Диплом_(образец)
.docxМинистерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Омский государственный университет путей сообщения ОмГУПС (ОмИИТ)
Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ
Заведующий кафедрой ЭЖТ
__________ О. А. Сидоров «___» __________ 2007 г.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Пояснительная записка к дипломному проекту ИНМВ. 145098. 000 ПЗ
СОГЛАСОВАНО
Консультант по экономике – Студент гр.42Б
преподаватель кафедры ЭЖТ и УК
__________ И. В. Ларина _______В.Н.Попов
«___» __________ 2007 г. «___» __________ 2007 г.
Консультант по безопасности Руководитель –
и экологичности – доцент кафедры ЭЖТ
старший преподаватель
кафедры БЖЭ
__________ Л. Я. Уфимцева ___________ Р.Б.Скоков
«___» __________ 2007 г. «___» __________ 2007 г.
Нормоконтролер –
доцент кафедры ЭЖТ
__________Е. Ю. Салита
«___» __________ 2007 г.
Омск 2007
|
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ |
Факультет Электромеханический Кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»
Специальность 101800 (190401) «Электроснабжение железных дорог» Специализация 101802 «Компьютерные технологии в электроснабжении»
УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой
О.А. Сидоров «___»2007 г.
ЗАДАНИЕ
на дипломный проект студенту Попову Виталию Николаевичу
1 Тема проекта: «Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока» утверждена приказом по университету № 98/С от «16» февраля 2007 г.
2 Срок сдачи студентом законченного проекта 11 июня 2007 г.
3 Исходные данные к проекту
1 Бадер М. П. Электромагнитная совместимость. – М.: УМК МПС, 2002, – 638 с. 2 Мацеко В. П. Расчет частотных характеристик двухзвенных сглаживающих устройств// Энергоснабжение электрических железных дорог: Межвуз. темат. сб. научн. тр./ Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1973. с. 38-44.
3 Выбор схем и параметров сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока при двенадцатипульсовых выпрямителях и кабельных линиях связи: Отчет о НИР (заключит.) / Омский ин-т. инж. ж.-д. трансп.; Руководитель А. П. Усенко. № ГР 01.91.0022855; Инв. № 830. Омск, 1992. 57 с.
4 Шалимов М. Г., Магай Г. С., Ковалева Т. В. Технико-экономическое обоснование выбора схем сглаживающих фильтров тяговых подстанций с многопульсовыми выпрямителями// Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: Тезисы докладов второй международной научно-технической конференции. М., 1996.
5 Магай Г. С. Сглаживающие фильтры тяговых подстанций на участках с рельсовыми цепями тональной частоты / Г. С. Магай, Т. В. Комякова, Р. Б. Скоков. Деп. ЦНИИ ТЭИ МПС, 2003, № 7 (377), с. 38.
2
4 Содержание расчетно–пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов).
1 Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока.
Анализ эффективности существующих сглаживающих фильтров. 1.1.1 Классификация существующих сглаживающих фильтров.
1.1.2 Показатели эффективности функционирования сглаживающих фильтров. 1.1.3 Однозвенные сглаживающие фильтры.
1.1.3.1 Однозвенный апериодический СФ.
1.1.3.2 Однозвенный резонансно-апериодический СФ.
1.1.3.3 Однозвенный апериодический СФ с запирающим контуром 600 Гц. 1.1.4 Двухзвенные сглаживающие фильтры.
1.1.4.1 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ ЗСЖД. 1.1.4.2 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ ВНИИЖТа.
Способы повышения эффективности функционирования сглаживающих фильтров.
Применение пассивных фильтров с пониженной индуктивностью реактора.
Оптимальный выбор типа и числа конденсаторов в параллельной части апериодических фильтров
Применение активных сглаживающих фильтров.
Классификация активных сглаживающих фильтров.
Анализ работоспособности и применимости наиболее распространенных схем активных фильтров.
2 Экономическая эффективность сглаживающих фильтров с пониженной индуктивностью реактора.
3 Техника безопасности при производстве работ на сглаживающем фильтре тяговой подстанции.
