Стабилизация напряжения контактной сети трансформаторно-выпрямительным агрегатом тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Ткачук Антон Андреевич

• Ткачук Антон Андреевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ткачук Антон Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

1.1. Стабилизация напряжения тяговой подстанции со стороны первичной обмотки трехфазного трансформатора

1.1.1. Изменение числа витков первичной обмотки трехфазного трансформатора

1.1.2. Компенсация реактивной мощности в сети, питающей трехфазный трансформатор

1.2.Стабилизация напряжения подстанции со стороны вторичной обмотки трехфазного трансформатора

1.2.1. Использование вольтодобавочных устройств полупроводниковых преобразователей

1.2.2. Использование сверхпроводниковых индуктивных

накопителей энергии

1.3.Стабилизация напряжения контактной сети с помощью тягового

трансформатора с модифицированной конструктивной схемой

Выводы по 1 главе

Глава 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ СТЕПЕНИ НАМАГНИЧИВАНИЯ МАТЕРИАЛА ПОДСТЕРЖНЕЙ

МАГНИТОПРОВОДА ТРАНСФОРМАТОРА

2.1.Способ стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора без короткозамкнутых витков на подстержнях

(вариант 1)

2.2. Способ стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора с короткозамкнутыми витками (вариант 2)

2.3.Способ стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора с короткозамкнутыми витками и секционированной первичной обмоткой (вариант 3)

2.4. Сравнительный анализ разработанных способов стабилизации

напряжения

Выводы по 2 главе

Глава 3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА СО СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ

3.1. Предварительный электромагнитный расчет трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами

3.2. Расчет и размещение первичных обмоток

3.3. Расчет и размещение вторичных и короткозамкнутых обмоток

3.4. Расчет электрических и магнитных потерь трехфазного трансформатора

3.5. Расчет холостого хода трансформатора

3.6. Расчет коэффициента полезного действия трансформатора

Выводы по 3 главе

4. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА СО СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ

4.1. Исследование номинального режима работы трансформатора

4.2. Исследование режима холостого хода трансформатора со стабилизирующими свойствами

4.3. Исследование режима короткого замыкания трансформатора со стабилизирующими свойствами

4.4.Некоторые результаты исследований выпрямителя

трансформаторно-выпрямительного агрегата

Выводы по 4 главе

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТ И ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА СО СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ

5.1. Определение критериев подобия

5.2. Расчет модели трансформатора со стабилизирующими свойствами

5.3. Проведение экспериментальных исследований на модели трансформатора и математическая обработка результатов измерений

5.3.1. Описание схемы эксперимента

5.3.2. Эксперимент

5.3.3. Статистическая обработка экспериментальных данных методом регрессионного анализа

5.4. Точность воспроизведения критериев подобия

5.5.Методика инженерного расчета основных параметров трехфазного

трансформатора со стабилизирующими свойствами

Выводы по главе

Заключение

Библиографический список

Приложение 1 . Перечень технических характеристик базового

трансформатора со стабилизирующим эффектом

Приложение 2. Патенты

Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стабилизация напряжения контактной сети трансформаторно-выпрямительным агрегатом тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ»

Общая характеристика работы

Актуальность. Резко переменный характер нагрузки, а также возрастающие потребности в увеличении пропускной способности железнодорожных магистралей, связанные с использованием грузовых и высокоскоростных электроподвижных составов (ЭПС), сопряжены с рядом негативных последствий, вытекающих из особенностей системы электротяги 3,3 кВ постоянного тока. В это число входят: искажение формы тока, получаемого от системы питания ввиду нелинейности тяговой подстанции, увеличение тяговых токов в 1,25-1,5 раза от их номинального значения и снижение уровня напряжения на шинах тяговых подстанций.

Существующие устройства стабилизации напряжения на шинах питающей подстанции в условиях длительного превышения тяговых токов не всегда способны поддерживать требуемый уровень выпрямленного напряжения с достаточной степенью надежности, и как следствие, диапазон функциональных возможностей таких устройств сужается. Все эти факты указывают на необходимость разработки агрегата электроснабжения подстанции, способного самостоятельно компенсировать отклонения напряжения от требуемого уровня на шинах подстанции постоянного тока 3,3 кВ.

Целью исследования является разработка и исследование научно обоснованного технического решения для решения проблемы стабилизации напряжения контактной сети постоянного тока напряжения 3,3 кВ.

Объект исследования - трансформаторно-выпрямительный агрегат подстанции постоянного тока со стабилизирующим эффектом.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в конструктивных элементах трансформаторно-выпрямительного агрегат при различных режимах работы и обеспечивающие его стабилизирующие свойства.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели задачами диссертационной работы являются:

1. Разработка и исследование способа стабилизации напряжения с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней тягового трехфазного трансформатора агрегата.

2. Исследование влияния основных параметров магнитопровода и обмоток трансформатора на процесс стабилизации напряжения.

3. Разработка конструкции трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами для тяговых подстанций постоянного тока.

4. Математическое моделирование основных режимов работы трехфазного трансформатора со стабилизирующим эффектом.

5. Проведение экспериментальных испытаний на модели трехфазного трансформатора для верификации его стабилизирующих свойств.

6. Разработка методики определения основных параметров трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами.

