УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДО МЕСТА ОБРЫВА ИЗОЛИРОВАННОГО ПРОВОДА ТРЕХФАЗНОЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ НАПРЯЖЕНИЕМ СВЫШЕ 1000 В, РАСПОЛОЖЕННОЙ НА ОПОРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электрификации железных дорог, и может быть использовано при определении обрыва изолированных проводов трехфазных воздушных линий напряжения выше 1000 В и расстояния его от источника питания, при их расположении на опорах контактной сети переменного тока и подверженных электромагнитному влиянию со стороны тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ.
Известны различные способы (методы) определения места повреждения в электрических сетях и кабелях связи, которые разделяются на две группы: относительные, позволяющие приблизительно определить расстояние от места измерения до места повреждения (импульсный, колебательного разряда, волновой, петлевой, емкостной, высокочастотный), и абсолютные, указывающие место повреждения непосредственно на трассе (акустический, индукционный, индукционно-коммутационный, контактный и др.).
Известны технические решения по определению обрыва воздушного провода в сетях напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью принцип работы которых построен на возникновении напряжения и тока нулевых последовательностей. При обрыве изолированных проводов, нашедших применение в высоковольтных линиях напряжением выше 1000 В для питания нетяговых потребителей или питания автоблокировки, и последующем их падении на землю ток однофазного замыкания на землю не протекает. Напряжение нулевой последовательности у источника питания (в начале линии) при обрыве изолированного провода практически остается без изменения по сравнению с нормальным режимом работы системы электроснабжения нетяговых потребителей. Поэтому существующие устройства определения обрыва воздушных линий, работа которых основана на появлении напряжения нулевой последовательности у источника энергии, не фиксируют возникновения аварийного режима (Серов В.И., Шуцкий В.И., Ягудаев Б.М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. - М.: Наука, 1985. - 136 с.).
Известно устройство для определения обрыва изолированных проводов в сетях трехфазного переменного тока выше 1000 В. Оно состоит из фильтра напряжения нулевой последовательности, контрольного трансформатора, включенного между нулевой точкой фильтра и землей, резисторов, ограничивающих ток короткого замыкания в цепи высоковольтных симисторов, диодного выпрямителя, резистора, двух однофазных трансформаторов, электромагнитного реле с замедлением на притяжение и его замыкающего контакта (Косарев А.Б., Косарев Б.И. Основы электромагнитной безопасности систем электроснабжения железнодорожного транспорта. - М.: Интекст, 2008. - 480 с). В нормальном режиме работы трехфазной сети напряжение смещения нейтрали, как показывает практика эксплуатации ВЛ, несущественно. Напряжение на вторичных обмотках контрольного трансформатора мало, и симисторы заперты. Обрыв одного из проводов трехфазной сети вызывает появление напряжения нулевой последовательности в конце защищаемой линии. При этом напряжение нулевой последовательности обусловлено напряжением двух неповрежденных фаз и практически не зависит от сопротивления растеканию цепи провод - земля. Это напряжение нулевой последовательности существенно превышает напряжение смещения нейтрали при нормальной работе воздушной линии электропередачи. Под воздействием появившегося при обрыве провода напряжения нулевой последовательности через управляющие электроды высоковольтных симисторов протекают токи положительной полуволны. Симисторы открываются. Тем самым осуществляется двухфазное короткое замыкание в воздушной линии электропередачи. Ток двухфазного короткого замыкания ограничивается резисторами. Срабатывает максимальная токовая защита происходит отключение поврежденного участка линии.
Однако известное устройство не может быть использовано в тех случаях, если воздушная линия, в частности, воздушной линии 10 кВ, располагается на опорах контактной сети переменного тока, то есть в зонах электромагнитного влияния. Действительно, за счет электрического влияния напряжения контактной сети и магнитного влияния токов в проводах тяговой сети в воздушных проводах ВЛ возникают напряжения нулевой последовательности, существенно превышающие уровни напряжений нулевой последовательности, возникающих в линии при обрыве провода.
