Оптимальный выбор типа и числа конденсаторов в параллельной части апериодических фильтров

Конденсаторы — второй составной элемент сглаживающего устройства тяговой подстанции.

В качестве ёмкости в апериодическом контуре сглаживающих фильтров применяются конденсаторные батареи, состоящие из несколько последовательно соединённых конденсаторов. Ёмкость конденсаторной батареи C _рез определяется по формуле 1.48, мкФ:

^C рез ^=Ск * ^Nмин.доп ^, (1.48).

где С_к — ёмкость одного конденсатора, мкФ;

N_{мин.доп}— минимально допустимое количество конденсаторов в конденсаторной батареи, шт.

Конденсаторы должны иметь длительно работать при номинальном выпрямленном напряжении 3300 В в условиях резонансного контура, где на постоянное напряжение накладывается переменное напряжение и протекает переменный ток различных звуковых частот. Желательно, чтобы конденсаторы были заполнены негорючей вязкой жидкостью, безопасной в пожарном отношении.

Для апериодических контуров применяют конденсаторы ФСТ 4−13 (заполненные синтетической негорючей жидкостью, номинальное напряжение 4,0 кВ, номинальная ёмкость 13 мкФ ±20%), конденсаторы ФЭТ-4−16У2 (заполненные экологически безопасной жидкостью, для применения на тяговых подстанциях, номинальное напряжение 4,0 кВ, номинальная ёмкость 16 мкФ ±20%)и конденсаторы ФЭК-5−25У2(заполненные экологически безопасной жидкостью, с комбинированным диэлектриком, номинальное напряжение 5,0 кВ, номинальная ёмкость 25 мкФ ±20%).

Конденсаторы работают при одновременном наложении напряжения переменного тока частотой от 100 до 1200 Гц с максимально допустимым отклонением значения частоты не более ±2,5%. При этом значения напряжения переменного тока не должно превышать указанных в таблице 2.

Таблица 2 — Отношение значения переменного тока к значению ёмкости конденсатора.

Конденсаторы рассчитываются на длительное протекание переменного тока определенной величины частотой от 300 до 1200 Гц. Ток n-ой гармоники I_(n), А, протекающий через апериодическую часть СФ определяется по формуле 1.49:

где n — номер гармоники; j — мнимая еденица;

f_c — частота питающей сети (f_c =50 Гц), Гц;

L_p — индуктивность реактора, мГн;

U (n) — напряжение n-ой гармоники, В.

Ток n-ой гармоники I_{к (n)}, А, протекающий через один конденсатор определяется по формуле 1.50:

На рисунках 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 соответственно приведены графики зависимостей отношений значений тока для n-ой гармоники, к числу конденсаторов в апериодической части СФ при коэффициентах несимметрии питающего напряжения a_u=0%, a_u=2%, a_u=6%, a_u=10%, углом сдвига между составляющими прямой и обратной последовательностей ш = 0 ⁰, схеме выпрямления питающего напряжения m=6 и m=12 конденсатора типа ФЭТ-4−16У2.

Из вышеприведённых графиков можно сделать вывод о величине ёмкости и количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u. Аналогичным образом можно рассчитать необходимое количество конденсаторов типа ФЭК-5−25У2, ФСТ 4−13 при индуктивности реактора L_p=3 мГн, L_p=5 мГн.

В таблице 3 приведены данные о минимальном количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u для конденсаторов типа ФЭК-5−25У2, ФСТ 4−13 и ФЭТ-4−16У2.

Таблица 3 — Данные о минимальном количестве конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ при различных коэффициентах несимметрии a_u для конденсаторов типа ФЭК-5−25У2, ФСТ 4−13 и ФЭТ-4−16У2.

Исходя из вышеприведённых расчётов можно построить графики зависимости минимального количества конденсаторов, необходимых для применения в апериодической части СФ от коэффициентов несимметрии питающего напряжения, a_u при шестипульсовой и двенадцатипульсовой схеме выпрямления (m=6, m=12) для конденсаторов типа ФЭК-5−25У2, ФСТ 4−13 и ФЭТ-4−16У2 (рисунок 40,41).

Как видно из полученных результатов, при увеличении степени нессиметрии минимально допустимое количество конденсаторов в параллельной части СФ увеличивается и достигает количества равного 82 при С_к=13 мкФ, это соответствует ёмкости параллельной части апериодического СФ равной 1066 мкФ. Соответственно при такой большой ёмкости в параллельной части можно использовать индуктивность реактора L_p=3 мГн и менее и получать при этом эффективный фильтр, который может подавлять все гармоники, которые могут вызывать мешающее и опасное влияния на смежные электротехнические коммуникации.

Таким образом, в качестве основного мероприятия по увеличению эффективности пассивного СФ может являться использование повышенной ёмкости в параллельной части, но при этом использование пониженной индуктивности в последовательной части СФ. Пониженная индуктивность реактора приводит к уменьшению расхода электроэнергии, и незначительному влиянию на снижение ресурса выключателя, но при этом эффективность пассивного СФ будет обеспечена за счёт использование повышенной ёмкости в параллельной части.

Применение апериодического фильтра при коэффициенте нессиметрии a_u равного 0−2% неэффективного, вследствие использования большого количества конденсаторов. Необходимо использование дополнительно настроенного контура на 100 Гц, т.к. каноническая гармоника на 100 Гц появляется при нессиметрии питающего напряжения, и играет решающее значение при выборе числа конденсаторов (рисунок 32−39). При использовании такого контура затраты на создание СФ, с меньшим числом конденсаторов в параллельной части будет меньшим.