RU169039U1 - Filter compensating installation for traction power supply system of alternating current - Google Patents

Abstract

Техническое решение относится к области тягового электроснабжения электрических железных дорог, в частности к установкам для фильтрации гармоник и компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока. Технический результат предлагаемого решения заключается в ослаблении высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на линейные и стационарные устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование, уменьшении перенапряжений на токоприемнике электроподвижного состава, вызванных резонансными явлениями в системе тягового электроснабжения (СТЭ) на частотах высших гармоник. Этот результат достигается тем, что фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащая включенную между шинами 27.5 кВ и рельсом двухрезонансную узкополосную секцию, настроенную на резонансные частоты 150 Гц и 250 Гц, дополнительно содержит включенную параллельно узкополосной двухрезонансной секции широкополосную демпфирующую секцию, образованную последовательным соединением конденсаторной батареи и реактора, параллельно которому включен демпфирующий резистор. 4 ил., 1 табл.The technical solution relates to the field of traction power supply of electric railways, in particular to installations for filtering harmonics and reactive power compensation in traction AC networks. The technical result of the proposed solution is to attenuate high-frequency harmonics, which interfere with linear and stationary wired communication devices and sensitive electronic equipment, reduce overvoltages at the current collector of electric rolling stock caused by resonant phenomena in the traction power supply system (STE) at higher harmonics. This result is achieved by the fact that the filter-compensating installation for the traction power supply system of alternating current, comprising a two-resonance narrow-band section connected between the 27.5 kV buses and the rail tuned to the resonant frequencies of 150 Hz and 250 Hz, further comprises a wide-band damping section parallel to the narrow-band two-resonance section formed by a sequential the connection of a capacitor bank and a reactor, in parallel with which a damping resistor is connected. 4 ill., 1 tab.

Description

Техническое решение относится к области тягового электроснабжения электрических железных дорог, в частности к установкам для фильтрации гармоник и компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока.The technical solution relates to the field of traction power supply of electric railways, in particular to installations for filtering harmonics and reactive power compensation in traction AC networks.

Схемные решения по фильтрокомпенсирующим установкам (ФКУ) в системе тягового электроснабжения железных дорог рассмотрены в [1-6]. В настоящее время в тяговых сетях переменного тока применяют двухрезонансные ФКУ [4]. Недостатком используемых ФКУ является слабое демпфирование резонансных режимов тяговой сети на частотах, превышающих 500 Гц, что увеличивает отрицательное влияние тяговой сети на линии проводной и радиосвязи и чувствительное электронное оборудование, а также может привести к перенапряжениям на токоприемнике электроподвижного состава (ЭПС);Schematic solutions for filter compensating installations (FCU) in the traction power supply system of railways are considered in [1-6]. Currently, in traction AC networks, two-resonant PKUs are used [4]. The disadvantage of the PKU used is the weak damping of the resonant modes of the traction network at frequencies exceeding 500 Hz, which increases the negative effect of the traction network on the wire and radio lines and sensitive electronic equipment, and can also lead to overvoltages on the current collector of electric rolling stock (EPS);

Известна фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, состоящая из двух параллельно соединенных секций, включенных между шиной 27,5 кВ и рельсом, первая из них настроена на резонансную частоту 150 Гц, а вторая - на частоту 250 Гц. [RU 138738]. Для уменьшения потерь в секцию, настроенную на частоту 250 Гц, введена цепь из последовательно соединенных конденсатора и демпфирующего резистора. Технико-экономический эффект аналога определяется уменьшением величины потерь активной мощности, вызванных токами, протекающими в демпфирующем резисторе. Однако частотные характеристики ФКУ на частотах, превышающих 450 Гц, остаются неизменными, поэтому демпфирование резонансных режимов в тяговой сети на высоких частотах остается слабым.A filter-compensating installation is known for an alternating current traction power supply system, consisting of two parallel-connected sections connected between a 27.5 kV bus and a rail, the first of which is tuned to a resonant frequency of 150 Hz, and the second to a frequency of 250 Hz. [RU 138738]. To reduce losses, a circuit from a series-connected capacitor and a damping resistor is introduced into the section tuned to a frequency of 250 Hz. The technical and economic effect of the analogue is determined by a decrease in the amount of active power loss caused by currents flowing in the damping resistor. However, the frequency characteristics of the PKU at frequencies exceeding 450 Hz remain unchanged, so the damping of resonant modes in the traction network at high frequencies remains weak.