Известно устройство для снижения электромагнитного влияния электрифицированных дорог переменного тока на трехпроводные линии с изолированной нейтралью, принцип работы которого изложен в патенте РФ №2155679 на изобретение: «Устройство для снижения электромагнитного влияния электрифицированных дорог переменного тока на трехпроводные линии с изолированной нейтралью». Данное устройство снижает наведенное напряжение в линии. Однако при оперативной работе с линией, где наведенное напряжение выше критического значения, в случае изменения порядка включения линии и устройства сгорает существующий на линии измерительный трансформатор НТМИ автоматики контроля изоляции линии относительно земли (ЗЗП-1).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство автоматического контроля изоляции линии относительно земли и определения места замыкания фазы на землю в линиях с изолированной нейтралью, находящихся в условиях интенсивного воздействия электромагнитного поля контактной сети железных дорог, электрифицированных на переменном токе, содержащее контактную сеть с источниками переменного тока, высоковольтную линию с изолированной нейтралью, регулируемый источник, подающий в эту линию напряжение, компенсирующее наведенное напряжение от контактной сети, через фильтр нулевой последовательности, получая напряжение через фазорегулятор от датчика напряжения, а также автоматический выключатель подачи компенсирующего напряжения на регулируемый источник, при срабатывании которого измеряется ток пиковым амперметром и запоминается в запоминающем устройстве, и устройство согласования сигнала с системой телемеханики, по каналам которой сигнал поступает к диспетчеру и, одновременно с запоминающего устройства - в функциональный корректор, обрабатывающий полученный сигнал в величину расстояния от подстанции до места замыкания фазы на землю с учетом продольной неоднородности линии преобразующей его в сигнал, удобный для вывода информации на индикатор, показывающий расстояние от подстанции до замыкания фазы на землю (патент РФ №2372220 опубл. 30.11.2009 г).
Устройство работает следующим образом: получаемый сигнал от датчика напряжения сдвигается в блоке регулятора фазы, по фазе на угол 180° эл. по отношению к наведенному напряжению в линии, усиливается по амплитуде до необходимого уровня напряжения компенсации в регулируемом источнике и подается через фильтр нулевой последовательности в трехпроводную линию ВЛ СЦБ. В воздушной линии наведенное напряжение от контактной сети компенсируется напряжением от источника компенсации. Отрегулированная индуктивность регулируемого источника и естественные емкости линии относительно земли в режиме компенсации создают внутреннее сопротивление источника, практически равное бесконечности. При замыкании на воздушной линии естественная емкость линии шунтируется и образуется замкнутая цепь для источника компенсации: линия, место замыкания (близкого к нулю) и земля. Источник компенсации из разряда источника компенсирующего потенциала переходит в разряд источника напряжения, и по нему, и всему компенсирующему устройству начинает протекать ток, пропорциональный сопротивлению линии до места замыкания фазы на землю. Уровень тока, пропорциональный сопротивлению линии на момент «глухого» замыкания, через малое переходное сопротивление (сопротивление места замыкания близко к нулю) фиксируется пиковым амперметром, проходя через автоматический выключатель и затем запоминается в запоминающем устройстве. Автоматический выключатель отключает схему от питания, поступающего от датчика напряжения. При этом источник переходит в режим холостого хода и линия ВЛ СЦБ продолжает оставаться в работе, питая оборудование СЦБ. Далее с запоминающего устройства снимается сигнал для информации диспетчера через устройство согласования и систему телемеханики. Так же с запоминающего устройства сигнал поступает и на функциональный корректор. В функциональном корректоре полученная величина сигнала, пропорциональная величине сопротивления линии от подстанции до места замыкания фазы на землю, по заранее имеющейся программе для данной ВЛ СЦБ переводит величину сопротивления в величину расстояния от подстанции до места замыкания на землю, учитывая при этом продольную неоднородность линии (кабельные вставки, разные типы и диаметры проводов) с дальнейшим выводом на индикатор информации.
Устройство - прототип исключает аварийный режим и получение ложной информации, а также обеспечивает автоматический контроль за нарушением изоляции линии относительно земли, причем линия может работать в условиях воздействия сильного электромагнитного поля контактной сети переменного тока, за счет снижения воздействия электромагнитного поля на оборудование и линию, а также при замыкании фазы на землю, определить место (глухого) через малое переходное сопротивление замыкания фазы на землю. Однако, оно обладает рядом недостатков, а именно: оно очень сложное, а т.к. оно не полностью компенсирует воздействие электромагнитного поля контактной сети на воздушную цепь, то и точность определения места обрыва провода вызывает сомнение, поэтому требуется введение коррекции величины сигнала и специальной программы для конкретной сети. От точности определения места обрыва изолированных проводов воздушной линии зависит время, требуемое для устранения аварии.
Остановка движения даже по одному из путей железной дороги из-за повреждений или ложной работы устройств автоблокировок влечет за собой огромные экономические потери и напрямую связана с общей безопасностью движения на железнодорожном транспорте. Поэтому отыскание и устранение неисправности в линиях напряжением выше 1000 В, питающих устройства автоблокировок, должно быть произведено как можно быстрее. Сроки отыскания места обрыва и короткого замыкания и количество оперативных ремонтных бригад, принимающих участие в поисках, можно было бы значительно снизить, если еще до выезда ремонтных бригад на линию знать достаточно точно зону, где находится место короткого замыкания или обрыв провода. Это дало бы возможность выезжать одной бригаде в определенное место и в минимальные сроки устранять повреждение.
