Уровни напряженностей магнитных полей от высших гармонических составляющих выпрямленного тока

Полупроводниковые преобразователи тяговых подстанций постоянного тока относятся к классу электроустановок, имеющих нелинейную вольт-амперную характеристику. Нелинейные нагрузки потребляют из сети несинусоидальный ток, который можно представить как сумму синусоидальных составляющих, называемых гармониками.

В ряде работ [1–7] показано, что каждой высшей гармонике выпрямленного напряжения порядка k = m ⋅ l в переменном токе преобразователя соответствуют две высшие гармоники с порядковыми номерами k = m ⋅l±1 , (1) где m – число пульсаций кривой выпрямленного напряжения; l = 0, 1, 2, 3… ряд натуральных чисел.

Для учета воздействия на электротехнический персонал магнитного поля токов выпрямительного преобразователя рассмотрим первичный ток 6-пульсового выпрямителя. При идеально сглаженном выпрямленном токе (Xd = ∞) и мгновенной коммутации вентилей (Xа =0) кривая выпрямленного первичного тока имеет прямоугольную либо ступенчатую форму. Для вышеуказанных условий амплитуда k-й гармоники первичного тока при 6-пульсовых (12- и 24-пульсовых) преобразователях равна [5]:

I =²V 3 ⋅ I d ^k π⋅ k _T ⋅ k

.

Из формулы следует, что снижению уровня и состава высших гармонических составляющих в первичном токе и в питающих сетях способствует применение на тяговых подстанциях многопульсовых преобразователей (табл. 1).

Таблица 1

Спектр высших гармонических составляющих в кривой выпрямленного тока

Схема выпрямления	50 Гц	250 Гц	350 Гц	550 Гц	650 Гц	850 Гц	950 Гц	1150 Гц	1250 Гц
	k = 1	k = 5	k = 7	k = 11	k = 13	k = 17	k = 19	k = 23	k = 25
6-пульсовые	+	+	+	+	+	+	+	+	+
12-пульсовые	+	–	–	+	+	–	–	+	+
24-пульсовые	+	–	–	–	–	–	–	+	+

Примечание: (+) частота присутствует, (–) частота отсутствует.

Можно сделать вывод, что у 12-пульсовых преобразователей в кривой первичного выпрямленного тока помимо основной гармоники с частотой 50 Гц присутствуют высшие гармонические составляющие выпрямленного тока с частотами, начиная с одиннадцатой (11; 13; 23; 25 и т. д.), а у 24-пульсовых преобразователей в кривой первичного выпрямленного тока помимо основной гармоники с частотой 50 Гц присутствуют высшие гармонические составляющие с частотами, начиная с двадцать третьей (23; 25 и т. д.). Значение заданного максимального выпрямленного тока подстанции I d ТП определяется по формуле:

P _T I d TП =      ,

U d н

где U_{d н} – номинальное выпрямленное напряжение на шинах подстанций (3,3 кВ); Р _Т – заданное значение мощности на тягу поездов (до 12 700 кВт).

Расчет магнитного поля длинных разноименных заряженных параллельных осей без учета потенциала земли

Для бесконечно длинных проводов с противоположно направленными токами величина напряженности магнитного поля может быть определена из выражения для векторного потенциала А этого поля в соответствии с рисунком.

Окружающая среда – воздух. Поместим начало координат в точку 0, находящуюся посредине линии, соединяющей центры проводов. Полная величина скалярного магнитного потенциала в точке М :

ϕ _м = ^I β ₁ + ^I β ₂ + const.                 (4)

2π    2π

Вектор магнитной индукции в точке М найдем из подобия треугольников:

В = 2 h ;

В ₁ ρ ₂

I ⋅ 2 h

В = µ _o           ;

2π⋅ρ1⋅ρ2

В = I ⋅h µо π⋅ρ1 ⋅ρ2

Результаты расчета переменных токов высших гармонических составляющих при 6-пуль-совом выпрямителе для следующих условий: I_d = 3150 А (ток); 2 h = 2 м (расстояние между осями проводов); ρ 1 и ρ 2 – это расстояния от осей проводов до точки М , равные соответственно 2,34 и 1,77 м; B 1 , B 2 , B – вектора магнитной индукции; высота подвеса проводов k = 3,5 м; расстояние от земли до точки М n = 1,8 м, приведены в табл. 2.

Из табл. 2 можно сделать вывод, что на рабочем месте электротехнического персонала, обслуживающего электроустановки распределительного устройства 3,3 кВ (РУ-3,3 кВ), присутствует спектр частот от 50 до 1250 Гц. Нормируются предельно допустимые уровни напряженности магнитного поля только для частоты 50 Гц, при сравнении полученных максимальных уровней магнитных полей (МП) 50 Гц (85 А/м) с предельно допустимым уровнем (ПДУ) [8] наблюдается небольшое превышение 80 А/м. Одной из важных особенностей мощных выпрямительных установок являются достаточно низкие напряженности электрических полей, включая от гармонического ряда напряжений. С другой стороны, величина напряженностей магнитного поля таких установок превышает нормируемые значения для частоты 50 Гц и содержит ряд напряженностей гармонических составляющих выпрямленного тока высокого уровня, который может представлять угрозу здоровью персонала.

Актуальным в настоящее время является работа по нормированию предельно допустимых уровней напряженности магнитного поля для спектра частот от 50 Гц до 10 000 Гц. Необходимо

Магнитное поле длинных разноименных заряженных параллельных осей без учета потенциала земли

Таблица 2

Расчетные значения переменных токов высших гармонических составляющих максимального выпрямленного тока (3150 А)

k \ f, Гц Iк, А              \ Н, А/м         \ ПДУ Н, А/м в РФ (8 ч) Машинный зал тяговой подстанции 1 50 1100 85 80 5 250 220 17 Не нормируется 7 350 157 12 11 550 100 8 13 650 85 7 17 850 65 5 19 950 58 4 23 1150 48 4 25 1250 44 3 автоматически контролировать продолжительность нахождения электротехнического персонала вблизи выпрямительных установок и в необходимых случаях сокращать до безопасного времени нахождения его вблизи электроустановки с помощью применения на рабочих местах индивидуальных и стационарных сигнальных устройств [9] о превышении ПДУ МП. Осуществлять разработку организационно-технических мероприятий, в качестве которых необходимо применять защиту расстоянием, временем, изоляцией от неионизирующего магнитного поля. Требуется разработка методики оценки вредного воздействия микс МП данного диапазона частот при наличии магнитного поля постоянного и переменного тока разной частоты и длительности.

Заключение

Негативное индуктивное влияние высших гармонических составляющих переменного тока до последнего времени оценивалось на работу промышленных систем автоматики, телемеханики и связи. Выпрямленный ток выпрямительного преобразователя обладает спектром высших синусоидальных электрических токов, напряженности магнитных полей которых могут оказывать вредное воздействие на персонал, что до настоящего времени как научная проблема в России и за рубежом не рассматривалась. Выше показано, что уровень напряженностей магнитного поля от переменных гармонических составляющих выпрямленного тока выпрямительного преобразователя может оказывать вредное воздействие на электротехнический персонал тягового электроснабжения.

В работе показано, что в тяговых электрических сетях железнодорожного транспорта, в частности, при применении 6-пульсовых выпрямительных преобразователей, при реализуемой мощности электрических локомотивов электрической тяги в окружающем пространстве создаются напряженности магнитных полей, которые могут превышать нормируемые уровни для отдельных частот гармонических составляющих.