом вышеизложенных требований и исследованию эффективности их работы.

Степень разработанности проблемы. Исследованиям и разработкам выпрямительного и коммутационного оборудования ТП, систем тяги постоянного тока 3 кВ, а также повышенного напряжения 6-24 кВ, посвящены работы В.Е. Розенфельда, Т.П. Третьяка, А.Т. Буркова, В.Н. Пупынина, М.П. Бадера, А.В. Котельникова, Б.А. Аржанникова, А.В. Фарафонова, А.М.Куссуля, А.И. Голубева, И.И. Рыкова, В.Д. Радченко, С.Д. Соколова, А.И. Короленкова, М.И. Векслера, Л.К. Скурыгина, Д.Ф. Алферова и других ученых и инженеров.

Цель работы - разработка преобразовательно-распределительных устройств с фидерными выключателями без открытой дуги для ТП СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ, соответствующих современному уровню развития техники.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлено решить следующие задачи:

• выполнить анализ конструкций и принципов действия известных типов выключателей постоянного тока и оценить рациональность их применения на ТП СТЭ повышенного напряжения 12-24 кВ\

• разработать перспективные варианты преобразовательно-распределительных устройств с фидерными выключателями без открытой дуги, а именно с бесконтактными на основе управляемых полупроводниковых приборов, для ТП СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ;

• исследовать электромагнитные процессы, протекающие при отключении токов нагрузки и коротких замыканий (КЗ), в тяговых сетях постоянного тока 12-5-24 кВ предлагаемыми преобразовательно-распределительными устройствами с бесконтактными фидерными выключателями;

• разработать компьютерные модели предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока средствами пакета программ МАТЬАВ и с их помощью провести численные экспериментальные исследования эффективности работы указанных устройств в различных режимах;

• определить параметры основного электрооборудования предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока повышенного напряжения 12+24 кВ;

• выполнить технико-экономическое сравнение разработанных вариантов преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока на напряжение 12+24 кВ с учетом их технических особенностей и дать рекомендации по их предпочтительному применению.

Научная новизна работы. В диссертации развивается теория бездуговой коммутации активно-индуктивных цепей постоянного тока высокого напряжения тем, что в ней:

• предложены новые принципы построения преобразовательно-распределительных устройств, как с управляемыми, так и с неуправляемыми выпрямителями и с фидерными выключателями без открытой дуги, предназначенные для электроснабжения тяговых сетей постоянного тока, в том числе повышенного напряжения 12+24 кб;

• исследованы электромагнитные процессы, возникающие при бездуговом отключении токов нагрузки и КЗ в тяговых сетях напряжением 12+24 кВ\

• методом компьютерного моделирования проведены численные эксперименты по отключению токов нагрузки и КЗ в тяговых сетях 12+24 кВ

разработанными устройствами.

Практическая значимость работы. Применение разработанных схем преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями на ТП СТЭ постоянного тока позволит улучшить мас-согабаритные показатели преобразовательных агрегатов за счет отказа от катодных групп выпрямителей, добиться существенного ограничения отключаемых аварийных токов за счет быстродействия бесконтактных фидерных выключателей. Отсутствие механических подвижных элементов в бесконтактных фидерных выключателях значительно повысит их ресурс, что в целом увеличит надежность работы СТЭ постоянного тока.

Предложены компьютерные модели ТП постоянного тока напряжением 12^-24 кВ, оборудованные предлагаемыми преобразовательно-распределительными устройствами с бесконтактными фидерными выключателями, позволяющие всесторонне исследовать работу данных устройств.

Даны рекомендации по вопросам выбора основного электрооборудования предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации выполнены анализ и обобщение данных научно-технической литературы, применены теоретические и эмпирические методы исследования, включающие в себя методы теории электрических цепей, использование преобразований Карсона для решения дифференциальных уравнений операторным методом при анализе электромагнитных процессов, компьютерное моделирование, метод Рунге-Кутты четвертого порядка для численного решения систем дифференциальных уравнений.

Положения, выносимые на защиту: • два варианта преобразовательно-распределительных устройств с расщепленной трехфазной шиной пульсирующего напряжения, вместо традиционной шины «плюс», и с бесконтактными.(без открытой дуги) фидерными выключателями постоянного тока. Один из вариантов выполнен на

6

базе управляемых выпрямителей (УВ), а другой - на базе неуправляемых выпрямителей (НУВ), причем схемы принципиально отличатся друг от друга алгоритмом отключения токов нагрузки и КЗ;

• компьютерные модели и результаты моделирования работы преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока на напряжение 12^24 кВ, подтверждающие высокую эффективность разработанных устройств;

• ориентировочные массогабаритные и стоимостные показатели основных узлов разработанных преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока на 12 кВ и 24 кВ.

Достоверность результатов исследований обеспечивается:

• применением фундаментальных законов теории электрических цепей;

• корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

• применением апробированных в различных областях науки и техники программных средств и методов компьютерного моделирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Энергоснабжение электрифицированных железных дорог» МИИТа в 2011-2013 гг., на XII и XIII научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (МНИТ, октябрь 2011, 2012).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти печатных работах, из которых три статьи напечатаны в изданиях, определенных перечнем ВАК Минобрнауки России. Получено два патента РФ на полезные модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка основных сокращений, списка литературы из 100 наименований и восьми приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, включая 4 таблицы и 34 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается состояние проблемы, обосновывается ее актуальность, формулируется цель исследований, ставятся задачи и намечаются пути их решения. Здесь же поясняется научная новизна работы, ее практическая ценность, указываются методы исследования, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе обосновывается необходимость модернизации существующей системы тяги постоянного тока, путем повышения уровня напряжения, при котором электроэнергия передается к ЭПС. Рассмотрены два возможных известных способа построения СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12-5-24 кВ, показанные на рисунке 1.