Технической задачей полезной модели является создание надежного и, относительно простого устройства для определения фазы в которой произошел обрыв провода воздушной линии напряжением выше 1000 В, а также расстояния до места оборвавшегося провода, позволяющего относительно быстро устранить аварийную ситуацию.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство для определения обрыва изолированного провода трехфазной воздушной линии напряжением выше 1000 В, расположенной на опорах контактной сети переменного тока, содержащее контактную сеть с источниками переменного тока, трехфазную высоковольтную воздушную линию, с изолированной нейтралью, автоматический переключатель, установленный в начале воздушной линии, соединенный с амперметром, выход которого соединен с искусственным заземлителем и запоминающим устройством, внесены изменения, а именно:,
- в него дополнительно в конце воздушной линии установлен автоматический переключатель и амперметр, соединенный с искусственным заземлителем;
- оба переключателя снабжены возможностью поочередного соединения с каждым из проводов трехфазной воздушной линии;
- выходы запоминающего устройства соединены с блоком сравнения токов, измеренных первым амперметром в каждой фазе воздушной линии,
- выходы блока сравнения соединены с входами дополнительного блока определения фазы с оборвавшемся проводом, а выходы с дополнителным входом запоминающего устройства и с автоматическим перключателем, установленным в конце воздушной линии;
- введен блок определения расстояния от источника питания до места обрыва провода выполненный в виде вычислительного устройства, входы которого соединены с выводами амперметра, установленного в конце воздушной линии и дополнительным выходом запоминающего устройства.
Для достижения технического результата используется одна из особенностей, присущая электрифицированным железным дорогам переменного тока и смежным линиям электропередачи, а именно то, что для электроснабжения автоблокировки сеть проходит близко от контактной сети, а иногда и на опорах последней. Однофазная контактная сеть оказывает сильное электромагнитное влияние на линию электропередачи, т.к. под действием электрического поля, создаваемого тяговой сетью, на провода воздушной линии наводится напряжения, соизмеримые по абсолютному значению с напряжением источника питания упомянутой линии. Через емкости между проводами контактной сети и воздушной линии происходит стекание токов с контактной сети в воздушную линию и далее через емкость между проводами воздушной линии и землей происходит стекание токов с воздушной линии в землю.
Причем значения емкостей зависят от геометрических и пространственных параметров линии (длина, расстояние от проводов линии до проводов контактной сети, высота подвеса линии и др.). Использование этого эффекта позволяет значительно упростить устройство. При обрыве провода линии, изменяется длина линии от источника питания, и, соответственно, изменяются значения емкостей между линией и землей до и после места обрыва в сравнении с емкостью неповрежденного провода.
Введение дополнительного переключателя и амперметра, соединенного с искусственным заземлителем позволяет подключить его к фазе, в которой обнаружен обрыв провода и измерить ток стекания на землю в конце воздушной линии.
Определение фазы с оборвавшемся проводом определяют путем попарного сравнения токов каждой фазы воздушной линии. Токи измеренные амперметром в начале воздушной линии запоминаются в запоминающем устройстве, а затем попарно поступает на элементы сравнения блока сравнения, причем в первом элементе сравниваются токи фазы А и В, во втором - В и С и третьем - С и А. Результаты сравнения анализируются в блоке определения фазы с оборвавшемся проводом, выполненым в виде логическогоэлемента И -ИЛИ..
В вычислительное устройство с выводов амперметра, установленного в конце воздушной линии поступают сигналы об измеренных токов в фазе в которой (ых) произошел обрыв, а из запоминающего устройства на другой вход вычислительного устройства поступают токи этой (их) фазы, измеренные амперметром в начале воздушной линии.
В вычислительном устройстве реализуется уравнение;
обр
где Х - расстояние от источника питания до точки обрыва;
Н
I - ток отекания в начале линии с оборвавшемся проводом;
К
I - ток отекания в конце линии с оборвавшемся проводом;
L - длина линии.
На фигуре 1 приведена электрическая схема устройства, реализующего заявляемую полезную модель.
На фигуре 1 показаны:
1 - трехфазная линия напряжением выше 1000 В с изолированной нейтралью, расположенная на опорах контактной сети переменного тока с полевой стороны, предназначенная для питания автоблокировки или нетяговых потребителей, отключенная от собственного источника питания;
2 - контактная сеть однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ;
3, 4 - источники питания контактной сети 25 кВ (тяговые обмотки трехфазных понижающих трансформаторов смежных тяговых подстанций переменного тока железных дорог);
5 - место обрыва провода трехфазной линии напряжением выше 1000 В;
6, 7 - автоматические переключатели, установленные в начале и конце линии соответственно;
8, 10 - амперметры, подключаемые попеременно к соответствующим фазам линии через автоматические переключатели 6 и 7 соответственно;
9, 11 - искусственные заземлители;
12 - вычислительный блок для определения расстояния до места обрыва, подключен к выходным зажимам амперметра 10 и выходу запоминающего устройства 13.