7. Исследование влияния выпрямителя на стабилизирующую функцию трансформаторно-выпрямительного агрегата подстанции 3,3 кВ. Методика исследований. В ходе исследований использовались методы

математического анализа, теории функций комплексного переменного, теории нелинейных цепей, линейных электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории подобия, численные методы с использованием пакета программы Е1си!

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способы стабилизации напряжения контактной сети с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора.

2. Результаты расчетных исследований трансформаторно-выпрямительного агрегата со стабилизирующим эффектом в различных режимах его работы.

3. Методика расчета трехфазного трансформатора со стабилизирующим эффектом.

Научная новизна. В ходе работы были получены следующие результаты:

1. Разработан новый способ стабилизации напряжения контактной сети с помощью изменения степени намагничивания материала подстержней магнитопровода трансформатора трансформаторно-выпрямительного агрегата подстанции постоянного тока.

2. Построена математическая модель трансформатора со стабилизирующим эффектом, описывающая электромагнитные процессы, протекающие в трехфазном трансформаторе со стабилизирующими свойствами.

3. Разработана методика расчета трехфазного трансформатора со стабилизирующими свойствами.

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждена: результатами математического моделирования в среде пакета Elcut 6.0 и экспериментальными данными, полученными в ходе проведения серии исследований на модели однофазного трансформатора со стабилизирующими свойствами. Практическая значимость:

1. Разработан трансформаторно-выпрямительный агрегат тяговой подстанции, позволяющий самостоятельно стабилизировать уровень напряжения в контактной сети при критических токовых перегрузках (до 2% от номинального значения).

2. Сформулированы требования, предъявляемые к параметрам магнитопровода и обмоткам трансформатора агрегата со стабилизирующими свойствами на этапе проектирования.

3. Создана методика расчета трехфазного трансформатора агрегата со стабилизирующими свойствами.

Реализация. Результаты диссертационной работы были использованы на ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» при разработке перспективных систем и устройств электропитания железнодорожного транспорта.

Апробация. Положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах:

1. Шестой Международный симпозиум «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте» Eltrans'2011 (Санкт-Петербург, ПГУПС);

2. Седьмой Международный симпозиум «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» Eltrans'2013 (Санкт-Петербург, ПГУПС);

3. Всероссийская научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (2012, 2013, Санкт-Петербург, ПГУПС);

4. III Всероссийская научно-техническая конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (14-17 апреля 2014 г., Тольятти, ТГУ);

5. III Всероссийский конгресс молодых ученых (8-11 апреля 2014 г., Санкт-Петербург, Университет ИТМО);

6. V Международная молодежная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи-2014» (Томск, 10-14 ноября 2014 г.);

7. Международная научно-практическая конференция «Транспорт-2013» (Ростов-на-Дону, 2013);

а также на заседаниях кафедры «Теоретические основы электротехники» ПГУПС (2011-2017 г.).

Публикации. По материалам и результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, из них 2 в изданиях, входящих в перечень ВАК, получено 5 патентов на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 166 страниц основного машинописного текста, 14 таблиц, 72 рисунка и 3 приложения. Библиографический список включает 69 наименований.

ВВЕДЕНИЕ

Резко переменный характер нагрузки, а также всевозрастающие потребности в увеличении пропускной способности железнодорожных магистралей, связанные с использованием грузовых и высокоскоростных электроподвижных составов (ЭПС), сопряжены с рядом негативных последствий, вытекающих из особенностей системы электротяги 3,3 кВ постоянного тока. В их число входят: искажение формы тока, получаемого от системы питания ввиду нелинейности тяговой подстанции, увеличение тяговых токов в 1,25-1,5 раза от их номинального значения, снижение уровня напряжения на шинах тяговых подстанций, уменьшение коэффициента мощности, вызываемое работой тяговой подстанции и ЭПС, нагрев оборудования питающих подстанций.

Усиление системы тягового электроснабжения реализуется за счет увеличения сечения проводов контактной подвески, строительства новых тяговых подстанций, а также пунктов параллельного соединения и схем двойного напряжения 6,6/3,3 кВ с пунктами повышенного напряжения, внедрения современного оборудования, элементная база которого основана на мощных ЮСТ-тиристорах и IGBT-транзисторах, использования вольтодобавочных устройств (ВДУ), применения сглаживающих пики токов нагрузки накопительных элементов, а также внедрения трехфазной группы трансформаторов с магнитными шунтами.

Применение того или иного способа усиления системы электроснабжения зависит от условий эксплуатации электрифицированных участков. Так, при организации высокоскоростного движения на существующих железнодорожных линиях наиболее подходящим вариантом стало применение вольтодобавочных управляемых преобразователей на смежных питающих подстанциях постоянного тока. Исследования, проводимые в 1983-х годах Р.И. Мирошниченко по изучению работы средств регулирования на основе магнито-диодных приставок к выпрямителям, не дали желаемых результатов [1]. Современные управляемые тиристорные преобразователи в условиях длительного превышения тяговых токов

не способны поддерживать необходимый уровень выпрямленного напряжения с требуемой степенью надежности, и как следствие, диапазон функциональных возможностей таких устройств резко сужается. Все эти факты указывают на необходимость разработки устройств, способных компенсировать отклонения напряжения от требуемого уровня на шинах подстанции постоянного тока 3,3 кВ. Такие устройства должны обладать высокой степенью надежности и малыми потерями электроэнергии.