МЭН 110(220) кВ

£ А ($т§

777/,7772 - тяговые подстанции; ПС - пост секционирования контактной сети; /7/7 /,Я/7 2 и ПП N - автоматические преобразовательные пункты питания; ЛИН - автономный инверторы напряжения; Т-тяговый трансформатор (на рисунке а), понижающий преобразовательный трансформатор (на рисунке б); В - двенадцатипульсовый выпрямитель; ЭПС - электроподвижной состав; -четырехквадрантный преобразователь.

Рисунок 1 - Принципиальные схемы систем тягового электроснабжения постоянного тока с повышенным напряжением 12-5-24 кВ непосредственно в контактной сети (а) и с продольной линией питания постоянного тока повышенного напряжения 12-5-24 кВ (б)

Отмечено, что одним из ключевых вопросов, как для варианта повышенного напряжения в контактной сети (рисунок 1 а), так и для варианта с продольной линией питания постоянного тока повышенного напряжения с пунктами питания (рисунок 1 б), является разработка надежного и эффективного преобразовательного и коммутационного электрооборудования постоянного тока соответствующего уровня напряжения.

Во второй главе рассматриваются два новых схемных решения преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока, то есть с выключателями без открытой дуги. Подробно рассмотрены алгоритмы отключения ими токов нагрузки и КЗ. Предложенные устройства имеют принципиальные отличия от существующего типового распределительного устройства постоянного тока с дуговыми электромагнитными выключателями, заключающиеся в следующем:

• шина «плюс» выпрямленного напряжения отсутствует;

• вместо шины «плюс» выпрямленного напряжения используется расщепленная трехфазная система шин пульсирующего напряжения;

• у выпрямителей отсутствуют катодные группы вторых мостов;

• применены трехполюсные бесконтактные выключатели, каждый из которых имеет три раздельных анодных вывода для подключения к трехфазной системе шин пульсирующего напряжения и электрически соединенные катоды, образующие плюсовой вывод;

• трехполюсные бесконтактные выключатели помимо коммутации питаемой цепи, выполняют функции вентилей катодных групп вторых мостов выпрямителей, то есть одновременно являются их частью.

Новизной данных устройств являются технические решения, за счет которых обеспечивается надежное отключение токов нагрузки и КЗ в питаемой сети. В варианте с НУВ, показанном на рисунке 2, для этих целей бесконтактные фидерные выключатели 5 выполнены с блоками принудительной коммутации 6. В варианте с УВ, изображенном на рисунке 3,

используется принцип отключения бесконтактного выключателя 5

9

поврежденного фидера с одновременным кратковременным (не более 0,02 с) отключением работающих выпрямителей ТП, с последующим включением последних. Возникающая на короткое время бестоковая пауза, не сказывается на работе ЭПС неповрежденных фидеров.

Преовразовательный агрегат 1

1 - выпрямители; 2,4,15- трехполюсные разъединители; 3 - расщепленная трехфазная «плюс» шина; 5 - трехфазные фидерные выключатели; 6,17 — устройства принудительной коммутации постоянного тока; 7 - развязывающие диоды; 8 - ограничивающие индуктивности; 9 - коммутирующие конденсаторы; 10 - коммутирующие тиристоры; II - ограничители перенапряжений (ва-ристоры); 12- диоды; 13 - поглощающие резисторы; 14.18 - диодные разрядные устройства; 16 -запасной выключатель; 19 - обходные разъединители; 20 - линейный разъединитель запасного выключателя; 21 — плюсовые выводы фидеров постоянного тока; 22 - плюсовой вывод запасного выключателя; 23 — обходная шина; 24 — «минус» шина; 25 — сглаживающий реактор; 26 - рельсовый (отсасывающий) фидер.

Рисунок 2 - Принципиальная схема преобразовательно-распределительного устройства с неуправляемыми выпрямителями (НУВ) и бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока

Предлагаемые решения позволят снизить массу и габариты каждого из установленных на ТП выпрямителей, за счет отсутствия у них катодных групп вторых мостов выпрямителей, функции которых выполняют трехпо-

люсные бесконтактные фидерные выключатели. Применение расщепленной трехфазной шины пульсирующего напряжения дает возможность максимально просто реализовать бесконтактные фидерные выключатели на большие номинальные токи, не прибегая к параллельному соединению полупроводниковых вентилей. В свою очередь использование бесконтактных выключателей, вместо традиционных дуговых, за счет их быстродействия приведет к существенному ограничению отключаемых аварийных токов, а отсутствие подвижных механических частей значительно повысит их ресурс и снизит стоимость обслуживания.

ПреоБРазовательныи агрегат 1

Рельсовый (отсасывающий) фидер

1 - выпрямители; 2,4,9- трехполюсные разъединители; 3 - расщепленная трехфазная «плюс» шина; 5 - трехфазные фидерные выключатели; 6,11 - диодные разрядные устройства; 7 -диоды; 8

- поглощающие резисторы; 10 - запасной выключатель; 12 - обходные разъединители; 13 - линейный разъединитель запасного выключателя; 14 - обходная шина; 15 - плюсовые выводы фидеров постоянного тока; 16 - плюсовой вывод запасного выключателя; 17 - «минус» шина; 18

- сглаживающий реактор; 19 - рельсовый (отсасывающий) фидер.