3.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов при выполнении работ на СФ тяговой подстанции 3.2 Организационные мероприятия по технике безопасности
Технические мероприятия
Технические средства защиты, обеспечивающие безопасность работ на СФ
5 Графический материал, выполненный в электронном виде.
Лист 1 Классификация пассивных сглаживающих фильтров
3
Лист 2 Способы повышения эффективности СФ Лист 3 Модель работы быстродействующего выключателя при к.з. в тяговой цепи
Лист 4 Электромагнитные процессы при отключении к.з. в цепи быстродействующим выключателем Лист 5 Моделирование активного СФ ОмГУПС
Лист 6 Электромагнитные процессы при работе активного СФ ОмГУПС Лист 7 Минимальное количество конденсаторов в параллельной части апериодического СФ
4
6 Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)
Раздел
Консультант
Подпись, дата
задание
задание
выдал
принял
Совершенствование
сглаживающих
фильтров тяговых подстанций постоянного
Скоков Р. Б.
тока
Экономическая
эффективность
сглаживающих фильтров
с
пониженной
Ларина И. В.
индуктивностью реактора
Техника
безопасности при
производстве
работ на сглаживающем фильтре тяговой
Уфимцева Л. Я.
подстанции
Руководитель проекта________________________ Р. Б. Скоков
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
Разделы дипломного проекта
Сроки
Отметки
выполнения
о выполнении
разделов проекта
разделов проекта
Анализ
эффективности
существующих
сглаживающих фильтров
Способы
повышения
эффективности
функционирования
сглаживающих
фильтров
Экономическая
эффективность
сглаживающих фильтров с пониженной
индуктивностью реактора
Техника безопасности при производстве
работ на сглаживающем фильтре тяговой
подстанции
7 Дата выдачи задания:
06.02.2007
Руководитель
________________ Р. Б. Скоков
Задание к исполнению принял ________________ В. Н. Попов
5
Реферат
УДК 621.637:621.314.4(07):621.331
Дипломный проект содержит 95 страниц, 49 рисунков, 8 таблиц, 11
источников, 1 приложение, 7 листов графического материала, выполненного в электронном виде.
Коэффициент сглаживания гармоник n-ой гармонической составляющей,
результирующий коэффициент сглаживания гармоник, псофометрическое напряжение, отключающая способность выключателя, напряжение дуги, ток дуги,
минимальное количество конденсаторов в параллельной части апериодического СФ.
Объектом исследования являются тяговые подстанции постоянного тока.
Цель работы –анализ основных путей повышения эффективности СФ.
Методы исследования – аналитические.
Проанализированы основные пути повышения эффективности СФ, доказано применение СФ с повышенной ёмкостью параллельной части и пониженной индуктивностью реактора, а также применение активных СФ.
Полученные результаты могут быть использованы при научно-
исследовательских работах в области повышения эффективности работы СФ тяговой сети постоянного тока со смежными электротехническими коммуникациями.
Дипломный проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2002,
графический материал представлен на дискете в конверте на обороте обложки.
6
The abstract
UDC 621.637:621.314.4(07):621.331
Degree project is kept 95 pages, 49 drawings, 8 tables, 11 sources, 1 exhibit, 6 sheets of graphic material, executed in the electronic type.
The Factor of the smoothing of the harmonicas n-ouch harmonic forming, resulting factor of the smoothing of the harmonicas, psofometrics voltage, unplugging ability of the breaker, voltage of the arc, current of the arc, minimum amount capacitor in parallel part aperiodic SF.
Object of the study are a tractive substations of the direct current.
Purpose of the work -an analysis of the main ways of increasing to efficiency SF. Methods of the study – analytical.
Will Analysed main ways of increasing to efficiency SF, is proved using SF with raised capacity of the parallel part and lowered by inductance of the reactor, as well as using active SF.
The got results can be used under research work in the field of increasing of efficiency of the work SF tractive network of the direct current with adjacent
электротехническими communication.
Degree project is executed in text editor Microsoft Word 2002, graphic material was submitted for diskette in envelope on turn of the cover.
