9 Сглаживающие фильтры (СФ) тяговых подстанций 9.

9 Сглаживающие фильтры (СФ) тяговых подстанций 9. 1 Назначение СФ Сглаживающие фильтры (СФ) призваны не пропускать ток высших гармоник с тяговой подстанции в контактную сеть и включаются между + и – шиной РУ-3, 3 к. В тяговых подстанций. Различают однозвенные (рис. 9. 1) и двухзвенные СФ (рис 9. 2, рис. 9. 3). В своем составе СФ имеют сглаживающие реакторы LP 1, LP 2, резонансные контуры, комплектуемые из конденсаторов С 1…С 6 и катушек индуктивности L 1…L 6, а также емкостные контуры СII. Для того, чтобы ток высших гармоник, создаваемый выпрямителем не попадал в КС, необходимо на ТП создать контур с малым сопротивлением для высших гармоник. Эти функции выполняют резонансные контуры, состоящие из конденсаторов С 1…С 6 и катушек индуктивности L 1…L 6, которые настраиваются в резонанс на мешающую частоту. 1

Для резонанса на частоте ƒk необходимо, чтобы индуктивное сопротивление контура было равно емкостному. Это условие через индуктивность и емкость контура запишется в виде: ХLk=ХCk или для любого i-го контура (9. 1) откуда требуемая индуктивность катушки i-го резонансного контура (9. 2) 2

где ƒk – частота гармоники, на которую настраивается резонансный контур; Сi – емкость конденсатора резонансного контура; Li – индуктивность катушки резонансного контура. Сглаживающие реакторы выполняются на номинальное напряжение 3, 3 к. В, номинальный ток 6500 А или 3250 А из отдельных блоков. Для снижения величины токов высших гармоник через контуры СФ в отсасывающий (рельсовый) фидер включаются сглаживающие реакторы LР 1, LР 2, имеющие большой индуктивное сопротивление хрк для высших гармоник и малое активное сопротивление rp для постоянного тока. Сглаживающие реакторы выполняются на номинальное напряжение 3, 3 к. В, номинальный ток 6500 А или 3250 А из отдельных блоков. 3

9. 2 Схемы СФ и их классификация 9. 2. 1 Однозвенный резонансно-апериодический СФ (рис. 9. 1) состоит из сглаживающего реактора LР 1 РБФА-У-6500/3250, индуктивностью LР 1=5 м. Гн, резонансного контура С 1 -L 1, настроенного на частоту 100 Гц, и емкостного контура СII, обеспечивающего сглаживание высших гармоник (технические характеристики приведены в таблице 9. 4). . 4

Рисунок 9. 1 - Однозвенное резонансно-апериодический 5 сглаживающий фильтр

9. 2. 2 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ Западно- Сибирской ж. д В двухзвенном СФ Западно-Сибирской ж. д. (рис. 9. 2) три резонансных контура L 1 -C 1, L 2 -C 2, L 3 -C 3 настроены на частоты 100, 200, 300 Гц и образуют с реактором LР 1 РБФА-У-6500/3250 индуктивностью LР 1=5 м. Гн первое звено. Емкость СII совместно с реактором LР 2 индуктивностью 3 м. Гн образуют второе звено. Технические характеристики сглаживающих реакторов, катушек индуктивности и конденсаторов приведены в таблице 9. 3. 6

Рисунок 9. 2 – Двухзвенное резонансно-апериодический сглаживающий фильтр Западно-Сибирской ж. д. 7

9. 2. 3 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ ВНИИЖТа На рисунке 9. 3 изображен двухзвенный семиконтурный СФ ВНИИЖТа. Первое звено состоит из шести резонансных контуров, настроенных на частоту от 100 до 600 Гц, и сглаживающего реактора LР 1 индуктивностью 5 м. Гн типа РБФАУ-6500. Второе звено состоит из реактора LР 2 индуктивностью 5 м. Гн типа РБФАУ- 6500/3250, параллельно которому подключен контур L 7 – C 7, образующих фильтр-пробку для гармоники fk=300 Гц, и емкостного контура СII. Это звено рассчитано на сглаживание гармоник с частотой выше 600 Гц. 8

Звено LР 2 ÷ L 7 C 7 образует фильтр – пробку для частоту 300 Гц, в котором принято С 7=10 мк. Ф. При известных значениях С 7 и LР 2 определяют величину L 7, исходя из условия резонанса при частоте 300 Гц: ωLР 2+ωL 7=1/ωС 7 откуда L 7=1/ω²С 7 - LР 2 для fk=300 Гц угловая частота ω=2π∙fk=2π ∙ 300. Следовательно Для снижения помех в каналах высокой частоты предусматривается включение конденсатора С=10 мк. Ф между катодом выпрямителя и контуром заземления подстанции. Технические характеристики сглаживающих реакторов, катушек индуктивности и конденсаторов приведены в таблице 9. 4. 9

Рисунок 9. 3 – Двухзвенный резонансно-апериодический сглаживающий фильтр ВНИИЖТа 10

9. 2. 4 Технические данные одного блока реакторов РБФА-У- 6500/3250 сглаживающих фильтров 11

9. 2. 5 Технические характеристики конденсаторов типа ФМТ 4× 12 Таблица 9. 1 - Варианты соединения реактора РБФА-У-6500/3250 12