Рисунок 3 - Принципиальная схема преобразовательно-распределительного устройства с управляемыми выпрямителями (УВ) и бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока

Отключение токов КЗ в схеме с НУВ (рисунок 2) начинается с отключения тиристоров выключателя 5 и, одновременно с этим, открытием тиристора 10 устройства принудительной коммутации 6. После его открытия, токи из тиристоров фаз выключателя вытесняются током перезаряда коммутирующего конденсатора 9. В итоге, тиристоры выключателя, когда ток в них спадает до нуля, закрываются. Затем коммутирующий конденсатор 9 продолжает перезаряжаться через цепь нагрузки, а напряжение на его обкладках, направленное встречно источнику питания, возрастает. Ток в отключаемой цепи начинает спадать и в момент, когда напряжение между точками а и Ь между фидером 21 и «минус» шиной 24 становится прямым для диодного разрядного устройства (ДРУ) 14, оно открывается. Подключение ДРУ образует два, взаимосвязанных его сопротивлением, контура. В первом контуре протекает ток устройства принудительной коммутации, а во втором - ток тяговой сети. Затем напряжение на конденсаторе достигает напряжения срабатывания варисторов 11. Они открываются и шунтируют конденсатор, защищая его от пробоя, и практически мгновенно вводят в цепь КЗ встречное напряжение. Ток через варисторы быстро спадает до нуля, а ток через ДРУ и тяговую сеть постепенно затухает, рассеивая запасенную в индуктивностях цепи энергию на их сопротивлениях.

Отключение токов КЗ в схеме с УВ (рисунок 3) производится путем одновременного отключения вентилей управляемых выпрямителей 1 и выключателя 5 поврежденного фидера, в результате чего за время, не превышающее 0,02 с (период питающего напряжения), поврежденный фидер оказывается отключенным. Затем, управляемые выпрямители вновь включаются в работу, а выключатель поврежденного фидера остается блокированным. При этом неповрежденные фидеры испытывают в течение 0,02 с бестоковую паузу, которая практически не сказывается на работе питаемого ЭПС.

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям разработанных преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями. Целью исследований является подробный анализ ра-

12

боты предложенных устройств при отключении ими токов КЗ в активно-индуктивных цепях. Это необходимо для обоснованного выбора основного электрооборудования рассматриваемых устройств, с учетом влияния различных факторов, таких как максимальные значения напряжений и токов в различных элементах, длительность их воздействия и скорость их изменения.

Для этого выполнено поэтапное математическое описание электромагнитных процессов, протекающих в рассматриваемых устройствах. При этом каждый из этапов соответствует работе отдельных элементов устройств.

Так, например, для схемы с НУВ в результате исследований получены выражения для определения необходимой величины коммутирующей емкости (Р на рисунке 2) и ограничивающей индуктивности (8 на рисунке 2), при заданном начальном напряжении и величине ожидаемого тока КЗ:

(1)

где - коэффициент запаса по величине отключаемого тока КЗ (в расчетах принимался равным 1,5); 1а - значение тока КЗ к моменту открытия коммутирующего тиристора (начало отключение выключателя); - значение ограничивающей индуктивности; исо - начальное напряжение на коммутирующем конденсаторе.

I — ' (Т\

4 'доп

где к:1ап - коэффициент запаса по допустимой скорости нарастания прямого тока коммутирующего тиристора (в расчетах принимался равным 2); (сП / <А) - допустимая скорость нарастания прямого тока коммутирующего тиристора; исо - начальное напряжение на коммутирующем конденсаторе.

Время, за которое ток перезаряда коммутирующего конденсатора вытесняет ток в главных тиристорах включателя (5 на рисунке 2), позволяя им перейти в закрытое состояние (отключиться), равно:

где ¿к, С,, 1КЗ- указаны выше, /.„„- максимально возможный ток перезаряда конденсатора, определяемый, для данной схемы, по выражению:

Четвертая глава отведена под компьютерное моделирование работы предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств постоянного тока с бесконтактными фидерными выключателями.

Цель данных исследований заключается в определении эффективности разработанных схемных решений путем проведения численных экспериментов отключения ими токов КЗ в цепях с различными параметрами. Для этого, с помощью библиотек и инструментов пакета МАТЬАВ, были созданы компьютерные модели, имитирующие работу исследуемых устройств.

На рисунках 4 и 5 представлены осциллограммы, демонстрирующие процесс отключения тока мощного КЗ в тяговой сети, питаемой от ТП по схеме с НУВ. Данные осциллограммы доказывают высокую эффективность бесконтактного выключателя с блоком принудительной коммутации, который отключил цепь с индуктивностью 10 мГн от источника питания всего за 2,5 мс, обеспечив при этом значительный токоограничивающий эффект. Дополнительно по представленным осциллограммам можно оценить уровень токов и напряжений, возникающих в процессе коммутации цепи.

Следует отметить, что в рассматриваемых случаях после отключения выключателем цепи от источника питания, ток в ней протекал еще некоторое время (ток 1дгу(1) на рисунках 5,6 и 7). Это явление объясняется наличием в схемах диодных разрядных устройств, через которые протекает затухающий ток в отключаемой тяговой сети. Время затухания тока ¡дру(1) определяется постоянной времени отключаемой цепи.