7
Содержание
1 Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока………………………………………………………………………………………11
Анализ эффективности существующих сглаживающих фильтров…………....11 1.1.1 Классификация существующих сглаживающих фильтров…………………..11 1.1.2 Показатели эффективности функционирования сглаживающих фильтров...15 1.1.3 Однозвенные сглаживающие фильтры………………………………………..18 1.1.3.1 Однозвенный апериодический СФ…………………………………………..18 1.1.3.2 Однозвенный резонансно-апериодический СФ……………………………..23 1.1.3.3 Однозвенный апериодический СФ с запирающим контуром 600 Гц…......29 1.1.4 Двухзвенные сглаживающие фильтры………………………………………...34 1.1.4.1 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ ЗСЖД……………………..34 1.1.4.2 Двухзвенный резонансно-апериодический СФ ВНИИЖТа………………..39
Способы повышения эффективности функционирования сглаживающих фильтров……………………………………………………………………………….47
Применение пассивных фильтров с пониженной индуктивностью реактора. ………………………………………………………………………………47
Оптимальный выбор типа и числа конденсаторов в параллельной части апериодических фильтров……………………………………………………………57
Применение активных сглаживающих фильтров…………………………….67
1.2.3.1 Классификация активных сглаживающих фильтров……………………….68
1.2.3.2 Анализ работоспособности и применимости наиболее распространенных схем активных фильтров……………………………………………………………...69 2 Экономическая эффективность сглаживающих фильтров с пониженной индуктивностью реактора…………………………………………………………….79
3 Техника безопасности при производстве работ на сглаживающем фильтре
тяговой подстанции. ………………………………………………………………….85
3.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов при выполнении работ на СФ тяговой подстанции………………………………...85
8
Организационные мероприятия по технике безопасности……………………..87
Технические мероприятия………………………………………………………..90
Технические средства защиты, обеспечивающие безопасность работ на СФ……………………………………………………………………………………...92
Заключение…………………………………………………………………………….94
Библиографический список…………………………………………………………..95
Приложение Распечатка графического материала, выполненного в электронном
виде………………………………………………….…………………….
Классификация пассивных сглаживающих фильтров……………..……Лист 1 Способы повышения эффективности СФ……………………………..…Лист 2 Модель работы быстродействующего выключателя при к.з. в тяговой цепи…………………………………………………………………..................…Лист 3
Электромагнитные процессы при отключении к.з. в цепи быстродействующим выключателем...................................................................Лист 4
Моделирование активного СФ ОмГУПС……….………………………..Лист 5 Электромагнитные процессы при работе активного СФ ОмГУПС….....Лист 6 Минимальное количество конденсаторов в параллельной части апериодического СФ………………………………………………………..……Лист 7
В конверте на обороте обложки:
диск с графическим материалом, выполненном в электронном виде.
9
Введение
Железнодорожный транспорт является одной из ключевых отраслей народного хозяйства России. Потребление электроэнергии железными дорогами России в 2006 году составило 35923,1 млн кВтч, что выше уровня 2005 года на
5,4%, в том числе на тягу поездов - 29548,9 млн кВтч (увеличение на 6,8%). При этом объем перевозок увеличился на 4,3%, в том числе на электротяге - 6,9%. За счет ввода новых электрифицированных участков доля работы на электротяге возросла до 80,9%, против 79% в 2005г (рост на 1,9%).
Доля МПС в структуре электропотребления по России составила 5,8% (против 5,3% в 2005г), в том числе электротяга - 4,8% (против 4,3% в 2005г).
Преобразование электрической энергии выпрямительными
(выпрямительно-инверторными) агрегатами всегда приводит к искажению питающего напряжения и тока, протекающего в тяговой сети, что в свою очередь ведет к появлению токов высших гармоник. Эти токи оказывают электромагнитное влияние на смежные коммуникации, но особенно существенно они воздействуют на аппаратуру автоблокировки, так как тяговые и сигнальные токи протекают по одной цепи – рельсам.
Электрификация железнодорожного транспорта тесно связана с проблемой обеспечения электромагнитной совместимости устройств электроснабжения со смежными электротехническими коммуникациями. В частности, на электрифицированных участках постоянного тока одной из эффективных мер защиты линий связи и рельсовых цепей автоблокировки является установка на тяговых подстанциях сглаживающих фильтров (СФ). К СФ тяговых подстанций предъявляется ряд требований: они должны обеспечивать не превышение допустимого уровня помех в линии связи и нормальную работу устройств автоблокировки при максимально простой схеме и параметрах, обуславливающих минимум потерь электрической энергии.
