UWARUNKOWANIA I ZALETY STOSOWANIA W TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ 18- I 24-PULSOWYCH ZESPOŁÓW PROSTOWNIKOWYCH

Transkrypt

1 EUGENIUSZ KORZYCKI, PIOTR MAZUREK, HENRYK ŚWIĄTEK, KRZYSZTOF ZYMMER UWARUNKOWANIA I ZALETY STOSOWANIA W TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ 18- I 4-PULSOWYCH ZESPOŁÓW PROSTOWNIKOWYCH MULTIPULSE (18 AND 4) PULSES RECTIFIER SETS FOR ELECTRIC TRACTION DC SUPPLY SYSTEMS THE ADVANTAGES AND CONDITIONS Streszczenie Abstract W niniejszym artykule opisano rozwiązania układowe wielopulsowyc (1-, 18- i 4-pulsowyc) zespołów prostownikowyc o optymalnyc układac prostowniczyc. Podano powody warunkujące potrzebę stosowania i możliwości wykonawcze takic zespołów z podstawowym przeznaczeniem dla potrzeb trakcji elektrycznej (PKP 3,3 kv DC, metro 85 V DC, tramwaj 660 V DC). Przedstawiono przykładowe obliczenia współczynnika odkształcenia krzywej napięcia THD u oparte na danyc typowyc zespołów prostownikowyc stosowanyc aktualnie w trakcji kolejowej (PKP) i miejskiej (tramwaj, metro). Zamieszczono przebiegi współczynnika THD u w funkcji mocy zwarciowej S c linii zasilającej podstacje trakcyjne o różnej liczbie zespołów prostownikowyc, a także o różnym ic obciążeniu. Słowa kluczowe: podstacje trakcyjne, energoelektronika, wielopulsowe zespoły prostownikowe Configurations of multipulse rectifier sets (1, 18, 4 pulses) wit optimum solution of rectifiers are presented in te paper. Te reasons of applying multipulse rectifiers for te railway 3,3 kv DC, underground 85 V DC, tram 660 V DC supply systems are also quoted. Examples of calculation of total armonic distortion voltage THD u, based on data of te typical rectifier sets are presented. Tese rectifiers are actually in operation in DC supply systems of trams, underground and railway. Te total armonic distortion as a function of te sort circuit power of te power supply line S c and as a function of te load current is presented in tis paper too. Keywords: traction substations, power electronics, multipulse rectifier sets Mgr inż. Eugeniusz Korzycki, mgr inż. Piotr Mazurek, mgr inż. Henryk Świątek, dr ab. inż. Krzysztof Zymmer, Instytut Elektrotecniki, Warszawa.

2 96 1. Wstęp Powszecnie wiadomo, że przekształcanie napięcia przemiennego w napięcie jednokierunkowe, wyprostowane przez zespoły prostownikowe, związane jest z powstawaniem wyższyc armonicznyc zarówno po stronie zasilania, jak i odbioru. I tak po stronie napięcia wyprostowanego, tj. w sieci trakcyjnej, armoniczne te występują w postaci napięć przemiennyc rzędu (n u ) i częstotliwościac (f u ), zaś po stronie zasilania, tj. w sieci energetycznej, w postaci prądów przemiennyc rzędu (n i ) i częstotliwościac (f i ), przy czym [1] n u = m p n i = mp ± 1 f u = n u fs f i = n i fs (1a) (1b) (a) (b) gdzie: f s częstotliwość napięcia zasilania, p wskaźnik tętnienia napięcia wyprostowanego, m dowolna liczba całkowita (m = 1,, 3,...). Liczba i wartość tyc armonicznyc podstawowo zależna od konfiguracji układu prostowniczego, nominalnej mocy i napięcia zwarcia transformatora prostownikowego oraz wartość obciążenia danego zespołu jest szczegółowo opisana w literaturze tecnicznej. Natomiast szkodliwość oddziaływania armonicznyc prądu i napięcia jest różna i zależy od wielu parametrów tecnicznyc sieci oraz rodzaju ewentualnyc obiektów zakłócanyc. Zakresy i dopuszczalne wartości tego szkodliwego oddziaływania określane są odpowiednimi współczynnikami zawartymi w obowiązującyc międzynarodowyc normac (EN, IEC) lub krajowyc resortowyc zarządzeniac czy przepisac. W odniesieniu do sieci zasilającej podstawowym tego rodzaju współczynnikiem jest odkształcenie sinusoidalnego przebiegu krzywej napięcia zasilania (THD u ), zaś do sieci trakcyjnej współczynnik wygładzenia napięcia wyprostowanego (U wn ) [, 3]. W celu znaczącego ograniczenia zawartości wyższyc armonicznyc w sieci zasilającej i trakcyjnej, jak również zminimalizowania obecności wielu niecarakterystycznyc armonicznyc proponujemy stosowanie zarówno w trakcji kolejowej (PKP), jak i miejskiej (metro, tramwaj, trolejbus) wielopulsowyc zespołów prostownikowyc o optymalnyc 18- i 4-pulsowyc układac prostowniczyc. Przeprowadzone przez nas analizy tecniczno-ekonomiczne oraz symulacje komputerowe potwierdzają przytoczoną powyżej propozycję jako tecnicznie realną oraz ekonomicznie celową i opłacalną [4, 5].. Optymalne rozwiązania układowe wielopulsowyc zespołów prostownikowyc Opracowane w Zakładzie Przekształtników Mocy Instytutu Elektrotecniki wielopulsowe (1-, 18- i 4-pulsowe) zespoły prostownikowe o optymalnyc układac prostowni-

