Способы повышения эффективности функционирования сглаживающих фильтров

Применение пассивных фильтров с пониженной индуктивностью реактора

В реальных условиях вводимые в цепь к.з. встречные напряжения являются либо только функциями времени, либо ещё и функциями тока. Рассмотрим этап процесса отключения (рисунок 27) для случая, когда вводимое напряжение E₁(t) описывается выражением 1.38:

E₁ (t)=k _et, (1.38).

где ke — коэффициент, характеризующий скорость нарастания встречного напряжения, В/с.

Напряжение источника U можно написать по формуле Карсона 1.39 в виде:

где i (p) — ток, протекающий через контакты выключателя, А;

R — суммарное активное сопротивление отключаемой цепи, Ом;

L — суммарная индуктивность отключаемой цепи, мГн;

I₂ — максимальное значение тока к.з. в момент отключения быстродействующим выключателем, А.

Откуда i (p) в цепи LR изменяется по экспоненте с постоянной времени.

T=L/R.

где — aкоэффициент, характеризующий колебательный процесс в короткозамкнутом контуре (a=1/T=R/L), Ом/мГн.

Оригиналом выражения будет выражение 1.41:

Для отключения цепей постоянного тока широко используют контактные дуговые выключатели, в которых приведение тока к нулю перед отключением цепи осуществляется с помощью дуги. Во всех выключателях этого типа дуга используется одновременно и как источник встречного напряжения, и как коммутирующий элемент, осуществляющий размыкание цепи сразу же после приведения тока к нулю.

Дугогасительная камера с длинной дугой, может иметь несколько принципиально различных исполнений. Однако во всех случаях в камере теми или иными способами в момент отключения выключателя образуется длинная дуга. В момент расхождения контактов дуга возникает между ними, затем она перемещается вверх по направляющим электродам — рогам под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости чертежа. Магнитное поле создается катушкой магнитного дутья и системой специальных магнитопроводов.

Перемещаясь вверх, дуга растягивается, на ней образуется встречное напряжение u_д(t), большее, чем напряжение источника U. Под действием u_д(t) ток в цепи сводится к нулю. У нуля тока дуга гаснет, после чего канал дуги деионизируется, и происходит окончательное размыкание (отключение) пени.

Форма и значение напряжения на дуге u_д(t) у дуговых выключателей зависят от конструкции камеры (ширины ее щелей, напряженности магнитного поля в различных зонах камеры) и отключаемого тока. Например, для лабиринтно-щелевой камеры зависимость u_д(t) близка к линейной, и определяется по формуле 1.42, В:

uД (t)=kД t, (1.42).

где k_Д — коэффициент, характеризующий скорость роста напряжения на дуге; t — время, мс.

На рисунке 28 приведён график зависимости, характеризующий скорость изменения напряжения на дуге от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн без использования УР.

На рисунке: t'₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн.

Уравнение для этапа отключения тока к.з. выключателем определяется по формуле 1.43:

где U — напряжение по току отключаемого контура, В;

R — активное сопротивление цепи, Ом;

L — индуктивность цепи, мГн;

a — коэффициент, характеризующий колебательный процесс в короткозамкнутом контуре (a=1/T=R/L), Ом/мГн;

t — время от начала расхождения контактов выключателя до полного гащения дуги, мс;

I₂ — значение тока в момент начала размыкания контактов (t₂), А.

Процесс отключения цепи при к.з. выключателем состоит из двух этапов.

До размыкания контактов, момент времени t₁+t_c, и после размыкания контактов выключателя, момент времени t₂.

На рисунке 29 приведена график, характеризующий зависимость изменения тока к.з. от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн без использования УР.

На рисунке: t'₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн Отключающую способность выключателя существенно повышает использование так называемого индуктивного шунта, включаемого параллельно цепи главного тока выключателя. В установившемся режиме нагрузки и при плавном нарастании тока большая часть его идет по ветви шунта, и выключатель имеет уставку I_у. В случае же быстрого нарастания тока большая часть его протекает через цепь главного тока выключателя, чем и достигается эффект «снижения» уставки.

Ясно, что это приводит к соответствующему уменьшению I₂, а значит, к повышению отключающей способности камеры, следовательно, идеальным по условиям работы как системы электроснабжения, так и подвижного состава был бы фидерный выключатель, способный после достижения током уставки погасить ток за минимальное время, не создавая перенапряжений; отключающая способность выключателя при этом должна удовлетворять любым условиям эксплуатации. Некоторое приближение к этому реализуется, если выключатель дополнить диодным разрядным устройством (УР). УР представляет собой последовательно соединенные мощный силовой диод Д и разрядный резистор R. Нормально диод закрыт, так как по отношению к напряжению в тяговой сети он включен в непроводящем направлении.

Однако при переходном процессе отключения тока к.з. или большого тока нагрузки, когда ток, достигнув максимума, начинает спадать, диод открывается и шунтирует тяговую сеть. Цепь тока через выключатель становится практически безиндуктивной и поэтому выключатель быстро обрывает ток. Так выключатель Q в момент t₁ размыкает контакты, в момент t₂ ограничивает ток и начинает уменьшать его, в момент t₃ включается УР.

