Стенд для расчета токов короткого замыкания межподстанционной зоны тяговой сети переменного тока
STAND FOR CALCULATION OF SHORT CIRCUIT CURRENTS OF INTER-SUBSTATION ZONE OF TRACTION AC NETWORK

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к системе электроснабжения тяговой сети переменного тока, а именно к разработке стенда для вычисления токов короткого замыкания в тяговой сети переменного тока межподстанционной зоны с двухсторонним питанием.
«Уровень техники»
В [1] предложена физическая модель электрической железной дороги, позволяющая определять токи короткого замыкания (КЗ) в тяговой сети. Недостаток модели: в ней смонтированы параметры конкретных шести линий 110 кВ (сопротивления, индуктивности и емкости) для питания трех тяговых подстанций и изменять схемы питания тяговых подстанций не представляется возможным.
В нормативных документах [2, 3] для вычисления параметров короткого замыкания предложена эквивалентная схема замещения межподстанционной зоны с двумя тяговыми подстанциями для формирования двухстороннего питания тяговой сети. В ней сопротивления тяговой подстанции представлены суммой сопротивлений понижающих трансформаторов и сопротивлений энергосистемы - системы внешнего электроснабжения (СВЭ). Как правило, при проектировании и в эксплуатации отсутствует схема системы внешнего электроснабжения и ее параметры, а информация по СВЭ от энергосистем ограничивается данными по мощности короткого замыкания на шинах 110 (220) кВ тяговых подстанций. Этим объясняется, что в [2, 3] предлагается параметры СВЭ определять по мощности КЗ на шинах тяговых подстанций. Таким образом, при построении стенда по данным сопротивлений всех элементов системы электроснабжения по [2 и 3] возможно рассчитывать токи КЗ для любых участков при заданных мощностях КЗ на шинах тяговых подстанций. Однако и в этом случае в связи с отсутствием точной схемы сетей внешнего электроснабжения (СВЭ) тяговых подстанций приходится принимать приближенную схему СВЭ при питании тяговых подстанций непосредственно линиями 110(220) кВ от источника питания СВЭ. В то же время, в действительности конечно имеется электрическая связь между этими линиями, которую в дальнейшим будем определять как узловое взаимное сопротивление узлов двух смежных тяговых подстанций.
В соответствие с прототипом [2, рис. 4.1] рассматриваем следующую исходную схему построения стенда (при этом следует учесть, что на рис. 4.1 прототипа сопротивления трансформатора и питающей линии объединены):
Z
AB
Стенд для расчета токов короткого замыкания межподстанционной зоны тяговой сети переменного тока, содержащий две тяговые подстанции А и В с сопротивлениями трансформаторов ZтA и ZтB напряжением 110/27,5 (220/27,5) для двухстороннего питания тяговой сети, которая при коротком замыкании представляет первую трехлучевую звезду сопротивлений, два луча которой ZтcA и ZтcB подключены к первым выводам сопротивлений трансформаторов ZтA и ZтB, вторые выводы которых подключены к первым выводам эквивалентных сопротивлений Z2 и Z3 питающих линий 110(220) кВ тяговых подстанций, а третий луч первой трехлучевой звезды включает эквивалентное сопротивление  цепи короткого замыкания.
Недостатки стенда по прототипу:
1) Отсутствие электрической связи двух смежных тяговых подстанций по сети СВЭ 110(220) кВ, что изменяет при коротком замыкании реальное токораспределение в тяговой сети;
2) Неопределенность в выборе расчетного напряжения на тяговых подстанциях, и поэтому в расчетах, как правило, напряжения на подстанциях принимают одинаковыми.
Эти недостатки приводят к методической погрешности расчета токов короткого замыкания в тяговой сети при двустороннем ее питании, то есть токи КЗ в тяговой сети по расчету будут, например 520А, а в действительности - 410A (пример взят из эксперимента на реальном участке), следовательно погрешность в этом случае по расчету токов КЗ в тяговой сети - 27%. Обычно погрешность с увеличением расстояния от источника питания может достигать 30-40%. В результате неправильно будет настроена и не будет срабатывать при коротких замыканиях релейная защита с непредсказуемыми негативными последствиями.
«Раскрытие изобретения»
Пути получения дополнительной информации по эквивалентной схеме внешнего электроснабжения тяговых подстанции.
Задача изобретения - повысить точность определения токов КЗ в тяговой сети с помощью стенда, для чего предлагается выполнить стенд по новой схеме в части системы внешнего электроснабжения с параметрами, определяемыми по дополнительной информации от энергосистемы.