3 czyc są jakościowo nowymi zespołami w odróżnieniu od innyc proponowanyc rozwiązań [6, 7], a podstawowo przeznaczone dla potrzeb trakcji elektrycznej (PKP 3,3 kv DC, metro 85 V DC i tramwaj 660 V DC). Pod pojęciem optymalny układ prostowniczy wielopulsowego zespołu prostowniczego rozumiemy taki układ, który jest złożony z odpowiednio skojarzonyc układów 6-pulsowyc. Układ taki, w odróżnieniu od układów wielofazowyc (o kącie przewodzenia elementów prostowniczyc zależnym od liczby faz pojedynczego układu), carakteryzuje się stałym kątem przewodzenia, jednakowym dla wszystkic przyrządów półprzewodnikowyc, równym 10 el., niezależnie od liczby pulsów w napięciu wyprostowanym. Oznacza to, że każdy taki wielopulsowy zespół prostowniczy, w zależności od wielkości napięcia i prądu wyprostowanego będzie się składał z szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle połączonyc po stronie napięcia wyprostowanego, podstawowyc 6-pulsowyc układów prostowniczyc. Prostowniki tyc układów o konfiguracji mostków 3-fazowyc zasilane są z oddzielnyc galwanicznie niezależnyc uzwojeń wtórnyc transformatora prostownikowego. Wymagane dla tyc układów 30, 0 i 15 stopniowe wzajemne przesunięcia wektorów napięć zasilającyc 3-fazowe mostki układów 6-pulsowyc mogą być dokonywane po wtórnej lub pierwotnej albo po wtórnej i pierwotnej stronie transformatora prostownikowego. Prawidłowa praca takic wielopulsowyc zespołów prostownikowyc wymaga, aby napięcia międzyprzewodowe i napięcia zwarcia dla wszystkic uzwojeń wtórnyc ic transformatora były praktycznie jednakowe, tzn. przy zacowaniu wymaganej tolerancji dla przekładni napięciowej transformatora wynoszącej ±0,5% wartości zadeklarowanej lub wymaganej (PN-EN , transformatory, wymagania ogólne). Spełnienie takiego wymagania dla zespołów prostownikowyc o optymalnyc układac prostowniczyc będzie możliwe, jeżeli uzwojenie pierwotne transformatora prostownikowego będzie się składać z takiej samej liczby części, jak uzwojenie wtórne, tzn. dwóc dla układu 1-pulsowego, trzec dla układu 18-pulsowego i czterec dla układu 4-pulsowego. Ponadto każda taka część uzwojenia pierwotnego będzie mieć jednakowe napięcie zasilania (np. 15 kv) przy mocy odpowiednio równej 1/, 1/3, 1/4 mocy znamionowej transformatora prostownikowego danego wielopulsowego zespołu prostownikowego o optymalnym układzie prostowniczym Potrzeba opracowania i możliwości wykonawcze wielopulsowyc zespołów prostownikowyc Tecnicznie zasadna potrzeba opracowania przez nas optymalnyc rozwiązań układowyc dla wielopulsowyc (1-, 18- i 4-pulsowyc) zespołów prostownikowyc oraz świadomość możliwości wykonawczyc tego rodzaju zespołów była następstwem wymienionyc poniżej uwarunkowań, a mianowicie: 1. Dotycczasowe i przewidywane przyszłościowe, rygorystycznie przestrzegane przez energetykę, wymagania nieprzekroczenia dopuszczalnej lub przyjętyc w szczególności dla dużyc aglomeracji wartości współczynnika odkształcenia krzywej napięcia (THD u ) oraz wielkości poszczególnyc armonicznyc dla określonyc sieci (WN i ŚN) energetycznyc zasilającyc zespoły prostownikowe. Wynika to ze stosunkowo dużyc suma-