Таблица 9. 2 - Технические данные катушек индуктивности сглаживающих фильтров 13

Таблица 9. 3 - Электрическое оборудование сглаживающих фильтров РУ 3, 3 к. В 14

Таблица 9. 4 - Технические характеристики параметров СФ 15

9. 3 Требования предъявляемые к СФ 1) напряжение Udk частотой 100 Гц должно быть не больше 100 В 2) 2) псофометрическое Uпс напряжение на выходе сглаживающего фильтра должно быть не более 5 В для воздушных линий связи и не более 18 В для кабельных линий связи; 3) 3) простота схемы 4) 4) минимальные потери мощности в сглаживающих реакторах. 16

9. 4 Теория работы СФ Рисунок 9. 4 - Схема прохождения тока k-ой гармоники при оборудовании 17 подстанции сглаживающими фильтрами

На схеме рис. 9. 4 обозначено Idk – ток k-ой гармоники создаваемой выпрямителем; Ik – ток k-ой гармоники протекающий в контактной сети; I'kш – ток k-ой гармоники 1 -го звена; I"kш – ток k-ой гармоники 2 -го звена. 18

Под действием напряжения Udk по тяговой сети потечет ток При включении СФ ток Idk в точке А разделяется на две составляющие: ток Ik в контактной сети и Ikш через контуры СФ. Следовательно, Idk= Ik+ Ikш (9. 1) В двухзвенных СФ ток Ikш протекает через первое I'kш и второе I''kш звено, т. е. Ikш= I'kш+ I''kш (9. 2) 19

Ток гармоники k-го порядка в контактной сети при работающем СФ будет равен Чем меньше сопротивление ZСФ, тем ток Ikш больше, а ток в контактной сети Ik меньше и влияние на линии связи уменьшается. Для уменьшения ZСФk в СФ включаются резонансные контуры, обеспечивающие минимальное сопротивление ZСФk. Сглаживающее действие СФ оценивается коэффициентом сглаживания Kсгk, который равен отношению (9. 5) где Udk, Udk 2 – напряжение k-ой гармоники соответственно до и 20 после СФ.

Ток гармоники Idk в т. А на две составляющие на ток Ik в контактной сети и Ikш через контуры СФ. При этом чем меньшее сопротивление ZСФ, тем ток через контуры СФ Ikш > Ik и влияние на линии связи тока Ik уменьшается (9. 5) Сглаживающее действие СФ оценивается Kсгk (9. 6) где Udk 2 – напряжение k-ой гармоники после СФ. 21

9. 5 Схема замещения СФ а) однозвенного б) двухзвенного 22 Рисунок 9. 5 – Схемы замещения сглаживающих фильтров

9. 6 Расчет параметров схемы замещения производится для гармоники k-го порядка Сопротивление любого элемента СФ можно рассчитать а) в комплексной форме или б) по модулю • Сопротивление любого сглаживающего реактора (9. 7) (9. 8) • Сопротивление любого i-го резонансного контура (9. 9) • Расчет индуктивности любого резонансного контура по известному Ci выполняется из условия x. Li=x. Ci откуда (9. 10) 23

• Сопротивление емкостного контура (9. 11) • Полное сопротивление всех параллельно включенных резонансных контуров двухзвенного СФ (9. 12) 24

• полное сопротивление параллельно включенных резонансного и емкостного контура однозвенного СФ (9. 12) В формулах (9. 7) – (9. 12) обозначено rpk – активное сопротивление сглаживающего реактора, Ом; xpk – индуктивное сопротивление сглаживающего реактора, Ом; Lp – индуктивность сглаживающего реактора, Гн; ri – активное сопротивление i-го резонансного контура, Ом; Li – индуктивность катушки i-го резонансного контура, Гн; Ci – емкость конденсаторов i-го резонансного контура, Ф; CII – емкость апериодического контура СФ, Ф; fk – частота k-ой гармоники, Гц. 25

9. 7 Расчет коэффициента сглаживания Качество СФ оценивается коэффициентом сглаживания: (9. 14) Для однозвенного СФ (рис. 9. 5) на основании второго закона Кирхгофа для электрической цепи можно записать: (9. 15) После подстановки значения Udk из (9. 15) в (9. 14) получим (9. 16) Откуда после сокращения IКШ найдем формулу для расчета kсгk однозвенного сглаживающего фильтра (9. 17) 26

Для двухзвенного СФ (рис. 9. 5) согласно закону Киргофа можно записать: для первого контура (звена) (9. 18) для второго контура (звена) (9. 19) Коэффициент сглаживания двухзвенного СФ может быть записан в виде произведения коэффициента сглаживания первого и второго звена (9. 20) 27

С учетом (9. 18) и (9. 19) после подстановки их значений в (9. 20) получим: (9. 21) После сокращения I'кш и I''кш и упрощений (9. 21) формула для расчета коэффициента сглаживания двухзвенного сглаживающего фильтра примет вид (9. 22) где zp 1 k, zp 2 k – полное сопротивление реакторов соответственно первого и второго звена СФ, Ом; z. Ik – сопротивление всех параллельных плеч СФ первого звена, Ом; z. IIk – сопротивление емкостного контура второго звена СФ, Ом. 28

9. 7. 1 Таблица 9. 5 - Коэффициенты сглаживания фильтров kсгk 29