(4)

-5000

-10000

-15000

0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 £ с

1уст - значение тока уставки защиты; и^О) - выпрямленное напряжение; и„< (1) - напряжение на блоке варисторов; ис(0 - напряжение на коммутирующем конденсаторе; и,Гм(0 - анодное напряжение тиристора фазы А расщепленного выключателя; и,ть(1) - анодное напряжение тиристора фазы В расщепленного выключателя; и,Тс(0 - анодное напряжение тиристора фазы С расщепленного выключателя; ¡Пм(0 ~ ток через тиристор фазы А расщепленного выключателя; ¡/1РУ(0 - ток через диодное разрядное устройство; ¡нс(<) - ток через блок варисторов, время достижения током уставки защиты фидера.

Рисунок 4 - Осциллограмма процесса отключения тока короткого замыкания тяговой сети, питаемой от тяговой подстанции с неуправляемым преобразовательно-распределительным устройством на интервале 0-20 мс

На рисунке 6 приведена осциллограмма, на которой показан процесс отключения тока мощного КЗ в тяговой сети, питаемой от ТП по схеме с УВ. Видно, что устройство успешно справляется с отключением цепи с индуктивностью 10 мГн за вполне приемлемое время 10,7 же. Причем, как видно на этой осциллограмме, перенапряжения в процессе отключения оставались на низком уровне, что является несомненным достоинством данной схемы.

-15000

0,0035

t"*m=0,0037\ t'v=0,00372

tv=0,00377

t, С

Unco - напряжение открытие блока варисторов; Uro - начальное напряжение на коммутирующем конденсаторе; Uro- максимальное напряжение на коммутирующем конденсаторе; her - значение тока уставки зашиты; u/t) - выпрямленное напряжение; il/rrft) - напряжение на блоке варисторов; Heft) - напряжение на коммутирующем конденсаторе; ¡hl:,/t) - анодное напряжение тиристора фазы А расщепленного выключателя; u,r_b(t) - анодное напряжение тиристора фазы В расщепленного выключателя; и,т.eft) - анодное напряжение тиристора фазы С расщепленного выключателя; iiT.üO) - ток через тиристор фазы А расщепленного выключателя; ¡дп/О - ток через диодное разрядное устройство; inc(t) - ток через блок варисторов; ic(t) - ток перезаряда коммутирующего конденсатора; iTC(t) - ток в тяговой сети; t' , t" , tV, /' \t" и tv - длительность соответствующих этапов отключения.

Рисунок 5 - Осциллограмма процесса отключения тока короткого замыкания тяговой сети, питаемой от тяговой подстанции с неуправляемым преобразовательно-распределительным устройством на интервале 3,5-4,5 мс

Выполнено сравнение эффективности бесконтактных выключателей разработанных преобразовательно-распределительных устройств и дугового электромагнитного выключателя повышенного напряжения 13,2 кВ при отключении ими тока КЗ в одной и той же цепи при равных условиях. Сопоставлены основные технические характеристики рассматриваемых выключателей: их отключающая и ограничивающая способности, количество

электричества, притекающего к месту КЗ (в ампер-секундах) и полное время отключения цепи без учета собственного времени выключателей. /, А

Им - выпрямленное напряжение холостого хода; /усг - значение тока уставки защиты; Ип:«(0 -анодное напряжение тиристора фазы А расщепленного выключателя; и,г.ь(0 - анодное напряжение тиристора фазы В расщепленного выключателя; и1Гх(г) - анодное напряжение тиристора фазы С расщепленного выключателя; ¡п„(0 ~ ток через тиристор фазы А расщепленного выключателя; ¡гть(1) — ток через тиристор фазы В расщепленного выключателя; >гтх(0 - ток через тиристор фазы С расщепленного выключателя; Цх(1) - ток в тяговой сети; - ток через диодное разрядное устройство; /;, I;, /4 и Г,- - моменты времени, соответствующих этапов отключения.

Рисунок 6 - Осциллограмма процесса отключения тока короткого замыкания тяговой сети, питаемой от тяговой подстанции с управляемым преобразовательно-распределительным устройством

Для оценки энергетической напряженности работы сравниваемых выключателей, характеризующей их отключающую способность, были определены количество энергии, рассеиваемой выключателями, и значение интеграла Джоуля (для бесконтактного выключателя с УВ) путем вычисления встроенными средствами пакета МАТЬАВ следующих интегралов:

Л

Вк=\{^))г-Л, А2-с, (6)

где - момент времени, в который вступает в работу выключатель после достижения током КЗ уставки и истечения собственного времени срабатывания (начало отключения); /2 - момент времени, в который ток через выключатель становится равным нулю (завершение отключения); иВь1К1 - напряжение на выключателе (на дуге для электромагнитного и на блоке варисторов для тиристорного выключателя схемы с НУВ);/Выю — ток КЗ, протекающий через выключатель.

Результаты сравнения выключателей по основным техническим характеристикам для удобства их оценки сведены в таблицу.