Речь идет о питании от энергосистемы двух смежных тяговых подстанций, подключенных к тяговой сети, на которой произошло КЗ. Любая система внешнего электроснабжения питания двух тяговых подстанций может эквивалентироваться в трехлучевую звезду сопротивлений. Один луч с сопротивлением Z1 (взаимное узловое сопротивление) подключен к источнику питания, а два других луча Z2 и Z3 - к тяговым подстанциям.
Возможны два пути получения дополнительной информации по эквивалентным сопротивлениям в схеме замещения, которые далее будут использованы в стенде.
Z
Z
Z
Z
Z
Z
тсA
тсB
AB
1
2
3
1) Все параметры схемы замещения приведены к напряжению тяговой обмотки трансформатора - 27,5 кВ. Расчет сопротивлений ,  и  приведен в [2], покажем здесь метод расчета сопротивлений ,  и .
Z
Z1
1
В [4, 5] предложен способ экспериментального определения взаимного сопротивления  (Ом/фазу), суть которого состоит в том, что путем эксперимента на тяговых подстанциях измеряется отношение изменения напряжения на рассматриваемой тяговой подстанции при изменении нагрузки на смежной подстанции. Далее определяются сопротивления Z2 и Z3 (Ом на фазу), для этого нужно значение экспериментально найденного взаимного сопротивления  отнять от собственных значений сопротивлений, вычисленных по мощности КЗ на вводах в подстанцию:
S
S
cA
cB
где  и  - мощности короткого замыкания на шинах 110(220) кВ тяговых подстанций А и В;
Z22
Z33
и  - собственные сопротивления узлов шин 110(220) кВ тяговых подстанций А и В (здесь эти узлы обозначены - 2 и 3).
2) К сожалению, определить Z1, Z2, Z3 вышеуказанным методом можно только путем экспериментально определенного взаимного сопротивления Z1, что на стадии проектирования невозможно выполнить.
Поэтому предлагается другой путь определения параметров эквивалентных сопротивлений СВЭ Z1, Z2, Z3, состоящий в следующем.
Энергосистема, как обычно, выдает по двум смежным тяговым подстанциям данные по мощностям КЗ на вводах 110(220) кВ подстанций или токи КЗ или входные сопротивления. Дополнительно энергосистема должна дать еще один параметр: мощность КЗ (токи КЗ или входное сопротивление) при одновременном КЗ на вводах обеих подстанций, что выполнить достаточно просто.
Тогда при проектировании будут известны данные по искомым сопротивлениям (см. Примеры ниже)
где - Iк1 и Iк2 - токи КЗ вводов трансформаторов 110(220) кВ при КЗ отдельно на каждом трансформаторе подстанций А и В; Iк1д и Iк2д - токи КЗ вводов трансформаторов 110(220) кВ при КЗ одновременно на вводах двух указанных трансформаторов.
Для достижения вышеуказанной задачи изобретения предложен:
Z
Z
AB
AB
Стенд для расчета токов короткого замыкания межподстанционной зоны тяговой сети переменного тока, содержащий две тяговые подстанции А и В с сопротивлениями трансформаторов ZтA и ZтB напряжением 110/27,5 (220/27,5) для двухстороннего питания тяговой сети, которая при коротком замыкании (КЗ) представляет первую трехлучевую звезду сопротивлений, два луча которой ZтcA и ZтcB подключены к первым выводам сопротивлений трансформаторов ZтA и ZтB, вторые выводы которых подключены к первым выводам эквивалентных сопротивлений Z2 и Z3 питающих линий 110(220) кВ тяговых подстанций, а третий луч первой трехлучевой звезды включает эквивалентное сопротивление  цепи короткого замыкания, при этом он снабжен источником питания стенда Uo и узловым взаимным сопротивлением Z1 питающих линий 110(220) кВ второй трехлучевой звезды эквивалентных сопротивлений Z1, Z2, Z3, один вывод источника питания подключен к третьему лучу цепи короткого замыкания с эквивалентным сопротивлением  первой трехлучевой звезды сопротивлений, а другой вывод источника питания подключен к первому выводу узлового взаимного сопротивления Z1, второй вывод которого подключен к соединенным вторым выводам Z2 и Z3 питающих линий 110(220) кВ, причем эквивалентные сопротивления Z1, Z2, Z3 определены следующими математическими выражениями:
где - Iк1 и Iк2 - токи КЗ вводов трансформаторов 110(220) кВ при КЗ отдельно на каждом трансформаторе подстанций А и В; Iк1д и Iк2д - токи КЗ вводов трансформаторов 110(220) кВ при КЗ одновременно на вводах двух указанных трансформаторов.