10
пар1(n),
1 Совершенствование сглаживающих фильтров тяговых подстанций постоянного тока
Анализ эффективности существующих сглаживающих фильтров
1.1.1 Классификация существующих сглаживающих фильтров Сглаживающий фильтр представляет собой пассивный четырехполюсник
(рисунок 1, 2), к входным зажимам 1 – 2 которого подключаются выпрямители тяговой подстанции, а к выходным 3 – 4 – тяговая сеть электрической железной дороги. Элементы, включенные в последовательное плечо фильтра
(сопротивление Zпос1(n), Zпос2(n)), должны быть рассчитаны на пропускание постоянной составляющей тягового тока с минимальными потерями электрической энергии. В последовательном плече сглаживающего фильтра обычно используют реактор, обладающий малым активным сопротивлением. В
качестве же элементов параллельного плеча фильтра (сопротивление Z
Zпар2(n)) используются в определенном сочетании индуктивные катушки и емкости.
Наиболее эффективным сглаживающим фильтром будет такой фильтр, который обладает сопротивлением последовательной части, в спектре частот стремящимся к бесконечности, и сопротивлением параллельной части, стремящимся к нулю.
При этом активная составляющая сопротивления последовательной части должна стремиться к нулю [1].
Рисунок 1 - Схема замещения однозвенного сглаживающего фильтра
11
Рисунок 2 - Схема замещения двухзвенного СФ
В последовательной части любого пассивного сглаживающего фильтра обязательно наличие реактора. Это связано с тем, что в последовательной части мы должны обеспечить пропуск постоянной составляющей тока с наименьшими потерями, поэтому необходим элемент, который будет иметь максимальное сопротивление на высоких частотах и минимальное сопротивление на частоте постоянной составляющей. Этим элементом является реактор, который обладает минимальным сопротивлением для постоянного тока и большим сопротивлением на высоких частотах. В СУ тяговых подстанций применяют реакторы типа РБФА-
У-6500/3250 (реактор бетонный с обмоткой из алюминиевого провода,
номинальное напряжение 3,3 кВ, номинальный ток 6500-3250 А). Реакторы на номинальный ток 3250 А комплектуют из одного, двух, трёх и четырёх блоков с индуктивностями 4,5; 11,0; 20 и 25 мГн, а реакторы на номинальный ток 6500 А -
соответственно с индуктивностями 1,1; 3,0; 5,0 и 7,0 мГн. Блок реактора имеет четыре секции, что позволяет выполнять последовательно-параллельное или параллельное соединение их между собой.
Кроме реактора в последовательной части, параллельно реактору, может устанавливаться либо ёмкость, в этом случае речь идёт о запирающем контуре,
12
т.е. параллельно соединены ёмкость и реактор, либо резонансный контур, т.е.
параллельно реактору установлены соединенные последовательно индуктивность и ёмкость, речь идёт о фильтр-пробке. В этих двух случаях у нас настраивается контур реактор-ёмкость, либо контур реактор-резонансный контур на определённую частоту. На этой частоте данное параллельное соединение имеет бесконечное сопротивление, а т.к. СФ является делителем напряжения, основная часть входного напряжения U1 приходится на наибольшее сопротивление из Zпос и
Zпар, в данном случае Zпос во много раз больше Zпар, следовательно выходное напряжение U2 на параллельной части сглаживающего фильтра стремится к 0.
Также в сглаживающим фильтре используется ёмкость, представляющая собой параллельное соединение конденсаторов, в этом случае речь идёт об апериодическом контуре. Ёмкостное сопротивление с увеличением частоты уменьшается. Поэтому апериодические фильтры из-за того, что с увеличением частоты уменьшается сопротивление в параллельной части, более хорошо сглаживают высокие гармоники. Наряду с ёмкостью, в параллельной части используется резонансный контур. Резонансный контур представляет собой последовательное соединение ёмкости и индуктивности, соответственно на определённой частоте в резонансном контуре мы наблюдаем резонанс напряжения, это говорит о том, что на этой частоте, контур будет иметь сопротивление, равное активному сопротивлению. Если активное сопротивление в резонансном контуре равно 0, то в параллельной части мы будем иметь нулевое сопротивление на определённой частоте, если активное сопротивление в последовательной части стремится к 0, то в параллельной части мы будем иметь нулевое сопротивление на определённой частоте.