Таблица - Результаты численного моделирования отключения токов КЗ сравниваемыми выключателями различных типов

Тип выключателя Электромагнитный Тнристорный (УВ) Тнристорный (НУВ)

Уставка выключателя, А 2000 2000 2000

Сопротивление /индуктивность отключаемой тяговой сети 0,024 /11.31 0,454 /23,1 0,862 /36,2 0,024 /11,31 0,454 /23,1 0,862 /36.2 0,024 /11,31 0,454 /23,1 0,862 /36.2

Время работы выключателя /| , мс 8.5 6,7 6,2 8,2 6,35 6,03 0,56 0,44 0,41

Макс, значение ограниченного тока КЗ, кА 10,86 5,4 3,96 9,33 4,65 3,39 4,6 3,09 2,66

Коэффициент ограничения тока КЗ 5,43 2,7 1,85 4,66 2,32 1,69 2,3 1,54 1.32

Ампер-секунды в месте КЗ, А-с 200,4 132,2 112,5 156,1 106,6 82,1 54,1 58,2 62,1

Энергия, рассеиваемая выключателем, к/(ж 696,7 270,2 182,7 — - — 23,8 11,3 9,4

Значение интеграла Джоуля, Аг-с — - - 461,1 123,9 71,8 — — —

Энергия, поглощенная ДРУ, к}1ж 503,5 205,3 135,1 388 158,7 102,4 101,4 74,5 66,9

Для визуализации результатов, полученных в ходе сравнении выключателей при отключении тока КЗ в одной и той же сети, на рисунке 7 представлены соответствующие осциллограммы токов и напряжений.

им — выпрямленное напряжение холостого хода; />г, - значение тока уставки защиты; и'™0) - напряжение на блоке принудительной коммутации бесконтактного выключателя схемы с НУВ; иХтО) ~ напряжения на главных тиристорах бесконтактного выключателя схемы с УВ; 11в1"!"(0 — напряжение на контактах электромагнитного выключателя; - ток через

бесконтактный выключатель и блок принудительной коммутации схемы с НУВ; I "г"(0 - ток в тяговой сети, отключаемый бесконтактным выключателем схемы с НУВ; ¡'£>у(0~ ток через ДРУ бесконтактного выключателя схемы с НУВ; г - ток через бесконтактный выключатель схемы с УВ;

' п-(0 ~ ток в тяговой сети, отключаемый бесконтактным выключателем схемы с УВ; ' ~ т°к через ДРУ бесконтактного выключателя схемы с УВ; ' ¿„"(У - ток через электромагнитный выключатель; ; 7-/:'""''(!) - ток в тяговой сети, отключаемый электромагнитным выключателем; ¡^""(О - ток через ДРУ электромагнитного выключателя; / у, -

моменты начала отключения выключателей соответствующего типа; / г I- моменты завершения отключения выключателей соответствующих типов; 1усг - момент времени достижения уставки защиты.

Рисунок 7 - Сравнительные осциллограммы токов и напряжений в процессе отключения близкого КЗ различными типами выключателей

Как следует из представленной таблицы и осциллограмм на рисунке 7, бесконтактный тиристорный выключатель схемы с НУВ по всем исследуемым показателям существенно превосходит остальные рассмотренные типы выключателей. Это объясняется, наличием у него блока принудительной коммутации, способного практически мгновенно ввести в отключаемую цепь встречное напряжение, близкое к прямоугольной форме.

Тиристорный выключатель с УВ отличается тем, что в процессе коммутации, на его зажимах отсутствуют перенапряжения, которые могут представлять опасность для изоляции тяговой сети и ЭПС.

Электромагнитный дуговой выключатель закономерно показал худшие результаты. Если по времени разрыва цепи и токоограничивающему эффекту он еще может быть сравним с бесконтактным выключателем схемы с УВ, то по энергетическим показателям он разительно ему уступает.

В пятой главе приведены основные положения и рекомендации по ориентировочному выбору основного оборудования предложенных преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока напряжением 12^-24 кВ с учетом результатов проведенных исследований и компьютерного моделирования.

Показано, что на базе существующего оборудования, выпускаемого серийно, возможно создать реальные макетные образцы рассматриваемых устройств, с целью проведения дальнейших натурных исследований.

В шестой главе выполнено технико-экономическое сравнение разработанных преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока напряжением 12-^-24 кВ.

Отмечено, что массогабаритные характеристики бесконтактных выключателей предложенных схем при напряжении 12-^-24 кВ будут превосходить аналогичные решения, построенные на базе традиционных дуговых электромагнитных выключателей.

В качестве примера подсчитано, что если за базовый вариант внедрения принять схему устройства с НУВ, то более капиталоемкая, но имеющая

20

меньшие затраты на обслуживание, схема с УВ станет экономически эффективнее схемы с НУВ только через 29,5 лет эксплуатации, при этом положительный годовой экономический эффект от эксплуатации схемы с НУВ составит около 2400 тыс. руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

1 Модернизация системы тяги постоянного тока напряжением 3,3 кВ, путем повышения напряжения, при котором осуществляется передача электроэнергии к ЭПС, до уровня 12^24 кВ является актуальной задачей транспортной науки. При этом одним из насущных вопросов, связанных с повышением напряжения постоянного тока, является разработка надежного и эффективного преобразовательного и коммутационного оборудования для ТП.

2 В качестве возможного решения поставленного вопроса предложены две целесообразные схемы преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями, предназначенные для применения на ТП перспективной системы тяги постоянного тока повышенного напряжения 12-^24 кВ. Основным новшеством предложенных устройств является отсутствие катодных групп вторых мостов каждого выпрямителя и совмещение их с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока. Для обеспечения надежного отключения аварийных токов в питаемой тяговой сети в первом из вариантов используется полностью управляемый выпрямитель (УВ), а во втором варианте с неуправляемым выпрямителем (НУВ) используются бесконтактные выключатели с устройствами принудительной коммутации.