Наиболее близкой к заявляемой является фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, включенная между шинами 27.5 кВ и рельсом и образованная узкополосной двухрезонансной секцией, настроенной на резонансные частоты 150 Гц и 250 Гц, состоящей из последовательно включенных реактора, конденсаторной батареи и параллельного резонансного контура, образованного второй конденсаторной батареей и вторым реактором [4, рис 2а].Closest to the claimed one is a filter-compensating installation for an alternating current traction power supply system connected between 27.5 kV buses and a rail and formed by a narrow-band two-resonance section tuned to resonant frequencies of 150 Hz and 250 Hz, consisting of a series-connected reactor, a capacitor bank and a parallel resonant circuit, formed by the second capacitor bank and the second reactor [4, Fig. 2a].

Известная фильтрокомпенсирующая установка обеспечивает компенсацию реактивной мощности и ослабление низкочастотных 3 и 5-й гармоник. Недостатки прототипа:The known filter-compensating installation provides compensation of reactive power and attenuation of low-frequency 3 and 5th harmonics. The disadvantages of the prototype:

- слабое демпфирование высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на линейные и стационарные устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование;- weak damping of high-frequency harmonics, which interfere with linear and stationary wired communication devices and sensitive electronic equipment;

- возможность перенапряжений на токоприемнике ЭПС из-за резонансного усиления гармоник.- the possibility of overvoltage on the current collector of the EPS due to the resonant amplification of harmonics.

В основу нового технического решения положена задача ослабления высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на линейные и стационарные устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование, уменьшение перенапряжений на токоприемнике ЭПС, вызванных резонансными явлениями в системе тягового электроснабжения (СТЭ) на частотах высших гармоник.The new technical solution is based on the task of attenuating high-frequency harmonics, which interfere with linear and stationary wireline communication devices and sensitive electronic equipment, and reducing overvoltages at the EPS current collector caused by resonant phenomena in the traction power supply system (STE) at higher harmonics.

Поставленная задача решается тем, что фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащая включенную между шинами 27.5 кВ и рельсом двухрезонансную узкополосную секцию, настроенную на резонансные частоты 150 Гц и 250 Гц, состоящую из последовательно включенных первого реактора, первой конденсаторной батареи и параллельного резонансного контура, образованного второй конденсаторной батареей и вторым реактором, дополнительно содержит включенную параллельно узкополосной двухрезонансной секции широкополосную демпфирующую секцию, образованную последовательным соединением третьей батареи конденсаторов и третьего реактора, параллельно которому включен демпфирующий резистор.The problem is solved in that a filter-compensating installation for an alternating current traction power supply system, comprising a two-resonance narrow-band section connected between 27.5 kV buses and a rail tuned to resonant frequencies of 150 Hz and 250 Hz, consisting of a series-connected first reactor, a first capacitor bank and a parallel resonant the circuit formed by the second capacitor bank and the second reactor further comprises a parallel narrow-band two-resonance section and a broadband damping section formed by the series connection of the third capacitor bank and the third reactor, in parallel with which a damping resistor is connected.