4 98 rycznyc mocy zainstalowanyc na podstacjac trakcyjnyc zespołów prostownikowyc w porównaniu z mocami zwarciowymi energetycznyc linii zasilającyc w miejscu przyłączenia tyc zespołów.. Wymagania eksploatatorów trakcyjnyc zespołów prostownikowyc dotyczące przede wszystkim wielkości niezbędnej mocy znamionowej przy jednoczesnym dotrzymywaniu uzgodnionyc przeciążalności prądowyc oraz zacowaniu wymaganyc normą wielkości pulsacji i waań napięcia wyprostowanego dla różnyc czasów trwania obciążenia i przeciążenia tyc zespołów. Wymagania te są konsekwencją stosowania nowoczesnyc i o większej mocy pojazdów trakcyjnyc, np. na liniac PLK przewidzianyc do jazdy z prędkością do 00 km/. 3. Możliwości tecniczne oraz otwartość krajowyc producentów transformatorów, a w szczególności Zakładu EV Życlińskie Transformatory Sp. z o.o. na produkcję specjalnyc wielouzwojeniowyc transformatorów prostownikowyc zarówno w wykonaniu olejowym, jak i sucym. 4. Aktualna dostępność rynkowa pastylkowyc diod mocy o dużyc prądac znamionowyc (I F(AV) ponad 5 ka) i wysokic napięciac pracy (U RRM do 5 kv) umożliwiająca budowę prostowników diodowyc o dużej mocy (kilku MW) i napięciu wyprostowanym (ponad 3 kv PKP) bez konieczności stosowania równoległyc i szeregowyc połączeń diod, a zatem niewymagającyc ic selekcji do tego rodzaju pracy, a więc i tańszyc. Dla omawianyc wielopulsowyc zespołów prostownikowyc, oprócz problemów wykonawczyc transformatorów prostownikowyc o odpowiednic konfiguracjac ic uzwojeń, istnieje podobny problem z budową przystosowanyc do nic prostowników diodowyc, zapewniającyc i umożliwiającyc kontrolę wymaganej równomierności obciążania się równolegle połączonyc podstawowyc 6-pulsowyc układów prostowniczyc. Uważamy ponadto, że prostowniki dla tyc zespołów powinny być budowane z zastosowaniem opracowanyc przez nas rozwiązań konstrukcyjnyc wprowadzonyc do bezawaryjnie pracującyc zespołów prostownikowyc [8]. Rozwiązania te polegają na: rozdzieleniu toru prądowego od toru cieplnego w module diodowym, wyeliminowaniu sztywnyc połączeń modułów diodowyc z izolacyjną konstrukcją wsporczą oraz oszynowaniem prostownika (R, S, T, +, ), zastosowaniu podwójnej izolacji elektrycznej elementów prostownika znajdującyc się na wysokim potencjale w stosunku do uziemionej jego metalowej obudowy. 4. Kryteria wyboru wielopulsowyc zespołów prostownikowyc dla potrzeb trakcji elektrycznej Z przeprowadzonyc przez nas analiz dotyczącyc formalnie zasadnej potrzeby stosowania w trakcji elektrycznej 18- lub 4-pulsowyc zespołów prostownikowyc wynika, że podstawowe wstępne kryterium wyboru powinny stanowić obliczenia określające zawartość wyższyc armonicznyc prądu I w sieci energetycznej i napięcia p U p w sieci trakcyjnej. Natomiast podstawowym, decydującym kryterium tego wyboru powinny być konkretne dla danej trakcji (podstacji trakcyjnej) i linii zasilającej obliczenia współczynnika odkształcenia krzywej napięcia zasilającego (THD u ) oraz wartości napięć