Глава 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТАКТНОЙ

СЕТИ

Существующие способы стабилизации напряжения на тяговых подстанциях постоянного тока (следует отметить, что стабилизация напряжения контактной сети жестко увязана со стабилизацией напряжения на шинах тяговой подстанции, поэтому эти два понятия будем считать эквивалентными) можно разделить на три группы:

1. Способы стабилизации напряжения тяговой подстанции со стороны первичной обмотки трехфазного трансформатора.

2. Способы стабилизации напряжения тяговой подстанции со стороны вторичной обмотки трехфазного трансформатора.

3. Способы стабилизации напряжения, связанные с изменением конструкции трехфазного трансформатора, входящего в состав трансформаторно-выпрямительного агрегата тяговой подстанции.

1.1. Стабилизация напряжения тяговой подстанции со стороны первичной

обмотки трехфазного трансформатора

1.1.1. Изменение числа витков первичной обмотки трехфазного

трансформатора

Всесоюзным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта совместно со службой электрификации и энергетического хозяйства Западно-Сибирской дороги исследовалось регулирование напряжение без перерыва нагрузки (РПН) [2] и без отключения обмоток от сети [3,4].

Стандартами ГОСТ 11920-85 [5] и ГОСТ 12965-85 [6] устанавливается диапазон мощностей и пределы регулирования первичного напряжения для силовых трансформаторов с РПН.

Вторичное напряжение и2 трехфазного трансформатора, являющегося ядром преобразовательного агрегата, может изменяться при увеличении тока вторичной обмотка /2 или при изменении напряжения первичной обмотки и Такие изменения вторичного напряжения напрямую влияют на стабильность выпрямленного напряжения тяговой подстанции.

Поэтому с учетом возможного отклонения напряжения на первичной обмотке трансформатора от номинального значения более чем на ± 10% у силовых понизительных трансформаторов делают ответвления на стороне

высокого напряжения, поддерживая, отношение —— постоянным [7].

Схема устройства переключений под нагрузкой с токоограничивающим реактором показана на рис. 1.1.

кж

Рисунок 1.1 - Схема устройства переключений под нагрузкой с токоограничивающим реактором ЬЯ (промежуточная позиция при переключении между ответвлениями, где /ц - циркулирующий ток)

При переходе с одной ступени на другую ток, протекающий по соседним ответвлениям, ограничивается реактором ЬЯ, продолжительность протекания

такого тока не превышает 1 секунды, а общее время перехода между ступенями не превышает 3 секунд. В силовых трансформаторах класса напряжения до 35 кВ включительно и мощностью до 6300 кВА применяется упрощенная схема регулирования напряжения без выключателей КМ1 и КМ2.

До размыкания контактов переключателей БЛС1 и БЛС2 их отключают от питающей сети или от нагрузки выключателями КМ1 и КМ2. В момент времени, когда конфигурация схемы обеспечивает протекание циркулирующего тока /ц, реактор ЬЯ своим сопротивлением ограничивает его скачкообразное изменение выше допустимого значения плотности тока проводов первичной обмотки.

Если первичная обмотка содержит 5 ответвлений (на рисунке 1.1 все ответвления не показаны), такой трансформатор имеет 5 внешних характеристик - зависимостей напряжения вторичной обмотки от тока вторичной обмотки (рисунок 1.2).

--►

12

Рисунок 1.2 - Внешние характеристики преобразовательного

трансформатора

(и201 - напряжение холостого хода трансформатора при работе на 1-ом ответвлении первичной обмотки, и205 - напряжение холостого хода трансформатора при работе на 5-ом ответвлении первичной обмотки, 1.. 5 -внешние характеристики преобразовательного трансформатора, 6 - внешняя стабилизированная характеристика, Аи - изменение напряжения вторичной обмотки трансформатора)

При переключении между ответвлениями X 1 и X 2 (рисунок 1.1), то есть с изменением числа витков первичной обмотки, происходит переход работы трансформатора с одной внешней характеристики на другую. При этом уровень напряжения вторичной обмотки изменяется на значение, определяемое из [7] по формуле:

и10

Аи = 2,5— 100

где - напряжение холостого хода первичной обмотки, В.

Кроме механических переключателей могут использоваться управляемые реакторы, подключаемые к отпайкам первичной обмотки трансформатора.

К трансформатору типа ТДПУ (ТДРУ)-20000/35ЖУ1 или ТДПУ-20000/10ЖУ1 подключают выпрямительные установки, собранные по схемам: «две обратные звезды с уравнительным реактором» или трехфазная 6-ти или 12-ти пульсовая [8], кроме того используются трансформатора типа ТДП-16000/10 и ТРДП-16000/10 [9]. Диапазон регулирования напряжения вторичной обмотки составляет . Поддержание определенного уровня выпрямленного

напряжения тяговой подстанции осуществляется аппаратами, размещенными в шкафах типа ШАУНТ-3У4 (схема автоматики построена на магнитных усилителях) и ШАУНТ-1У4 [10] (схема автоматики построена на тиристорах). В режиме инвертирования или выпрямления к трансформаторам могут подключаться выпрямительно-инверторные преобразователи типа ВИПЭ-2 [11].

В состав первичной обмотки трансформатора, регулируемого под нагрузкой (рисунок 1.3), входит основная обмотка с числом витков Ир и регулировочная обмотка с числом витков .