На фиг .1 показана схема предлагаемой фильтрокомпенсирующей установки. На фиг. 2 представлены частотные характеристики сопротивления известной ФКУ и предлагаемой ФКУ (кривая А - частотная характеристика известной ФКУ, кривая Б - частотная характеристика предлагаемой ФКУ). На фиг. 3 показаны частотные характеристики входного сопротивления системы тягового электроснабжения относительно токоприемника ЭПС после установки фильтрокомпенсирующих устройств (кривая А - частотная характеристика входного сопротивления после установки известной ФКУ, кривая Б - после установки предлагаемой ФКУ). На фиг. 4 показаны графики напряжения на токоприемнике ЭПС после установки фильтрокомпенсирующих устройств (кривая А - после установки известной ФКУ, кривая Б - после установки предлагаемой ФКУ).In Fig. 1 shows a diagram of the proposed filter compensating installation. In FIG. 2 shows the frequency characteristics of the resistance of the known PKU and the proposed PKU (curve A is the frequency response of the known PKU, curve B is the frequency response of the proposed PKU). In FIG. Figure 3 shows the frequency characteristics of the input resistance of the traction power supply system relative to the current collector of the EPS after installing filter compensating devices (curve A is the frequency response of the input resistance after installing the known PKU, curve B after installing the proposed PKU). In FIG. Figure 4 shows the voltage graphs on the EPS current collector after installing filter compensating devices (curve A - after installing the known PKU, curve B - after installing the proposed PKU).

Заявляемая ФКУ содержит включенные между шиной 27.5 кВ и рельсом узкополосную двухрезонансную секцию 1 и широкополосную демпфирующую секцию 2. Узкополосная двухрезонансная секция 1 включает последовательно соединенные первый реактор 3, первую батарею конденсаторов 4 и параллельный резонансный контур, образованный второй батареей конденсаторов 5 и вторым реактором 6. Параллельно узкополосной двухрезонансной секции 1 включена широкополосная демпфирующая секция 2, которая содержит последовательно соединенные третью батарею конденсаторов 7 и третий реактор 8, параллельно которому включен демпфирующий резистор 9.The claimed PKU comprises a narrow-band two-resonance section 1 and a wide-band damping section 2 connected between the 27.5 kV bus and the rail. The narrow-band two-resonance section 1 includes a first reactor 3, a first capacitor bank 4, and a parallel resonant circuit formed by a second capacitor bank 5 and a second reactor 6 connected in series. In parallel to the narrow-band dual-resonance section 1, a wide-band damping section 2 is included, which comprises a third capacitor bank 7 connected in series and a third reactor 8, in parallel with which a damping resistor 9 is connected.

Заявляемая фильтрокомпенсирующая установка работает следующим образом. Узкополосная двухрезонансная секция настроена в резонанс на частоты третьей и пятой гармоник, поэтому ее сопротивление на этих частотах мало. Токи третьей и пятой гармоник замыкаются через эту секцию и не попадают в тяговую сеть.The inventive filter compensation installation operates as follows. The narrow-band two-resonance section is tuned to the resonance at the frequencies of the third and fifth harmonics, so its resistance at these frequencies is small. The currents of the third and fifth harmonics are closed through this section and do not get into the traction network.

Анализ частотных характеристик тяговой сети показывает, что индуктивность провода воздушной линии и емкость между проводом и рельсами образуют параллельный резонансный контур. Резонансная частота контура находится в диапазоне 1000-1500 Гц в зависимости от длины участка тяговой сети. Резонанс вызывает усиление гармоник тока и напряжения, частоты которых находятся в этом диапазоне.Analysis of the frequency characteristics of the traction network shows that the inductance of the overhead line wire and the capacitance between the wire and the rails form a parallel resonant circuit. The resonant frequency of the circuit is in the range of 1000-1500 Hz, depending on the length of the section of the traction network. Resonance causes amplification of harmonics of current and voltage, whose frequencies are in this range.

Резонансное усиление гармоник можно уменьшить, включив в тяговую сеть фильтрокомпенсирующую установку, сопротивление которой в диапазоне частот 1000-1500 Гц имеет резистивный характер. Это эквивалентно включению резистора параллельно резонансному контуру «провод-рельсы».The resonant amplification of harmonics can be reduced by including a filter compensating installation in the traction network, the resistance of which in the frequency range 1000-1500 Hz is resistive. This is equivalent to turning the resistor parallel to the wire-rails resonant circuit.