13 - запоминающее устройство значений токов, измеренных амперметром 8;
14 - блок сравнения токов соседних фаз;
15 - блок определения фазы оборвавшегося провода
Устройство работает следующим образом. При обрыве одного из проводов (фаз) трехфазной линии напряжением выше 1000 В (1), расположенной на опорах контактной сети переменного тока (2), происходит отключение этой линии от ее источников питания (трансформаторов СЦБ или районных обмоток трехфазных понижающих трансформаторов тяговых подстанций). За счет электрического влияния контактной сети (2), подключенной к источникам напряжением 25 кВ (3) и (4), с помощью автоматического переключателя (6) к каждой из фаз в начале поочередно подключается амперметр (8). Измеренные значения токов разных фаз с амперметра (8) поступает запоминаются в запоминающем устройстве (13), а затем попарно поступает на элементы сравнения блока сравнения (14), причем в первом элементе сравниваются токи фазы А и В, во втором - В и С и третьем - С и А. Результаты сравнения анализируются в блоке определения фазы с оборвавшемся проводом (15). После этого автоматический переключатель (7) подключает к поврежденной фазе в конце линии амперметр (10). Измеренные значения токов амперметром (10) поврежденной фазы поступают на вход вычислительного блока (12), на второй вход которого поступает из запоминающего устройства значение тока Этой же фазы, измеренного амперметром 8, установленном в начале воздушной линии. В вычислительном устройстве 12 выполняется расчет расстояния от начала линии до места обрыва провода линии (5).
Рассмотрим определение расстояние до места обрыва на конкретном примере трехфазной воздушной линии длиной 48 км напряжением 10 кВ, провода которой размещены в горизонтальной плоскости на опорах контактной сети напряжением 25 кВ, т.е. находятся под электромагнитным воздействием данной контактной сети. Значение емкости провод линии - земля составляет 7 нФ/км, между проводами линии - 1 нФ/км, между контактной сетью и землей - 12,5 нФ/км, между контактной сетью и проводами линии - 2 нФ/км. При обрыве провода фазы В линии происходит отключение линии от источников питания. Переключающее устройство (6) подключаются к фазе А в начале линии. Ток фазы А, измеренный датчиком тока (8) составит 1059,0 мА. Данное значение поступает в запоминающее устройство (13). Затем переключающее устройство (6) подключается к фазе В в начале линии. Ток фазы В, измеренный датчиком тока (8) составит 440,4 мА. Данное значение поступает в запоминающее устройство (13). Затем переключающее устройство (6) подключается к фазе С в начале линии; Ток фазы С, измеренный датчиком тока (8) составит 1059,0 мА. Данное значение поступает в запоминающее устройство (13). Далее из запоминающего устройства значения токов попарно поступают в блоке сравнения (14), где анализируются. В рассматриваемом случае в блок 15 поступят сигналы об отклонения с первых двух элементов, что указывает на наличие обрыва в фазе В. Сигнал с выхода блока 15 поступает на автоматический переключатель 7, который подключится к фазе В. Ток фазы В, измеренный амперметром (10), составит 627,3 мА. С амперметра 10 измеренное значение тока поступит на вход вычислительного устройства 12, на другой вход которого поступит сигнал из запоминающего устройства 13 от токе в фазе В, измеренным амперметром 8.
Таким образом, значения тока фазы В, измеренные амперметрами (8) и (10) поступают на вход вычислительного блока (12), в котором выполняется расчет расстояния от источника линии до места обрыва провода фазы В линии по формуле:
В результате происходит определение фазы оборвавшегося провода и расстояния от источника питания до места обрыва.
Полученный результат был сообщен ремонтной бригаде, выезжавшей для устранения аварии. Точность определения фактического расстояния до места обрыва составила порядка 250-300 м, т.е. менее 1,5%.
Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с известными методами расчета по напряжению и тока нулевой последовательности, с использованием различных корректирующих и программных устройств очевидна. Устройство просто по конструкции, обладает достоверностью, а вычисление не требует сложных дополнительных устройств и может быть выполнено самим оператором сети по показаниям приборов.
В настоящее время устройство проходит апробацию на Октябрьской железной дороге и после успешного окончания испытаний будет рекомендована для использования службам эксплуатации тяговых подстанций и электроснабжения железных дорог других регионов.