+

и

I ^ыъл

УР2

у

о-

пп

w

УР1

"д

wд

wp ■

wn

^2

и2 г*

+

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема бесконтактного регулирования под нагрузкой с управляемыми реакторами

К отводам регулировочной части первичной обмотки подключены два управляемых реактора УР1 и УР2 [9, 12] с обмотками управления и дроссельными обмотками . Сопротивление реакторов УР1 и УР2 зависит от токов намагничивания /у1 и /у2, протекающих в обмотках управления Процесс регулирования напряжения заключается в подмагничивании одного реактора и размагничивании другого. В предельных состояниях, когда реактор УР1 полностью намагничен, его сопротивление минимально, в тоже время сопротивление полностью размагниченного реактора УР2 максимально. Плавность регулирования напряжения вторичной обмотки обеспечивается тем, что число витков первичной обмотки изменяется от Wp + wа до Wp. При этом коэффициент трансформации трансформатора остается постоянным и определяется как:

к = YWа),

и/2

где w2 - число витков вторичной обмотки трансформатора; у - параметр, зависящий от режима намагничивания реакторов.

Изменение степени намагничивания управляемых реакторов позволило получить семейство внешних характеристик преобразовательного агрегата (рисунок 1.4) [7,9,11].

Рисунок 1.4 - Внешние характеристики преобразовательного агрегата, где I й - выпрямленный ток тяговой подстанции, и а - выпрямленное напряжение

тяговой подстанции

Зона регулирования напряжения агрегата задана кривыми 1 и 5. Кривая 1 соответствует размагничиванию реактора УР1 и намагничиванию реактора УР2, кривая 5 соответствует намагничиванию УР1 и размагничиванию УР2, кривая 4 соответствует режиму стабилизации напряжения агрегата, кривые 2 и 3 соответствуют режимам, выходящим на стабилизированные.

Преобразовательный трансформатор, управляемые реакторы, а также шкаф управления формируют систему автоматической стабилизации напряжения тяговой подстанции (АСНТп). Современные шкафы управления построены на тиристорах. Из источника [10] известна система АСНТп, в состав которой входят преобразовательный трансформатор ТДП-16000/10, реактор РТДП-6300/10 и подмагничиваемый тиристорный регулятор ШАУНТ-1У4. Такая система способна поддерживать выпрямленное напряжение тяговой подстанции в диапазоне 3500-3800 В.

С 2006 года используются регуляторы типа ШАУН5-У4 [13]. Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» разрешено внедрение таких регуляторов на подстанциях «Лихославль» и

«Кулицкая» Октябрьской железной дороги. Исследования системы АСНТп, в состав которой входил трансформатор ТРДП-16000/10 ЖУ1, реакторы РТДП-6300/10 и регулятор ШАУН5-У4, показали, что напряжение тяговой подстанции стабилизируется в диапазоне от 3500 В до 3800 В.

Модификацией устройств РПН трансформатора является включение вместо управляемых и неуправляемых реакторов тиристорных ключей (рисунок 1.5) [7, 11].

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема тиристорного РПН трансформатора с зависимым от токов и напряжения способов переключения тиристоров

Разработка тиристорных регуляторов трансформаторов позволит повысить качество напряжения, сократить время компенсации отклонения напряжения на вторичной обмотке трансформатора [14].

Принципиальная особенность такого регулятора заключается в том, что в схеме отсутствует реактор. Схема такого регулятора собрана из двух тиристорных ключей УБ1 и УБ2, а также датчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН) и системы управления СУ. Датчики тока задают направления токов, протекающих в ответвлениях первичной обмотки, датчик напряжения задает полярность напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора. Тем самым

исключается возможность протекания циркулирующего тока и тока короткого замыкания в контуре К51-х1-х2-К52-К51, исключается возможность падения рабочего тока до нуля. Подобное схемное решение может быть выполнено и для трехфазного тиристорного регулятора [7].

Широкое регулирование напряжения на стороне первичной обмотки возможно при установке регулирующей аппаратуры, однако при этом усложняются конструкции обмоток трехфазного трансформатора, увеличиваются размеры его магнитной системы. Всё это ведет к удорожанию конструкции трансформатора.

1.1.2. Компенсация реактивной мощности в сети, питающей трехфазный трансформатор

Одной из причин снижения напряжения у потребителя при увеличении тока нагрузки является резкое возрастание реактивных потерь напряжения на элементах сети. В целях снижения реактивной составляющей тока питающей сети вводятся фильтро-компенсирующие устройства, представляющие собой конденсаторно-реакторные блоки, настроенные на частоты высших гармоник тока [15] и трансформаторно-вентильные компенсаторы реактивной энергии [16].

Существуют альтернативные средства регулирования напряжения на шинах тяговой подстанции постоянного тока в зависимости от токовой нагрузки при наличии батареи емкостной компенсации, позволяющие оставлять ёмкость этой батареи неизменной и плавно регулировать величину реактивной мощности батареи. К таким способам можно отнести использование управляемого конденсаторно-тиристорного источника реактивной мощности с согласующимся трансформатором [17] (рисунок 1.6).