Легко показать, что в случае применения УР увеличивается отключающая способность выключателя. Действительно, если выключатель без УР отключает некоторую цепь с установившимся током, соответствующим его отключающей способности, это означает, что полностью используется возможности выключателя, т. е. включение происходит, когда движущаяся дуга находится в самой последней, верхней, части камеры. При отключении той же цепи выключателем с УР сведение тока к нулю произойдёт гораздо раньше, когда дуга будет находится ещё в средней части камеры, так как, начиная с момента t₃ она гаснет гораздо быстрее. Следовательно, выключатель с УР, отключая рассматриваемую цепь, использует свою отключающую способность лишь частично и способен отключить гораздо больший ток, а именно такой, при котором в момент сведения тока к нулю дуга будет также находиться в самой последней, верхней, части камеры. Это и означает, что применение УР повышает отключающую способность выключателя.

На рисунке 30 приведён график зависимости, характеризующий скорость изменения напряжения на дуге от времени при L_р=2.5, 5, 8 мГн с использованием УР.

На рисунке: t'₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн; t'₃ — время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 3мГн; t''₃ — время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₃ — время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн.

На рисунке 31 приведён график, характеризующий зависимость изменения тока к.з. от времени при L_р =2.5, 5, 8 мГн с использованием УР.

На рисунке: t'₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 2,5мГн; t''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₁ — время достижения тока уставки при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн; t'₃ — время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 3мГн; t''₃ — время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 5мГн; t'''₃ — время начала включения УР при индуктивности реактора СФ L_р = 8мГн При отключении выключателя в его дуге выделяется значительная энергия.

Частично она поглощается потоком нагретого дугой воздуха, частично — стенками дугогасительной камеры. От того, в какой мере дугогасительная камера может рассеять энергию дуги, зависит отключающая способность выключателя. Чем до меньшей температуры при прочих равных условиях нагреваются стенки дугогасительной камеры, тем меньше температура выхлопа из камеры и тем больше ее отключающая способность.

Количество энергии, выделяемой в дуге выключателя при его отключении, зависит от отключаемого тока и других параметров. Для определения энергии напишем уравнение 1.44 для напряжений по контуру отключаемого тока:

Тогда напряжение на дуге определяется по формуле 1.45:

Умножив левую и правую части этого уравнения на idt и проинтегрируя в пределах от t₂ до t₄, получаем выражение 1.46:

Второй интеграл правой части этого уравнения является только функцией тока, поэтому пределы интегрирования по времени заменены в нем на соответствующие пределы по току.

Количество энергии А_д, выделяемое в дуге при отключении выключателем тока к.з. можно определить по формуле 1.47, Дж:

А_д =А_и +А_L -A_R, (1.47).

где А_и — количество энергии, приносимое в процессе отключения источником, Дж;

A_L — количество энергии, запасенное в индуктивностях цепи к моменту размыкания контактов выключателя, Дж;

A_R — количество энергии, рассеиваемую в активных сопротивлениях цепи, помимо выключателя, Дж.

Из полученного соотношения можно сделать следующий вывод: количество энергии, выделенное в дуге при отключении тока, равно сумме энергий, приносимой источником и запасенной к моменту отключения в индуктивностях цепи, за вычетом энергии, рассеянной в активном сопротивлении цепи.

В реальных тяговых сетях определяющей в выражении будет составляющая A_L.

При помощи ЭВМ в программе Mathcad Professional 2001 было рассчитано количество энергии А_д, выделяемое в дуге при отключении аварийного тока в цепи выключателем ВАБ-49−4000/30-К-УХЛ4 при L_р=2.5, 5, 8 мГн. Результаты расчета, а также паспортные данные выключателя приведены в таблице 1:

Таблица 1 — Результаты расчета ресурса быстродействующего выключателя ВАБ-49−4000/30-К-УХЛ4

Из вышеприведённых расчётов можно сделать следующие выводы:

• 1 Использование одиночного выключателя при индуктивности реактора L_p=8 мГн и более нельзя, потому, что напряжение на контактах выключателя при отключении аварийного тока в цепи, расчётное значение u_d=8,71 кВ превышает предельно допустимое по паспортным данным u_dmax в таблице 1. Поэтому для нормальной работы выключателя при большой индуктивности реактора необходимо использование два последовательно соеденённых выключателя
• 2 При малой индуктивности реактора L_p=2,5 и 5 мГн возможно использование одиночного выключателя на фидерах ТП, т.к. напряжение дуги u_d меньше, чем предельно допустимое напряжение по паспортным данным выключателя, но при этом возрастает энергия выделяемая в дуге при к.з. выключателя и соответственно снижается ресурс выключателя. С использованием УР ресурс выключателя снизится до 16,3 лет при L_p=2,5 мГн; без использования УР ресурс выключателя снизится до 11,6 лет при L_p=2,5 мГн.