Сопротивление известной ФКУ в диапазоне более 500 Гц имеет индуктивный характер и линейно возрастает с увеличением частоты, поэтому ослабить резонансное усиление высокочастотных гармоник с помощью известной ФКУ невозможно.The resistance of the known PKU in the range of more than 500 Hz is inductive and linearly increases with increasing frequency, so it is impossible to weaken the resonant amplification of high-frequency harmonics using the known PKU.

В предлагаемой ФКУ сопротивление широкополосной демпфирующей секции 2 на частотах, превышающих 500 Гц, имеет резистивный характер и равно сопротивлению демпфирующего резистора 9. Поэтому подключение широкополосной демпфирующей секции 2 параллельно узкополосной двухрезонансной секции 1 уменьшает добротность резонансного контура, образованного индуктивностью проводов тяговой сети и емкостью между проводом и рельсами. При этом происходит ослабление высокочастотных гармоник, оказывающих мешающее влияние на устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование.In the proposed PKU, the resistance of the broadband damping section 2 at frequencies exceeding 500 Hz is resistive in nature and is equal to the resistance of the damping resistor 9. Therefore, connecting the broadband damping section 2 in parallel to the narrowband two-resonance section 1 reduces the quality factor of the resonant circuit formed by the inductance of the wires of the traction network and the capacitance between the wires and rails. At the same time, high-frequency harmonics are attenuated, which interfere with wired communication devices and sensitive electronic equipment.

Достижение указанного технического результата подтверждено путем расчетных экспериментов, результаты которых приведены на Фиг. 2, 3 и 4. Расчетные эксперименты проводились с помощью программы схемотехнического моделирования Pspice. При моделировании приняты следующие условия: длина участка тяговой сети 30 км, марка контактного провода МФ-100, тип рельса Р75, действующее значение тока ЭПС равно 360 А. На Фиг. 2 показаны частотные характеристики входного сопротивления известного (кривая А) и предлагаемого технического решения (кривая Б).The achievement of the indicated technical result is confirmed by computational experiments, the results of which are shown in FIG. 2, 3, and 4. The calculation experiments were carried out using the Pspice circuit simulation program. When modeling, the following conditions were adopted: the length of the traction network section is 30 km, the type of contact wire MF-100, rail type P75, the effective value of the EPS current is 360 A. FIG. 2 shows the frequency characteristics of the input impedance known (curve A) and the proposed technical solution (curve B).

Из Фиг. 3 (кривая А) следует, что сопротивление системы «тяговая сеть -известная ФКУ» имеет резонансный максимум на частотах 21-27 гармоник. Следовательно, эти гармоники будут усиливаться. При установке предлагаемой ФКУ частотная характеристика входного сопротивления системы тягового электроснабжения имеет монотонный характер в области частот, превышающих 500 Гц (кривая Б). Это исключает резонансное усиление высокочастотных гармоник.From FIG. 3 (curve A) it follows that the resistance of the “traction network-known PKU” system has a resonant maximum at frequencies of 21–27 harmonics. Therefore, these harmonics will be amplified. When installing the proposed PKU, the frequency response of the input impedance of the traction power supply system is monotonous in the frequency region exceeding 500 Hz (curve B). This eliminates the resonant amplification of high-frequency harmonics.

На Фиг. 4 видно, что после установки предлагаемой ФКУ в тяговую сеть кривая напряжения на токоприемнике ЭПС будет более гладкой. Это подтверждают значения спектра гармоник напряжения на токоприемнике ЭПС, приведенные в табл. 1. В таблице приведены относительные значения гармоник в процентах по отношению к основной гармонике.In FIG. 4 it is seen that after installing the proposed PKU in the traction network, the voltage curve at the EPS current collector will be smoother. This is confirmed by the values of the spectrum of voltage harmonics at the EPS current collector given in Table. 1. The table shows the relative values of harmonics in percent relative to the fundamental.