и

С5= = С7=

КО >

ь51

Сд

доб

ОУ \У2

Рисунок 1.6- Источник реактивной мощности с согласующим трансформатором

Согласующий трансформатор состоит из сетевой обмотки СО, компенсационной обмотки КО с фильтрами высших гармоник и добавочной батареей конденсаторов Сдоб и обмотками управления ОУ с тиристорным блоком, состоящим из встречно включенных тиристоров VI — К2.

В качестве согласующегося трансформатора может быть выбран силовой трансформатор типа ТРДП-16000/10ЖУ1.

На рисунке 1.7 представлена осциллограмма выходного напряжения при нагрузке в сети 24 МВт и 6 МВт.

0,01 0,02 0.03 0.04 0,05 0,06 1>с

Рисунок 1.7 - Выходные напряжения тяговой подстанции при двукратной

нагрузке

Угол открытия тиристоров при этой нагрузке а=180°. Как видно, напряжение на выходе подстанции даже при двойной перегрузке остается на требуемом уровне (3300 В).

При номинальной нагрузке угол отпирания тиристоров может находиться в

о о

пределах 0 < а < 1 8 0 . Это позволяет не перегружать тиристоры при перекомпенсации и поддерживать напряжение на выходе подстанции на требуемом уровне.

Преимущество компенсации реактивной мощности питающей трансформатор сети - поддержание напряжения на вторичной обмотке трансформатора ТРДП-16000/10ЖУ1 на требуемом уровне. Недостаток заключается в необходимости введения дополнительных фильтрующих устройств, устраняющих значительные пульсации в форме выпрямленного напряжения подстанции.

1.2. Стабилизация напряжения подстанции со стороны вторичной обмотки

трехфазного трансформатора

1.2.1. Использование вольтодобавочных устройств полупроводниковых

преобразователей

Преобразователь выпрямительный для электрифицированного транспорта

регулируемый (ПВЭР)

Одним из способов усиления участков электрифицированного железнодорожного транспорта является установка вольтодобавочных устройств на тяговых подстанциях постоянного тока. К таким техническим средствам относится преобразователь выпрямительный для электрифицированного транспорта регулируемый (ПВЭР). Преобразователь состоит из регулируемой и нерегулируемой частей. Нерегулируемая часть выполнена по схеме «две обратные звезды с уравнительным реактором». Регулируемая часть выполнена по схеме Ларионова. Питание осуществляется от трансформатора типа ТМП-3200/10.

Номинальное напряжение преобразователя составляет 600 В, номинальный выпрямленный ток - 3,0 кА.

Управление преобразователем - амплитудно-фазное [18]. Регулирование напряжением осуществляется подачей на управляемые электроды тиристоров импульсных сигналов с равным сдвигом по фазе на угол а [9].

Выходные характеристики агрегата ПВЭР приведены на рисунке 1.8.

¥

з,в з,ч V

3,0 а 0,е 1,2 1,8 2,иа,А

Рисунок 1.8 - Выходные характеристики агрегата ПВЭР

(1й - выпрямленный ток, иа - выпрямленное напряжение, 1 - естественная неуправляемой части; 2 - в инверторном режиме регулируемой части; 3 -стабилизированная; 4, 5 - регулируемые; 6 - суммарная неуправляемой и управляемой частей)

Преимущества использования ПВЭР:

1. Вольтодобавочная часть, входящая в ПВЭР, позволяет не только регулировать (характеристика 4), но и стабилизировать (характеристика 3) напряжение на шинах тяговой подстанции.

2. Использование параллельно включенных шунтирующих диодов в схему регулируемой части ПВЭР позволяет обеспечить непрерывное протекание тягового тока при исчезновении сигналов управления на выходах тиристоров, следовательно, повышается надежность работы тяговой подстанции.

Недостатки использования ПВЭР:

1. Использование шунтирующих диодов в схеме ПВЭР повышает коэффициент мощности регулируемой части всего на 4%.

2. Использование дополнительной регулируемой части в ПВЭР увеличивает его стоимость.

Преобразовательный агрегат с магнито-тиристорным регулятором выпрямленного напряжения (ВДУ ЛИИЖТа)

Устройство состоит из основного преобразователя и магнито-тиристорного регулятора. Магнитотиристорный регулятор состоит из вольтодобавочного трансформатора (преобразовательный трансформатор типа ТМР-3200/35) и блока тиристоров. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора (ВДТ) подключена к вторичной обмотке основного преобразовательного трансформатора, а также через группу тиристоров к его нулевому выводу. Концы вторичных обмоток ВДТ соединены с выпрямителем.

Тиристорами осуществляется амплитудно-фазное регулирование напряжения, питающее первичную обмотку ВДТ. В зависимости от угла регулирования тиристоров напряжение вторичных обмоток ВДТ изменяется в диапазоне 0^600 В [18]. Таким образом, диапазон регулирования фазного напряжения вторичной обмотки ВДТ составляет и2ф + 1,17^2ф.

Недостатки агрегата:

1. Наличие встречно включенных тиристоров не обеспечивает постоянного поддержания магнитного равновесия в стержнях ВДТ, вследствие этого возникают перенапряжения, представляющие угрозу для работающих тиристоров и изоляции ВДТ.

2. Напряжение, формируемое на компенсационной обмотке, не способно обеспечить подъем напряжения на шинах питающей подстанции до требуемого уровня.

3. Включение ВДТ резко снижает коэффициент мощности всей системы в целом [9,18].

Выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП) с регулируемым

напряжением

Используется для централизованного регулирования напряжения на электрифицированном участке. В состав входят: управляемые реакторы УР1-УР2 каждой фазы трехфазной питающей системы, ШАУНТ (шкаф автоматического управления напряжением на тиристорах), трансформатор ТДП-16000/10Ж, выпрямительно-инверторный блок, измерительные трансформаторы, система управления, система датчиков гармонического состава выпрямленного напряжения и импульсный трансформатор.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ткачук Антон Андреевич, 2017 год

Библиографический список

1. ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1986. - 27 с.

2. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов. Учебное пособие для вузов / П.М. Тихомиров. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976. - 544 с.

3. Вольдек, А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений / А.И. Вольдек. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

4. ГОСТ 11920-85 Трансформаторы силовые масляные общего назначения напряжением до 35 кВ включительно. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1985. - 39 с.

5. ГОСТ 12965-85 Трансформаторы силовые масляные общего назначения классов напряжения 110 и 150 кВ. Технические условия. - М.: Издательство стандартов, 1985. - 48 с.

6. Розенблат, М.А. Магнитные усилители / М.А. Розенблат. - М.: Советское радио, 1956. - 823 с.

7. Бадёр, М.П. О повышении энергетической эффективности преобразовательного оборудования тяговых подстанций метрополитена / Бадёр М.П., Ю.М. Иньков // Электричество. - 2008. - №2. - С. 60-64.

8. Бей, Ю. М. Тяговые подстанции. Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Ю.М. Бей, Р.Р. Мамошин, В.Н. Пупынин, М.Г. Шалимов. - М.: Транспорт, 1986. - 319 с.

9. Бурков, А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов ж.-д. транспорт / А.Т. Бурков. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

10. Аржанников, Б.А. Совершенствование системы электроснабжения постоянного тока на основе автоматического регулирования тяговых подстанций / Б.А. Аржанников, А.А. Пышкин. - Екатеринбург: Издательство Уральского государственного университета путей сообщения, 2006. - С.118.

11. Аржанников, А.А. Система управляемого тягового электроснабжения постоянного тока для пропуска скоростных и тяжеловесных поездов / А.А. Аржанников // Транспорт Урала. - 2012. - №1(32). - С.134-137.

12. Аржанников, Б.А. Автоматическое регулирование напряжения в системе электроснабжения постоянного тока 3,0 кВ / Б.А. Аржанников, Л.А. Фролов. - Екатеринбург: Издательство УрГУПС, 2009. - 48 с.

13. Аржанников, Б. А. Возможности автоматического регулирования напряжения на существующем оборудовании тяговых подстанций скоростной магистрали Санкт-Петербург - Москва / Б. А. Аржанников, Л. А. Фролов, А. Н. Марикин // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте Eltrans'2009: материалы Пятого Международного симпозиума. Санкт-Петербург, 2010. - С. 330-333.

14. Иньков, Ю.М. Компенсаторы неактивной энергии со стабилизацией напряжения трансформаторных подстанций / Ю.М. Иньков, В.С. Климаш, Д.П. Светлаков // Электротехника. - 2007. - №7.- С.34-37.

15. Розанов, Ю.К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники / Ю.К. Розанов // Электричество. - 2005. - №7. - С.52-61.

16. Александров, Г.Н., Шакиров М.А. Трансформаторы и реакторы / Г.Н. Александров, М.А. Шакиров. - СПб.: Издательство политехнического университета, 2006. - 204 с.

17. Ким, К.К. Разработка стабилизаторов напряжения контактной сети электрифицированного железнодорожного транспорта/ К.К. Ким, Ю.А. Михайлов, А.А. Ткачук // Известия вузов. Электромеханика. - 2011. -№5. - С.38-45.

18. Сергеенков, Б.Н. Электрические машины: Трансформаторы. Учебное пособие для электромех. спец. вузов / Б.Н. Сергеенков, В.М.Киселев, Н.А. Акимова; под. ред. И.П. Копылова. - М.: Высшая школа., 1989. - 352 с.

19. Быкадоров, А.Л. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии для тяговых подстанций постоянного тока / А.Л. Быкадоров, Т.А. Заруцкая,

А.Д. Петрушин, Е.П. Фигурнов // Известия вузов. Электромеханика. - 2008. - №3. - С.56-61.

20. Ким, К.И. Электротехника сверхпроводников: учебное пособие / К.И. Ким, К.К.Ким, И.Д. Лупкин. - Л.: ЛИИЖТ, 1989. - 66 с.

21. Шевлюгин, М.В. Повышение энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения железных дорог с помощью накопителей энергии / М.В. Шевлюгин // Наука и техника транспорта. - 2007. - №1. - С. 68-72.

22. Шевлюгин, М.В. Использование сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии в системе тягового электроснабжения электрических железных дорог / М.В. Шевлюгин // Вестник МИИТа. - 2003. - Вып.8. - С. 48-51.

23. Златкин, Б.Р. Оптимизация конструкции силовых трансформаторов / Б.Р. Златкин, Л.Я. Поволоцкий, Г.И. Циер // Электротехника. - 1977. - №4. -С. 14-16.

24. Пат. 109909 Российская Федерация, МПК H01F 30/12. Трехфазный трансформатор / Ким К.К., Ткачук А.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - № 2011123724/07; заявл. 10.06.2011; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30. - 3 с.