В результате, по сравнению с существующими типовыми схемами ТП постоянного тока с дуговыми электромагнитными выключателями, улучшаются массогабаритные показатели выпрямителей, достигается существенное ограничение отключаемых токов, исключается подпитка места КЗ от смежных ТП и ЭПС на питаемом участке, значительно повышается ресурс фидер-

ных выключателей, уменьшается их взрыво- и пожароопасность, а также снижаются расходы на их обслуживание.

3 Проведенные в работе исследования, в том числе с использованием компьютерного моделирования в пакете МАТЬАВ, доказали, что предложенные устройства способны эффективно справляться с отключением как малых, так и больших токов (мощных близких КЗ) в тяговых сетях постоянного тока.

4 На основании проведенных исследований и результатов компьютерного моделирования даны рекомендации по выбору основных элементов предложенных преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока. Рекомендации будут полезны при проектировании реальных образцов. В качестве примера выполнен ориентировочный выбор основного электрооборудования рассматриваемых устройств для ТП СТЭ повышенного напряжения 12кВ и 24 кВ.

5 Примерно подсчитано, что если за базовый вариант внедрения принять схему устройства с НУВ, то более капиталоемкая, но имеющая меньшие затраты на обслуживание, схема с УВ будет экономически эффективнее схемы с НУВ только через 29,5 лет эксплуатации. При этом положительный годовой экономический эффект от эксплуатации схемы с НУВ составит около 2400 тыс. руб/год. Поэтому для будущих ТП системы тяги постоянного тока повышенного напряжения 12+24 кВ, при условии отсутствия необходимости регулирования выпрямленного напряжения, следует рекомендовать схему преобразовательно-распределительного устройства с НУВ.

Основные положения диссертации и результаты исследований изложены в следующих работах:

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1 Калугин, И. Г. Целесообразные схемы тяговых подстанций для системы тяги постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ [Текст] / И. Г. Калугин // Вестник ВНИИЖТ. - 2013. -№ 1. - С. 53-59.

2 Калугин, И. Г. Сравнительная эффективность быстродействующих выключателей постоянного тока на напряжение 13,2 кВ и номинальный ток 3 кА [Текст] / И. Г. Калугин // ЭЛЕКТРО. - 2013. - № 6. - С. 38-42.

3 Пупынин, В. Н. Преобразовательно-распределительное устройство для тяговых подстанций [Текст] / В. Н. Пупынин, И. Г. Калугин // Мир транспорта. - 2013. - № 3. - С. 58-63.

Патенты на полезную модель

4 Пат. 124980 на полезную модель Российская Федерация, МПК H01J 1/00. Тяговая подстанция системы электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения (12-24 кВ) [Текст] / Калугин И. Г., Пупынин В. Н. ; заявл. 25.05.2012 ; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

5 Пат. 124991 на полезную модель Российская Федерация, МПК H02J 1/00, В60М 3/00. Тяговая подстанция системы электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения (12-24 кВ) [Текст] / Калугин И. Г., Пупынин В. Н. ; заявл. 25.05.2012 ; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5.

Прочие публикации

6 Калугин, И. Г. Преобразовательно-распределительное устройство тяговой подстанции системы постоянного тока повышенного напряжения (12-24 кВ) [Текст] / И. Г. Калугин // Труды XII научно-практических конференции «Безопасность движения поездов». - М. : МИИТ, 2011. - С. XIV-76-XIV-77.

7 Калугин, И. Г. Сравнительная эффективность фидерных выключателей системы постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ [Текст] / И. Г. Калугин // Труды XIII научно-практических конференции «Безопасность движения поездов». - М. : МИИТ, 2012. - С. VI-15.

Калугин Иван Геннадьевич

ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (12-24 КВ) С ФИДЕРНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ БЕЗ ОТКРЫТОЙ ДУГИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать ОЧ.1Ч. Формат 60x80 1/16

Заказ № А" Объем 1,5п.л. Тираж 80 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр.9

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

04201458675

КАЛУГИН Иван Геннадьевич

ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (12-24 КВ) С ФИДЕРНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ БЕЗ ОТКРЫТОЙ ДУГИ

высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич

Москва-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................6

ГЛАВА 1 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ ТЯГИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 12-24 КВ..............................................11

1.1 Повышение напряжения в тяговой сети, как способ модернизации существующей системы тяги постоянного тока напряжением ЗкВ........................11

1.2 Анализ основных преимуществ и недостатков системы тяги постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ............................................16

1.3 Выводы по главе................................................................................................18

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СХЕМ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ДЛЯ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 12-24 КВ..........................................................19

2.1 Перспективные технические решения для тяговых подстанций постоянного тока повышенного напряжения.............................................................19

2.2 Анализ различных типов выключателей постоянного тока на предмет их использования в системах тягового электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения 12—24 кВ...........................................................................23

2.3 Общие технические решения предлагаемых схем тяговых подстанций системы тягового электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ....................................................................................................32

2.4 Принципиальная схема тяговой подстанции с неуправляемыми выпрямителями и бесконтактными фидерными выключателями............................33

2.5 Принципиальная схема тяговой подстанции с управляемыми выпрямителями и бесконтактными фидерными выключателями............................37

2.6 Выводы по главе................................................................................................40

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТКЛЮЧЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ

В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ....................................................................................................41

3.1 Методика исследования....................................................................................41

3.2 Математическое описание процесса отключения аварийных токов бесконтактными выключателями схемы неуправляемого преобразовательно-распределительного устройства...................................................................................42