5 pierwszyc armonicznyc (U (ni=17), U (ni=3) ) i wartości pulsacji napięcia wyprostowanego (U (nu max) U (nu min) ) w sieci trakcyjnej. Porównanie tyc wyników z odpowiednimi wartościami dopuszczalnymi określonymi w normac lub przyjętymi przez energetykę czy trakcję wymaganiami eksploatacyjnymi stanowić będzie podstawę do wyboru rodzaju wielopulsowego zespołu prostownikowego. Pod pojęciem zawartości wyższyc armonicznyc prądu w sieci energetycznej czy napięcia w sieci trakcyjnej z tecnicznie uzasadnioną dokładnością przyjęliśmy sumę geometryczną carakterystycznyc ( c ) i niecarakterystycznyc ( nc ) armonicznyc do 55 rzędu, występującyc dla rozpatrywanego wielopulsowego zespołu prostownikowego. I tak zawartość tyc armonicznyc określamy następującymi zależnościami: dla armonicznyc prądu ( I ) + ( W I ) I = c i p p p nc 99 (3) dla armonicznyc napięcia przy czym ( U ) + ( W U ) U = u c p p p nc (4) I = (5) 100 % I I1L U % U = U (6) do 100 gdzie: I %, U % procentowa wartość prądu, napięcia armonicznej określana podanymi w normie PN-IEC zależnościami, które uwzględniają kąt komutacji i rząd armonicznej ( n i, n u ), W i, W u współczynnik udziału niecarakterystycznej armonicznej prądu, napięcia dla rozpatrywanego wielopulsowego (p = 1, 18, 4) zespołu prostownikowego, przy czym dla układu prostowniczego nieoptymalnego zgodnie z sugestiami przytoczonymi w normie PN-IEC przyjęliśmy W i = 0,15, W u = 0,05, natomiast dla opisanego powyżej układu prostowniczego optymalnego na podstawie przeprowadzonyc analiz komputerowyc określającyc procentową zawartość poszczególnyc armonicznyc niecarakterystycznyc dla rozpatrywanyc zespołów o optymalnyc układac prostowniczyc wynika, że jest ona o ponad połowę mniejsza od porównywalnyc tego typu zespołów o nieoptymalnyc układac prostowniczyc, tzn. niespełniającyc przytoczonyc powyżej wymagań wykonawczyc i rozwiązań konstrukcyjnyc przyjęliśmy W i = 0,07, W u = 0,0, I 1L U d prąd w linii zasilającej dany zespół prostownikowy o określonym obciążeniu, obliczeniowa wartość napięcia wyprostowanego dla danego zespołu prostownikowego o określonym obciążeniu.

6 100 Z przeprowadzonej analizy przebiegów zawartości armonicznyc w funkcji kąta komutacji dla typowyc warunków pracy aktualnie eksploatowanyc w trakcji elektrycznej zespołów prostownikowyc wynika, że o wyborze jego rodzaju (p, W i, W u ) dla potrzeb danej trakcji elektrycznej decydującym kryterium będą obliczenia współczynnika odkształcenia krzywej napięcia (THD u ) linii zasilającej rozpatrywaną podstację trakcyjną z danymi zespołami prostownikowymi. Natomiast pomocnicze kryterium mogą stanowić obliczenia procentowyc wartości pierwszyc armonicznyc carakterystycznyc (U 1c )% dla rozpatrywanyc zespołów prostownikowyc o pulsacji (p), tj. dla: p = 1 U 11% ; p = 18 U 17% ; p = 4 U 3%. Zgodnie z normą PN-IEC skuteczna wartość fazowego napięcia armonicznyc dla danej linii zasilającej określona jest następującą zależnością U f U LN = 3 S S 1L c I I 1L k L (7) przy czym k L ( Q Q ) ( Q ) p + 1 s p s = (8) Q X s Q = = ( 8 1 ) jw. (9) s R s R p Q = = ( ) p jw. (10) X s gdzie: S c moc zwarciowa linii zasilającej, U LN znamionowe napięcie linii zasilającej, S 1L moc zespołu prostownikowego odpowiadająca prądowi I 1L, X s reaktancja rozproszenia głównego transformatora systemu zasilania, R s szeregowa rezystancja układu zasilania odpowiadająca stratom mocy w obciążeniu, R p równoległa rezystancja układu zasilania odpowiadająca stratom mocy w stanie jałowym, rząd armonicznej prądu określany zależnością (1b). W przytoczonyc poniżej przykładowyc obliczeniac wielkości napięć armonicznyc (U f ) dla wielopulsowyc trakcyjnyc zespołów prostownikowyc przyjęto średnie wartości parametrów linii zasilającej, tj. Q s = 10 i Q p = 100 określające wartości współczynnika k L dla poszczególnyc armonicznyc (od n i = 5 do n i = 55).