25. Пат. 119930 Российская Федерация, МПК H01F 30/12. Трехфазный трансформатор / Ким К.К., Ткачук А.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - № 2012114281/07; заявл. 11.04.2012; опубл. 27.08.2012, Бюл. № 24. - 2 с.

26. Пат. 172859 Российская Федерация, МПК H01F 20/12. Трехфазный трансформатор тяговой подстанции постоянного тока / Ким К.К., Ткачук А.А., Титова Т.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное

государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I». - № 2017104981; заявл. 15.02.2017; опубл. 28.07.2017, Бюл. № 22. - 2 с.

27. Ким, К.К. Разработка устройства поддержания напряжения на требуемом уровне в контактной сети постоянного тока железнодорожного транспорта / К.К. Ким, А.А. Ткачук // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте: материалы Шестого Международного симпозиума «Элтранс-2011». -Санкт-Петербург, 2013. - С. 416-424.

28. Ким, К.К. Разработка устройства поддержания напряжения на требуемом уровне в контактной сети постоянного тока железнодорожного транспорта / К.К. Ким, А.А. Ткачук // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте: тезисы докладов шестого Международного симпозиума «Элтранс-2011». -Санкт-Петербург, 2011. - С. 63.

29. Ким, К.К.. Трехфазный трансформатор со стабилизирующими свойствами / К.К. Ким, А.А. Ткачук // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта: тезисы докладов седьмого Международного симпозиума «Элтранс-2013». - Санкт-Петербург, 2013. - С. 55-56.

30. Ким, К.К. Трансформатор со стабилизирующими свойствами / К.К. Ким, А.А. Ткачук // «Транспорт - 2013»: труды международной научно-практической конференции «Транспорт - 2013». Часть III. Естественные и технические науки. - Ростов-на-Дону, 2013. - С. 159-160.

31. Ткачук, А.А. Стабилизация напряжения на шинах тяговых подстанций постоянного тока / К.К. Ким, А.А. Ткачук // Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды V международной научно-технической конференции, Т.2., - Томск, 2014. - С. 167-171.

32. Ткачук, А.А. Трехфазный трансформатор со стабилизирующими свойствами / А.А. Ткачук // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2. - Санкт-Петербург, 2014. - С. 308-309.

33. Ткачук, А.А. Трансформатор-стабилизатор напряжения / А.А. Ткачук // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы. Неделя науки - 2012: материалы LXXII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Санкт- Петербург, 2012. -С. 106-107.

34. Ткачук, А.А. Трансформатор со стабилизирующими свойствами / А.А. Ткачук // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы. Неделя науки -2013: материалы LXXIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 214-215.

35. Ткачук, А.А. Трехфазный трансформатор со стабилизирующими свойствами / А.А. Ткачук, М.А. Шпилев // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: III Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов: сборник трудов. - Тольятти, 2014. - С. 216-218.

36. Ткачук, А.А. Разработка устройства поддержания напряжения на требуемом уровне в контактной сети постоянного тока железнодорожного транспорта /

A.А. Ткачук, К.К. Ким // Сборник тезисов докладов участников XXVIII Всероссийской конференции обучающихся «ЮНОСТЬ, НАУКА, КУЛЬТУРА». - Москва, 2011. - С. 371.

37. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник / Л.А. Бессонов. - М.: Гардарики, 2002. - 638 с.

38. Ким, К.К. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника: учебное пособие / К.К. Ким, Г.Н. Анисимов,

B.Ю. Барбарович, Б.Я. Литвинов. - СПб.: Питер, 2006. - 368 с.

39. Буль, Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей / Б.К. Буль. - М. - Л., Энергия, 1964. - 464 с.

40. Петров, Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. Ч.1. Введение. Трансформаторы: учебник для вузов / Г.Н. Петров. - М.: Энергия, 1974. -240 с.

41. Демирчян, К.С. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов. Т.2. / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин . - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2009. - 432 с.

42. Ламмеранер, И. Вихревые токи. Перевод с чешского / И. Ламмеранер, М. Штафль. - М.-Л.: Высшая школа, 1967. - 208 с.

43. Нейман, Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах / Л.Р. Нейман. - Л.-М.: Госэнергоиздат, 1949. - 190 с.

44. Кифер, И.И. Испытание ферромагнитных материалов / И.И. Кифер. - М.: Энергия, 1969. - 360 с.

45. Ершов, Ю.К. Расчет переходных процессов в нелинейной магнитной цепи с массивными проводящими участками магнитопровода / Ю.К. Ершов // Известия вузов. Электромеханика. - 2008. -№6. - С. 67-74.

46. Дружинин, В.В. Магнитные свойства электротехнической стали / В.В. Дружинин. - М.: Энергия, 1974. - 240 с.

47. Карпова, И.М. Расчет электромагнитных полей в программе Elcut: учебное пособие / И.М. Карпова. - СПб.: ПГУПС, 2009. - 64 с.

48. Гельперин, Б.Б. Расчет дросселей насыщения с учетом рассеяния магнитных потоков [Текст] / Б.Б. Гельперин, А.И. Майзель // Электротехника. - 1972. -№ 11. - С. 35-39.