3.3 Математическое описание процесса отключения аварийных токов бесконтактными выключателями схемы управляемого преобразовательно-распределительного устройства...................................................................................63

3.4 Выводы по главе................................................................................................72

ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОТКЛЮЧЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ АВАРИЙНЫХ ТОКОВ В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ...........................................................73

4.1 Компьютерное моделирование с помощью пакета прикладных программ МАТЬАВ. Общие положения.....................................................................73

4.2 Моделирование процессов отключения коротких замыканий в тяговой сети, питаемой от тяговой подстанции с неуправляемым преобразовательно-распределительным устройством и бесконтактными выключателями постоянного тока............................................................................................................76

4.3 Моделирование процессов отключения коротких замыканий в тяговой сети, питаемой от тяговой подстанции с управляемым преобразовательно-распределительным устройством и бесконтактными выключателями постоянного тока............................................................................................................89

4.4 Сравнение эффективности выключателей постоянного тока повышенного напряжения, выполненных по различным схемам............................95

4.5 Выводы по главе..............................................................................................100

ГЛАВА 5 ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 12-24 КВ........................................................101

5.1 Предварительные замечания..........................................................................101

5.2 Оборудование неуправляемого преобразовательно-распределительного устройства с бесконтактными выключателями постоянного тока.........................102

5.2.1 Выбор тиристоров главной цепи бесконтактных выключателей............102

5.2.2 Выбор коммутирующих тиристоров, развязывающих диодов и ограничивающей индуктивности блока принудительной коммутации бесконтактного выключателя.....................................................................................105

5.2.3 Выбор коммутирующего конденсатора и зарядного устройства для блока принудительной коммутации бесконтактного выключателя.......................108

5.2.4 Выбор варисторов для блока принудительной коммутации бесконтактного выключателя.....................................................................................110

5.2.5 Выбор элементов диодного разрядного устройства.................................112

5.3 Оборудование управляемого преобразовательно-распределительного устройства с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока.... 113

5.3.1 Выбор тиристоров главной цепи бесконтактных выключателей............113

5.3.2 Выбор элементов диодного разрядного устройства.................................115

5.4 Выводы по главе..............................................................................................115

ГЛАВА 6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНО-РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОВЫШЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 12-24 КВ...........................116

6.1 Массогабаритные характеристики преобразовательно-распределительных устройств тяговых подстанций повышенного напряжения....................................116

6.2 Сравнительная экономическая эффективность преобразовательно-распределительных устройств тяговых подстанций повышенного напряжения...................................................................................................................119

6.2.1 Общие положения........................................................................................119

6.2.2 Определение экономической эффективности внедрения преобразовательно-распределительных устройств на тяговых подстанциях повышенного напряжения..........................................................................................120

6.3 Выводы по главе..............................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................122

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.........................................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.........................................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ 6.........................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 7.........................................................................................................158

ПРИЛОЖЕНИЕ 8.........................................................................................................160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из приоритетных направлений развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации является организация высокоскоростного (свыше 250 км/ч) и тяжеловесного (с весовой нормой 6000 т) движения поездов [1-2]. Успешное выполнение намеченных планов немыслимо без совершенствования инфраструктуры электроснабжения железных дорог.

По данным ОАО «РЖД», в России к 2013 году протяженность электрифицированных железнодорожных линий составляла около 43,3 тыс. км, из которых на длине порядка 18,5 тыс. км использовалась система тяги 3 кВ постоянного тока. Вследствие относительно низкого напряжения, при котором осуществляется передача энергии электроподвижному составу (ЭПС), эта система тяги, работая даже в предельном режиме, не может обеспечить высокую пропускную способность и энергоэффективность. Указанные недостатки делают бесперспективным использование на будущих железных дорогах системы тяги постоянного тока 3 кВ. Однако полная ее замена существующей альтернативной системой тяги переменного тока 25 кВ не всегда технически и экономически оправдана [3]. Поэтому требуется модернизация существующей системы тяги постоянного тока путем повышения напряжения, при котором будет передаваться энергия к ЭПС, до уровня 12 кВ, а в перспективе и до 24 кВ.

Необходимость решения вышеуказанной задачи отражена в основных направлениях научно-технической деятельности принятой Стратегии инновационного развития ОАО "РЖД" на период до 2015 года (Белая книга ОАО "РЖД"). Согласно этому документу намечена модернизация и усиление системы тягового электроснабжения на ряде лимитирующих направлений, а также разработка систем тяги повышенного напряжения.

Одной из насущных проблем, связанных с созданием системы тяги постоянного тока повышенного напряжения, является разработка компонентов систем тягового электроснабжения (СТЭ), в частности, соответствующего преобразовательного и коммутационного электрооборудования постоянного тока тяговых

подстанций (ТП), являющихся одними из важнейших электротехнических комплексов электрифицированных железных дорог. Причем, в соответствии с Энергетической стратегией ОАО "РЖД" на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года, преимущество должно отдаваться преобразовательной технике на основе достижений в области силовых управляемых полупроводниковых элементов и коммутационным аппаратам, исключающим горение открытой дуги (бездуговым).

Таким образом, настоящая работа посвящена разработке целесообразных схемных решений по преобразовательному, распределительному и коммутационному оборудованию для ТП СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ с учетом вышеизложенных требований и исследованию эффективности их работы.