7 101 Natomiast zgodnie z normą PN-IEC wartość rygorystycznie przestrzeganego przez energetykę współczynnika odkształcenia krzywej napięcia (THD u ) linii zasilającej klasy 1 i określana jest następującą zależnością g U d THD = 100 u (11) U1L gdzie: d, g rząd dolnej, górnej granicy sumowania armonicznyc U, U 1L skuteczna wartość napięcia linii zasilającej. Uwzględniając przyjęty przez nas sposób określania zawartości armonicznyc prądu w linii zasilającej dany zespół prostownikowy (3), a także zależności (7) i (11) oraz obliczeniową wielkość współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) linii zasilającyc, rozpatrywane wielopulsowe trakcyjne zespoły prostownikowe będzie można określić na podstawie następującej zależności ( U ) + ( W U ) THD = (1) u fc i fnc U p p LN przy czym dla zespołów o pulsacji p: c d = 11; g = 49 p = 1; = 5; = 55 nc d g c d = 17; g = 55 p = 18; = 5; = 49 nc d g c d = 3; g = 49 p = 4; = 5; = 55 nc d g Rzędy armonicznyc niecarakterystycznyc (nc) dla omawianyc zespołów o pulsacji p = 1, 18, 4 stanowią odpowiednie rzędy armonicznyc carakterystycznyc dla składowyc zespołów 6-pulsowyc. 5. Obliczenia współczynnika THD u dla wielopulsowyc zespołów prostownikowyc typowyc dla danej trakcji elektrycznej (kolej, metro, tramwaj) Przytoczone poniżej przykładowe obliczenia wielkości współczynników odkształcenia krzywej napięcia THD u linii średniego napięcia (U LN = 15 kv) mającyc zasilać wielopulsowe (1, 18, 4) zespoły prostownikowe przeznaczone dla trakcji kolejowej i miejskiej (metro, tramwaj) zostały przeprowadzone na podstawie danyc tecnicznyc eksploatowanyc aktualnie przez te trakcje 1-pulsowyc zespołów prostownikowyc. I tak dla: trakcji kolejowej dane zespołów typu ZP-1,7/3,3 ŚN zasilającyc sieć trakcyjną linii szybkiego rucu (E0),

8 10 Ryc. 1a. Wykresy współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) w funkcji mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającej (SN-15kV) 1 ZP-1,7/3,3; I d = I dn = 1700 A; kpp III Fig. 1a. Diagrams of te voltage distortion factor (THD u ) versus sort-circuit power of te power supply line (S c ) (SN-15kV) 1 ZP-1,7/3,3; I d = I dn = 1700 A; kpp III Ryc. 1b. Wykresy współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) w funkcji mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającej (SN-15kV) ZP-1,7/3,3; I d = 3/4 I dn = 175 A; kpp III; I dn = 1700 A Fig. 1b. Diagrams of te voltage distortion factor (THD u ) versus sort-circuit power of te power supply line (S c ) (SN-15kV) ZP-1,7/3,3; I d = 3/4 I dn = 175 A; kpp III; I dn = 1700 A

9 103 Ryc. a. Wykresy współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) w funkcji mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającej (SN-15kV) ZP-,4/0,85; I d = 3/4 I dn = 1800 A; kpp III Fig. a. Diagrams of te voltage distortion factor (THD u ) versus sort-circuit power (S c ) of te power supply line (SN-15kV) ZP-,4/0,85; I d = 3/4 I dn =1800 A; kpp III Ryc. b. Wykresy współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) w funkcji mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającej (SN-15kV) 3 ZP-,4/0,85; I d = 1/ I dn =100 A; kpp III Fig. b. Diagrams of te voltage distortion factor (THD u ) versus sort-circuit power (S c ) of te power supply line (SN-15kV) 3 ZP-,4/0,85; I d = 1/ I dn =100 A; kpp III

10 104 Ryc. 3a. Wykresy współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) w funkcji mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającej (SN-15kV) 3 ZP-1,6/0,66; I d = 3/4 I dn = 100 A; W j = 0,15 Fig. 3a. Diagrams of te voltage distortion factor (THD u ) versus sort-circuit power (S c ) of te power supply line (SN-15kV) 3 ZP-1,6/0,66; I d = 3/4 I dn = 100 A; W j = 0,15 Ryc. 3b. Wykresy współczynnika odkształcenia napięcia (THD u ) w funkcji mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającej (SN-15kV) 3 ZP-1,6/0,66; I d = I dn = 1600 A; W j = 0,15 Fig. 3b. Diagrams of te voltage distortion factor (THD u ) versus sort-circuit power (S c ) of te power supply line (SN-15kV) 3 ZP-1,6/0,66; I d = I dn =1600 A; W j = 0,15