При установке предлагаемой ФКУ гармоники напряжения с номерами 11-25 имеют меньшие значения, чем при установке известной ФКУ. Таким образом, предлагаемая схема ФКУ позволяет уменьшить высокочастотные гармоники напряжения на токоприемнике ЭПС и ослабить мешающее влияние этих гармоник на устройства проводной связи и чувствительное электронное оборудование, что говорит о решении поставленной задачи.When installing the proposed PKU, the voltage harmonics with numbers 11-25 have lower values than when installing the known PKU. Thus, the proposed PKF scheme allows one to reduce the high-frequency harmonics of the voltage at the EPS current collector and to weaken the interfering effect of these harmonics on wired communication devices and sensitive electronic equipment, which indicates a solution to the problem.

Источники информацииInformation sources

1. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. – М.: Транспорт, 1983. - 183 с1. Borodulin B.M., German L.A., Nikolaev G.A. Condenser installations of electrified railways. - M .: Transport, 1983. - 183 s

2. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: монография / Монография - М. МИИТ, 2012. - 211 с.2. German L.A., Serebryakov A.S. Adjustable capacitive compensation installations in traction power supply systems of railways: monograph / Monograph - M. MIIT, 2012. - 211 p.

3. Герман Л.А., Серебряков А.С., Гончаренко В.П., Мизинцев А.В. Эффективность фильтрокомпенсирующих устройств в тяговой сети переменного тока. Вестник ВНИИЖТ, 2013, №5, с. 56-61.3. German L. A., Serebryakov A. S., Goncharenko V. P., Mizintsev A. V. Efficiency of filter compensating devices in AC traction network. Vestnik VNIIZHT, 2013, No. 5, p. 56-61.

4. Черемисин В.Т., Кващук В.А., Бренков С.Н. Двухрезонансные фильтрокомпенсирующие устройства электрифицированных железных дорог, Наука и транспорт, Модернизация железнодорожного транспорта, 2008, с. 48-51.4. Cheremisin V.T., Kvashchuk V.A., Brenkov S.N. Two-resonance filter-compensating devices of electrified railways, Science and Transport, Modernization of Railway Transport, 2008, p. 48-51.

5. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К. и др. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Энергоатомиздат, 2003. - 768 с.5. Dyakov A.F., Maksimov B.K. and others. Electromagnetic compatibility in the electric power industry and electrical engineering. M .: Energoatomizdat, 2003 .-- 768 p.

7. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог (сборник справочных материалов). ОАО РЖД, филиал «ПКБ по электрификации железных дорог» - М.: «Трансиздат», 2006.7. Power equipment of traction substations of railways (collection of reference materials). Russian Railways, a branch of the PKB for Electrification of Railways - M .: Transizdat, 2006.

Claims (1)

Фильтрокомпенсирующая установка для системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащая включенную между шинами 27.5 кВ и рельсом узкополосную двухрезонансную секцию, настроенную на резонансные частоты 150 Гц и 250 Гц, включающую последовательно соединенные первую конденсаторную батарею, первый реактор и параллельный резонансный контур, образованный второй конденсаторной батареей и вторым реактором, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит включенную параллельно узкополосной двухрезонансной секции широкополосную демпфирующую секцию, которая включает последовательно соединенные третью конденсаторную батарею и третий реактор, параллельно которому включен демпфирующий резистор.A filter-compensating installation for an alternating current traction power supply system comprising a narrow-band two-resonance section connected between 27.5 kV buses and a rail tuned to resonant frequencies of 150 Hz and 250 Hz, including a first capacitor bank, a first reactor and a parallel resonant circuit formed by a second capacitor bank and the second reactor, characterized in that it further comprises a parallel broadband dual-resonance section of a broadband d a damping section, which includes a third capacitor bank and a third reactor connected in series, in parallel with which a damping resistor is connected.

Images