Технический результат заявленного изобретения состоит в существенном снижении погрешности в вычислении токов короткого замыкания присоединений питающих линии контактной сети и, как результат, получение точных значений токов короткого замыкания питающих линий тяговых подстанций и постов секционирования, необходимых для качественной настройки и всестороннего анализа поведения релейной защиты.
«Краткое описание чертежей»
На Фиг. 1 представлена полученная схема стенда с эквивалентными параметрами сопротивлений элементов электроснабжения;
На Фиг. 2: опыт КЗ на вводе трансформатора ТПА;
На Фиг. 3: опыт КЗ на вводе трансформатора ТПВ;
На Фиг. 4: опыт КЗ одновременно на вводах трансформаторов ТПА и ТПВ.
«Осуществление изобретения»
На эквивалентной схеме замещения (рис. 1) приняты следующие обозначения:
U
Z
Z
Z
Z
Z
Z1
Z2
Z3
0
тA
тB
тсA
тсB
AB
- напряжение источника питания, В; ,  - сопротивления понижающих трансформаторов подстанций А и В, Ом; , ,  - эквивалентные сопротивления тяговой сети и ветвь эквивалентного сопротивления короткого замыкания. Ом; , ,  - эквивалентные сопротивления эквивалентной схемы замещения сети энергосистемы (СВЭ), Ом.
Z1
Z2
Z3
Вычисленные значения сопротивлений , ,  будут служить параметрами эквивалентной схемы сети энергосистемы и вводятся в стенд, как исходные данные. Естественно, что все параметры сопротивлений в стенде, и в частности, Z1 Z2 Z3 должны быть регулируемыми, так как при каждом расчете они изменяются в зависимости от параметров энергосистемы, тяговой сети и места КЗ.
Таким образом, предлагаемый стенд с рассматриваемыми параметрами сопротивлений по существу отличается от стенда по схеме замещения с сопротивлениями по расчету методом из нормативных документов [2, 3]:
1) добавлением в схему источника питания с напряжением Uo, 2) добавлением в схему узлового взаимного сопротивления Z1 и 3) введением значений сопротивлений Z1, Z2, Z3 по предлагаемым выражениям (3), (4), (5).
тA
тB
По полученным токам КЗ несложно определить напряжения на трансформаторах тяговых подстанций (на сопротивлениях Z и Z). В результате по расчетам на стенде получаются уточненные значения токов КЗ в тяговой сети и определяются уточненные значения напряжений на трансформаторах тяговых подстанций, в отличие от расчетов по нормативному методу [2, 3]. Другими словами, предлагаемый расчет токов КЗ на стенде является рабочим инструментом определения токов короткого замыкания в тяговой сети и расчета релейной защиты при проектировании, а также руководством к действию для эксплуатационного персонала при обслуживании систем электроснабжения железных дорог переменного тока. Как результат, после расчетов на стенде нет обязательного требования проверять токи КЗ при включении тяговой подстанции в работу после ее монтажа.
Примеры:
Для трех опытов КЗ представлены схемы трехфазных КЗ на вводах трансформаторов тяговых подстанций:
- Фиг. 2: опыт КЗ на вводе трансформатора ТПА;
- Фиг. 3: опыт КЗ на вводе трансформатора ТПВ;
- Фиг. 4: опыт КЗ одновременно на вводах трансформаторов ТПА и ТПВ.
При КЗ соединяются точки КЗ (показаны красным цветом) с шиной 0 источника питания.
тсA
тсB
Так как предполагается получить исходные данные к моменту проектирования электрифицированного участка, то на фиг. 2, 3, 4 тяговая сеть (то есть Z и Z) отсутствует.
По трем КЗ составлены уравнения электрического состояния цепи
где Iк1 и Iк2 - токи КЗ вводов при кЗ отдельно на каждом трансформаторе А и В;
Iк1д и Iк2д - токи КЗ вводов при КЗ одновременно на вводах двух трансформаторов.
Совместно решая уравнения, определим
Литература
1. Марквардт Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе электроснабжения. М.: Транспорт, 1972, 224 с.
2. Руководящие указания по релейной защите систем тягового электроснабжения. М.; «ТРАНСИЗДАТ», 2005, - 216 с.
3. СТО РЖД 07.021.4-2015 «Защита систем электроснабжения железной дороги от коротких замыканий и перегрузки. Часть 4. Методика выбора уставок защит в системе тягового электроснабжения переменного тока»;
4. Герман Л.А., Кишкурно К.В. Сравнение методов расчета системы тягового электроснабжения при разных способах учета параметров внешней сети / Вестник ВНИИЖТ, 2013. №1. С. 16-21.
5. Патент №23967077. Способ определения узлового взаимного сопротивления в тяговой сети железных дорог. Герман Л.А. Опубл. 20.08.2001.