Помимо этого в параллельном контуре может совместно использоваться ёмкость и резонансный контур, в этом случае получается резонансно-
апериодический фильтр (рисунок 3).
Другой путь обеспечения электромагнитной совместимости тягового тока со смежными коммуникациями заключается в установке на тяговой подстанции активного СФ.
13
Рисунок 3 – Классификация пассивных СФ
14
1.1.2 Показатели эффективности функционирования сглаживающих
фильтров
Выбор схем и параметров сглаживающих фильтров определяется
требованиями к ним [1]:
по условию снижения опасного влияния тяговой сети на автоблокировку с тональными рельсовыми цепями напряжение двенадцатой гармоники на выходе фильтра не должно превышать 2,3 В;
по условию защиты воздушных линий связи от мешающих влияний по существующим требованиям среднее значение псофометрического напряжения на выходе фильтра не должно превышать 4 В, а при интегральной вероятности 0,95 – 5 В;
по условию защиты кабельных линий связи от мешающих влияний по существующим требованиям среднее значение псофометрического напряжения на выходе фильтра не должно превышать 20 В, а при интегральной вероятности 0,95
– 30 В;
напряжение любой гармоники на выходе СФ не должно превышать 100 В.
Это, прежде всего, относится к гармонике частотой 100 Гц, так как в случае увеличения на выходе фильтра напряжения любой другой гармоники до 100 В,
будут нарушены требования по защите от мешающего влияния.
На электрифицированных участках постоянного тока сглаживающие фильтры должны обеспечивать не только защиту рельсовых цепей от опасного влияния тягового тока, но и защиту линий связи от мешающего влияния. Схема сглаживающего фильтра должна быть как можно более простой и экономичной,
обеспечивая минимальные капитальные затраты и эксплуатационные расходы.
Основной характеристикой любого сглаживающего фильтра является частотная характеристика, которая характеризует степень подавления гармоник напряжения на выходе, по сравнению с их величиной на входе. Для одного звена сглаживающего фильтра коэффициент сглаживания можно определить по формуле 1.1:
15
Zпар1( n)
k сгл(n)
1
Z пос(n)
Zпос(n)
,
(1.1)
Z пар(n)
Zнаг (n)
где Zпос(n) – сопротивление последовательной цепи сглаживающего фильтра для гармоники n-го порядка;
Zпар(n) – сопротивление параллельной цепи сглаживающего фильтра для гармоники n-го порядка;
Zнаг(n) – сопротивление цепи нагрузки для гармоники n-го порядка.
Обычно последним слагаемым в выражении (1.1) пренебрегают. Тогда выражение для расчета коэффициента сглаживания однозвенного СФ примет вид:
kсгл(n)
1
Zпос(n)
.
(1.2)
Zпар(n)
Для двухзвенного СФ результирующий коэффициент сглаживания определяется произведением коэффициентов сглаживания звеньев.
Z пос1(n)
Zпос2(n)
kсгл(n) =
1+
1+
,
(1.3)
Z пар1(n)
Zпар2(n)
или
kсгл(n) = k1сгл(n) k2сгл(n),
(1.4)
где Zпос1( n) , Zпос2( n) – соответственно сопротивления последовательных плеч первого и второго звеньев СФ, Ом;
, Zпар1( n) – соответственно сопротивления параллельных плеч первого
и второго звеньев СФ, Ом;
k1сгл(n), k2сгл(n) – соответственно коэффициенты сглаживания первого и второго звеньев СФ.
Идеальным сглаживающим фильтром является такой, у которого независимо от частоты все напряжения переменной составляющей теряются в реакторе, а все резонансные и емкостные контуры имеют минимальное сопротивление. Для приближения к этой цели необходимо: сечение проводов, присоединяющих контуры к шинам, выбирать как можно большим, а длину их сокращать до