11 105 trakcji komunikacji miejskiej: metro dane zespołu typu ZP-,4/0,85 instalowanyc na podstacjac trakcyjnyc II etapu budowy metra (od podstacji Ratusz), tramwaj dane zespołu typu ZP-1,6/0,66 instalowanyc aktualnie na modernizowanyc i przewidywanyc w przyszłości dla linii szybkiego tramwaju. Wyniki z przeprowadzonyc obliczeń wielkości tego współczynnika w zależności od wielkości mocy zwarciowej (S c ) linii zasilającyc te zespoły oraz liczby pracującyc na podstacji trakcyjnej tyc zespołów oraz różnyc ic obciążeń (I d ) w formie graficznej przedstawiono na rycinac: 1a, b dla trakcji kolejowej, a, b dla trakcji miejskiej metro, 3a, b dla trakcji miejskiej tramwaj. Ryc. 4a. Wykresy współczynnika THD u w fun- Ryc. 4b. Wykresy współczynnika THD u w funkcji prądu I d przy S c = const, p = 1; kcji prądu I d przy S c = const, p = 4; 1 ZP-1,7/3,3; I dn = 1700A; III kp 1 ZP-1,7/3,3; I dn = 1700A; III kp Fig. 4a. Diagrams of te THD u factor versus Fig. 4b. Diagrams of te THD u factor versus te I d current at S c = const, p = 1; te I d current at S c = const, p = 4; 1 ZP-1,7/3,3; I dn = 1700A; III kp 1 ZP-1,7/3,3; I dn = 1700A; III kp I tak na: rycinie 1a wykreślono przebiegi współczynnika THD u = f (S c ) dla pierwszego zespołu o pulsacji p = 1, 18, 4, o optymalnym i nieoptymalnym układzie prostowniczym oraz znamionowym obciążeniu dla wymaganej III klasy przeciążalności prądowej (kpp), tj. Id N = 1700 A, zaś na ryc. 1b dla dwóc zespołów o obciążeniu każdego z nic prądem I d = 3/4 Id N = 150 A,

12 106 rycinie a wykreślono analogiczne przebiegi THD u = f (S c ) dla dwóc zespołów o obciążeniu każdego z nic wynoszącego 3/4 znamionowego prądu Id N = 400 A dla wymaganej III kpp, tj. I d = 3/4 Id N = 1800 A, rycinie b dla trzec zespołów o obciążeniu każdego z nic prądem I d = 1/ Id N = 100 A, rycinie 3a, wykreślono analogiczne przebiegi THD u = f (S c ) dla trzec zespołów o obciążeniu każdego z nic wynoszącego 3/4 znamionowego prądu Id N = 1600 A dla wymagań V kpp, tj. I d = 3/4 Id N = 100 A, rycinie 3b wykreślono analogiczne przebiegi THD u = f (S c ) dla trzec zespołów o obciążeniu każdego z nic prądem I d = Id N = 1600 A. Na rycinac podano minimalne wartości mocy zwarciowej (S c min ) linii zasilającej (ŚN-15 kv) podstacje trakcyjne wyposażone w aktualnie pracujące zespoły prostownikowe, tj. o p = 1 i W i = 0,15, wyznaczone dla dopuszczalnyc wartości współczynnika THD u dla 1 i klasy tej linii, tj. THD u = 8% klasa i THD u = 5% klasa 1. Dodatkowo dla zespołu trakcji kolejowej mającego największe obliczeniowe wartości współczynnika THD u przykładowo na ryc. 4a i 4b wykreślono jego przebiegi THD u = f (I d ) przy S c = const dla pierwszego 1- i 4-pulsowego zespołu prostownikowego o wykonaniu optymalnym (W i = 0,07) i nieoptymalnym (W i = 0,15). Ponadto na rycinie tej oznaczono dopuszczalne wartości współczynnika THD u dla 1 i klasy linii zasilającej ŚN odpowiadające pracy 1, lub 3 rozpatrywanyc zespołów prostownikowyc. 6. Zalety stosowania w trakcji elektrycznej 18- i 4-pulsowyc zespołów prostownikowyc o optymalnyc układac prostowniczyc Stosowanie w trakcji elektrycznej (PKP, metro, tramwaj) 18- i 4-pulsowyc zespołów prostownikowyc daje wiele korzyści: 1. Zespoły te w istotny sposób ograniczają wielkości niecarakterystycznyc armonicznyc zarówno po stronie zasilania, jak i odbioru, a tym samym carakteryzują się zmniejszonym szkodliwym oddziaływaniem na współpracujące z nimi sieci, tj. zasilającyc energetyczną i odbiorczą trakcyjną.. W odniesieniu do trakcji kolejowej zbędne jest stosowanie dla takic zespołów urządzeń wygładzającyc (rezonansowyc lub typu gamma) w celu zapewnienia nieprzekraczalności dopuszczalnego równoważnego napięcia zakłócającego wynoszącego 0,5% znamionowego napięcia wyprostowanego, tj. 16,5 V. 3. W odniesieniu do trakcji miejskiej (metro, tramwaj, trolejbus), dla której stosowane będą 18- bądź 4-pulsowe zespoły o równoległyc połączeniac składowyc 6-pulsowyc układów prostowniczyc, zbędne będzie stosowanie dodatkowyc kosztownyc i zwiększającyc straty dławików wyrównawczyc. Będzie to możliwe dzięki temu, że transformatory prostownikowe tyc zespołów mają pełną separację galwaniczną poszczególnyc grup 3-fazowyc uzwojeń wtórnyc, a ic prostowniki diodowe będą posiadać odpowiednie połączenia po stronie napięcia wyprostowanego składowyc mostków 3-fazowyc. 4. Sumaryczne straty mocy w prostownikac, 18- i 4-pulsowyc zespołów, wyposażonyc w zmodernizowane moduły diodowe (moduły z miedzianymi wyprowadzeniami prądowymi spod elektrod diod), będą o ok. 5% mniejsze od porównywalnyc strat mocy