49. Зихерман, М.Х. Характеристики намагничивания мощных трансформаторов / М.Х. Зихерман // Электричество. - 1972. -№3. - С. 79-82.

50. Привалов, И.И. Введение в теорию функций комплексного переменного / И.И. Привалов. - М.: Наука, 1984. - 432 с.

51. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: Наука, 1964. - 610 с.

52. Пат. 146074 Российская Федерация, МПК 30/12. Трансформаторный агрегат для электрифицированных железных дорог переменного тока /

Ким К.К., Титова Т.С., Ткачук А.А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I». -№2014117369/07; заявл. 29.04.2014; опубл. 27.09.2014, Бюл. № 27. - 3 с.

53. Ким, К.К. Трехфазный трансформатор со стабилизирующими свойствами / К.К. Ким, А.А. Ткачук // Электроника и оборудование транспорта. - 2016. -№5. - С. 18-21.

54. Бернштейн, И.Я. К расчету трансформаторов с передвижной короткозамкнутой обмоткой / И.Я. Бернштейн // Электричество. - 1959. -№3. - С. 72-77.

55. Лейтес, Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов / Л.В. Лейтес. - М.: Энергия, 1981. - 392 с.

56. Попов, Г.А. Проектирование преобразовательных трансформаторов. Методические указания к курсовому проектированию / Г.А. Попов, А.В. Колесова. - Санкт-Петербург.: ПГУПС, 2010. - 47 с.

57. Постников, И.М. Проектирование электрических машин / И.М. Постников. - Киев.: Государственное издательство технической литературы УССР, 1960. - 905 с.

58. Васютинский, С.Б. Расчет и проектирование трансформаторов. Расчет обмоток: учебное пособие / С.Б. Васютинский, А.Д. Красильников. - Л.: ЛПИ, 1976. - 84 с.

59. Петров, Г.Н. Трансформаторы. Т.1. Основы теории / Г.Н. Петров. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1934. - 446 с.

60. Шницер, Л.М. Основы теории и нагрузочная способность трансформаторов / Л.М. Шницер. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 232 с.

61. Кирпичев, М.В. Теория подобия: монография / М.В. Кирпичев. - М.: Изд-во АН СССР, 1953. - 96 с.

62. Гухман, А.А. Введение в теорию подобия. Учебное пособие для втузов / А.А. Гухман. - 2-изд., доп. и перераб. - М.: Высшая школа, 1973. - 296 с.

63. Веников, В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). Учеб. пособие для вузов /В.А. Веников. 2-е изд., доп. и перераб. - М., Высшая школа, 1976. - 479 с.

64. Сотников, В.В. Условие подобия основных полей магнито-связанных контуров / В.В. Сотников // Электротехника, 2005. -№4. - С.3-8.

65. Фихтегольц, Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: учебное пособие для вузов: в 3 т. / Г.М. Фихтенгольц. - СПб.: Лань, 1997. -1 т.

66. Кирпичев, М.В. Математические основы теории подобия / М.В. Кирпичев, П.К. Конаков. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. - 106 с.

67. Ермолин Н.П. Расчет маломощных трансформаторов / Н.П. Ермолин,

A.П. Ваганов. - М.-Л.:Госэнергоиздат, 1957. - 144 с.

68. Белопольский, И.И. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности / И.И. Белопольский, Л.Г. Николаева. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 272 с.

69. Фёрстер, Э. Методы корреляционного и регрессионного анализа: руководство для экономистов / Э.Фёрстер, Б.Рёнц; пер. с нем.

B.М.Ивановой. - Москва: Финансы и статистика, 1983. - 304 с.

Приложение 1. Перечень технических характеристик базового трансформатора со стабилизирующим эффектом

Техническая характеристика Значение

1.Способ регулирования напряжения Трансформатор с регулированием магнитных потоков (ТРМП)

2. Номинальное напряжение, кВ: первичной обмотки вторичной обмотки 35 2,63

2. Номинальный ток, А: первичной обмотки вторичной обмотки короткозамкнутой обмотки 213 1418 1418

3. Число витков, шт.:

первой секции первичной обмотки 350

второй секции первичной обмотки 350

первой секции вторичной обмотки 60

второй секции вторичной обмотки короткозамкнутой обмотки 44 24

4. Активная площадь подстержня, м2: 0,166

Приложение 2. Патенты

Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертационной работы

С

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ОКТЯБРЬСКИЙ ЭЛЕКТРОВАГОНОРЕМОНТНЫЙ ЗАВОД»

(ОАО «ОЭВРЗ»)

192148, г. Санкт-Петербург, ул. Седова, 45

АКТ

Об использовании результатов диссертационной работы

ТКАЧУКА А.А. «СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ТРАНСФОРМАТОРНО-ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫМ АГРЕГАТОМ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 3,3 кВ»

Настоящим актом удостоверяем, что отдельные результаты диссертационной работы «Стабилизация напряжения контактной сети трансформаторно-выпрямительным агрегатом тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ», выполненной на кафедре «Теоретические основы электротехники» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» аспирантом Ткачуком Антоном Андреевичем под руководством д.т.н., профессора, заведующего кафедрой «ТОЭ» Кима К.К. были использованы на ОАО «Октябрьский электровагоноремонтный завод» при разработке перспективных систем и устройств электропитания железнодорожного транспорта.

Технический директор

Канд. техн. наук

А.А. Овелнн