Степень разработанности проблемы. Исследованиям и разработкам выпрямительного и коммутационного оборудования ТП, систем тяги постоянного тока 3 кВ, а также повышенного напряжения 6-24 кВ, посвящены работы

B.Е. Розенфельда, Т.П. Третьяка, А.Т. Буркова, В.Н. Пупынина, М.П. Бадера, А.В. Котельникова, Б.А. Аржанникова, А.В. Фарафонова, В.Д. Радченко,

C.Д. Соколова, A.M. Куссуля, А.И. Голубева, И.И. Рыкова, А.И. Короленкова, М.И. Векслера, JI.K. Скурыгина, Д.Ф. Алферова и других ученых и инженеров.

Цель работы - разработка преобразовательно-распределительных устройств с фидерными выключателями без открытой дуги для ТП СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12-24 кВ, соответствующих современному уровню развития техники.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлено решить следующие задачи:

• выполнить анализ конструкций и принципов действия известных типов высоковольтных выключателей постоянного тока и оценить рациональность их применения на ТП СТЭ повышенного напряжения 12-24 кВ;

• разработать перспективные варианты преобразовательно-распределительных устройств с фидерными выключателями без открытой дуги, а именно с бес-

контактными на основе управляемых полупроводниковых приборов, для ТП СТЭ постоянного тока повышенного напряжения 12+24 кВ;

• исследовать электромагнитные процессы, протекающие при отключении токов нагрузки и коротких замыканий (КЗ), в тяговых сетях постоянного тока 12+24 кВ предлагаемыми преобразовательно-распределительными устройствами с бесконтактными фидерными выключателями;

• разработать компьютерные модели предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока средствами пакета программ МАТЬАВ и с их помощью провести численные экспериментальные исследования эффективности работы указанных устройств в различных режимах эксплуатации;

• определить параметры основного электрооборудования предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока повышенного напряжения 12+24 кВ;

• выполнить технико-экономическое сравнение разработанных вариантов преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока на напряжение 12+24 кВ с учетом их технических особенностей и дать рекомендации по их предпочтительному применению.

Научная новизна работы. В диссертации развивается теория бездуговой коммутации активно-индуктивных цепей постоянного тока высокого напряжения тем, что в ней:

• предложены новые схемные решения преобразовательно-распределительных устройств, как с управляемыми, так и с неуправляемыми выпрямителями и бесконтактными фидерными выключателями, предназначенные для питания тяговых сетей постоянного тока, в том числе повышенного напряжения 12+24 кВ;

• дано теоретическое описание электромагнитных процессов, возникающих при бездуговом отключении токов нагрузки и КЗ в тяговых сетях 12+24 кВ;

• с использованием компьютерного моделирования исследованы электромагнитные процессы в схемах предлагаемых устройств, протекающие при отключе-

нии ими токов нагрузки и КЗ в тяговых сетях 12-24 кВ с различными параметрами.

Практическая ценность работы. Применение разработанных схем преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями на ТП СТЭ постоянного тока позволит улучшить массогабаритные показатели преобразовательных агрегатов, за счет отказа от катодных групп выпрямителей, добиться существенного ограничения отключаемых аварийных токов, за счет быстродействия бесконтактных выключателей. Отсутствие механических подвижных элементов в бесконтактных выключателях значительно повысит их ресурс, что в целом увеличит надежность работы СТЭ 12-24 кВ.

Предложены компьютерные модели ТП постоянного тока напряжением 12-24 кВ, оборудованные предлагаемыми преобразовательно-распределительными устройствами с бесконтактными фидерными выключателями, позволяющие всесторонне исследовать работу данных устройств.

Даны рекомендации по вопросам выбора основного электрооборудования предлагаемых преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными фидерными выключателями постоянного тока.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации выполнены анализ и обобщение данных научно-технической литературы, применены теоретические и эмпирические методы исследования, включающие в себя методы теории электрических цепей, использование преобразований Карсона для решения дифференциальных уравнений операторным методом при анализе электромагнитных процессов, компьютерное моделирование, метод Рунге-Кутты четвертого порядка для численного решения систем дифференциальных уравнений.

Положения, выносимые на защиту: • два варианта преобразовательно-распределительных устройств с расщепленной трехфазной шиной пульсирующего напряжения, вместо традиционной шины «плюс», и с бесконтактными (без открытой дуги) фидерными выключателями постоянного тока. Один из вариантов выполнен на базе управляемых выпрямителей (УВ), а другой - на базе неуправляемых выпрямителей (НУВ), при-

чем схемы принципиально отличаются друг от друга алгоритмом отключения токов нагрузки и КЗ;

• компьютерные модели и результаты моделирования работы преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока на напряжение 12+24 кВ, подтверждающие высокую эффективность работы разработанных устройств;

• ориентировочные массогабаритные и стоимостные показатели основных узлов разработанных преобразовательно-распределительных устройств с бесконтактными выключателями постоянного тока на напряжения 12 кВ и 24 кВ.

Достоверность результатов исследований обеспечивается следующим:

• применением фундаментальных законов теории электрических цепей;

• корректностью принятых допущений и строгостью формальных преобразований;

• применением апробированных в различных областях науки и техники программных средств и методов компьютерного моделирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Энергоснабжение электрифицированных железных дорог» МИИТа в 2011-2013 гг., на XII и XIII научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (МИИТ, октябрь 2011, 2012).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в пяти печатных работах, которые включают в себя три статьи в изданиях определенных перечнем ВАК Минобрнауки России и тезисы докладов на научно-практических конференциях. Получен