13 107 w prostownikac wyposażonyc w stare moduły diodowe (bez ww. wyprowadzeń prądowyc). Uzyskanie takiego efektu będzie możliwe dzięki rozdzieleniu toru prądowego od toru cieplnego w zmodernizowanyc modułac, w któryc aluminiowe radiatory będą odprowadzać ciepło powstałe tylko od strat mocy w diodac, a nie również ciepło powstające w radiatorac od przepływającego przez nie prądu obciążenia diod. 5. Dzięki wyeliminowaniu sztywnyc połączeń modułów diodowyc z izolacyjną konstrukcją wsporczą szafy prostownika oraz ic wyprowadzeń prądowyc z oszynowaniem (R, S, T, +, ) uzyska się znacznie większą odporność styku diody z radiatorem na naprężenia mecaniczne powstające w torac prądowyc w przypadku ewentualnyc zwarć oraz częstyc i nieregularnyc przeciążeń typowyc dla zespołów trakcyjnyc. W odniesieniu do prostowników dla potrzeb metra dodatkowo docodzą jeszcze naprężenia pocodzące od mecanicznyc drgań szafy, powstającyc podczas przejeżdżania pociągów, któryc torowiska i konstrukcja wsporcza szafy prostownika są ze sobą mecanicznie w sztywny sposób powiązane (awaria spalenie prostownika na stacji Centrum). Należy jeszcze zwrócić uwagę na fakt istotny dla obliczeń dopuszczalnyc obciążalności oraz przeciążalności prądowej oraz wytrzymałości zwarciowej prostownika. W omawianyc zespołac wszystkie diody prostowników składowyc pracują w takic samyc warunkac układowyc i obciążeniowyc, tzn. obliczeniowy kąt przewodzenia dla każdej diody ma optymalną wartość wynoszącą 10 el., przy jednakowyc przebiegac komutacji zacodzącej oddzielnie dla każdego składowego układu 6-pulsowego. Natomiast w innyc publikowanyc w czasopismac tecnicznyc rozwiązaniac kąt przewodzenia diod jest różny lub wynosi po ok. 40 el., co zacodzi w prostowniku o układzie mostka 9-fazowego. Istotne dla takiego 18-pulsowego zespołu prostownikowego [6] obliczenia dopuszczalnyc obciążalności i przeciążalności prądowej oraz wytrzymałości zwarciowej limitowanej przede wszystkim przez diody jego prostownika będą obciążone znaczącym błędem. 7. Podsumowanie 1. Podstawowym uzasadnieniem przyszłej konieczności stosowania w trakcjac elektrycznyc opisanyc powyżej 18- i 4-pulsowyc zespołów prostownikowyc o optymalnyc układac prostowniczyc będzie: z jednej strony trakcyjnie uzasadniona (duże moce pojazdów trakcyjnyc nowej generacji) potrzeba stosowania zespołów o większej niż dotycczas mocy znamionowej, a tym samym i przeciążalności prądowej (00% I dn przez 1 min tramwaj i 300% I dn przez 5 min PKP), z drugiej strony konieczność dotrzymywania wymaganej przez energetykę dla danej linii zasilającej podstacje trakcyjne nieprzekraczalnej, określonej normą, wartości współczynnika odkształcenia krzywej napięcia (THD u ) oraz zawartości wielkości poszczególnyc armonicznyc.. Z przytoczonyc na ryc. 1a i b, a i b, 3a i b przebiegów współczynnika THD u w funkcji mocy zwarciowej (S c ) i prądu obciążenia (I d ) omawianyc zespołów i różnego ic układu pracy na podstacji trakcyjnej (1,, 3 zespoły) wynikają następujące, istotne dla danyc rodzajów transportu szynowego, wnioski:

14 108 a) w przypadku stosowania typowyc dla danyc rodzajów transportu szynowego (PKP, metro, tramwaj) wielkości zespołów prostownikowyc o pulsacji p = 1 i wykonaniu nieoptymalnym (W i = 0,15), zasilanyc liniami średniego napięcia, o dotycczasowej klasie (THD u = 8%) lub przewidywanej (THD u = 5%), moce zwarciowe tyc linii (S c ) nie powinny być mniejsze niż podane w tablicy 1, Klasa linii zasilającej podstację PKP Metro Tramwaj ZP-1,7/3,3 ŚN I dn = 1700 A III kpp 1 ZP obciążenie po I d = I dn = 1700 A ZP-,4/0,85 ŚN I dn = 400 A III kpp ZP obciążenie po I d = 3/4 I dn = 1800 A Tablica 1 ZP-1,6/0,66 ŚN I dn = 1600 A V kpp 3 ZP obciążenie po I d = 3/4 I dn = 100 A Klasa THD u = 8% S c = 80 MVA S c = 34,5 MVA S c = 4,97 MVA Klasa 1 THD u = 5% S c = 13 MVA S c = 55, MVA S c = 68,75 MVA ZP obciążenie po I d = 3/4 I dn = 150 A 3 ZP obciążenie po I d = 1/ I dn = 100 A 3 ZP obciążenie po I d = I dn = 1600 A Klasa THD u = 8% S c = 138 MVA S c = 43,3 MVA S c = 49,05 MVA Klasa 1 THD u = 5% S c = 10 MVA S c = 69,3 MVA S c = 78,49 MVA b) w przypadku stosowania w trakcji elektrycznej proponowanyc przez nas 18- i 4- -pulsowyc zespołów prostownikowyc o podobnyc danyc jak dla dotycczas eksploatowanyc zespołów o p = 1, w odniesieniu do trakcji miejskiej i linii zasilającyc o mocy zwarciowej S c 50 MVA zespoły takie nie będą stwarzać zagrożenia przekroczenia dopuszczalnej wielkości współczynnika THD u, nawet dla linii zasilającej o klasie 1 (ryc. a, b; 3a, b). Natomiast w odniesieniu do trakcji kolejowej i linii zasilającyc klasy o mocy zwarciowej S c 50 MVA, to podstacje trakcyjne wyposażone tylko w 4-pulsowe omawiane zespoły (P tn = 6,3 MVA; U Z% = 6/6%) nie będą stwarzać zagrożenia przekroczenia dopuszczalnej wielkości współczynnika THD u = 8% (ryc. 1a i 1b), c) im mniejsza jest moc zwarciowa linii zasilającej (S c ) tym bardziej jest zasadne stosowanie wielopulsowyc zespołów prostownikowyc o optymalnyc układac prostowniczyc (ryc. 4a i b). Literatura [1] K o r z y c k i E., Ocena wpływu podstacji trakcyjnyc z przekształtnikami diodowymi na odkształcenie krzywej napięcia w energetycznyc liniac zasilającyc, Materiały Międzynarodowej Konferencji Naukowej,,Jakość Energii Elektrycznej, Politecnika Łódzka, Spała [] Polska Norma PN-EN (1997) Kompatybilność elektromagnetyczna. Środowisko. Pomiary kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonyc małej częstotliwości w sieciac zakładów przemysłowyc.

15 109 [3] Wytyczne o ocronie linii i urządzeń telekomunikacyjnyc przed szkodliwym oddziaływaniem linii elektroenergetycznyc i trakcji elektrycznej prądu stałego, Instytut Łączności, Warszawa [4] K o r z y c k i E., S a k o w i c z S., Ś wią tek H., Prostowniki nowej generacji dla zespołu o zmniejszonej wartości napięcia zwarcia transformatora i obniżonym poziomie armonicznyc generowanyc do sieci zasilającej, Dokumentacja Instytutu Elektrotecniki, Nr arc. 49/004/NPM. [5] K o r z y c k i E., M a z u r e k P., Ś wią t e k H., Analiza przekształtnikowyc układów wielopulsowyc przeznaczonyc dla prostowników trakcyjnyc, Dokumentacja Instytutu Elektrotecniki, Nr arc. 7/005/NPM. [6] Kurczewski W., Układy prostownikowe 18-pulsowe do zasilania sieci trakcyjnej, Tecnika Transportu Szynowego 3/1999, 4/000. [7] G l i n k a T., G r z e n i k R., K u l e s z B., M a ł o ń Z., S o b o t a J., Transformatory prostownikowe podstacji trakcyjnyc, Materiały V Konferecji MET001, Gdańsk 001. [8] K o r z y c k i E., Ś wią t e k H., Z y m m e r K., Nowe opracowania prostowników trakcyjnyc (PKP, metro, tramwaj). Zalety rozwiązań tecnicznyc, Materiały XI Konferencji SEMTRAK 004, Kraków Zakopane Kościelisko 004.