Способ определения удаленности места повреждения контактной сети (варианты)
METHOD OF DETERMINING DISTANCE TO CATENARY SYSTEM FAILURE POINT (VERSIONS)

Вариант 1.
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на участках с числом путей два и более для определения удаленности короткого замыкания в контактной сети при двухстороннем питании.
3
ф
ш
Известен способ определения удаленности  места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в А.С. СССР 161410, Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока / Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я., МКИ G01R, B60M. Заявл. 16.07.1962, №787278/24-7, опубл. 19.03.1964, Бюл. №7. В этом способе в момент короткого замыкания измеряют ток I присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, напряжение U на шинах тяговой подстанции и определяют расстояние  до места повреждения по формуле:
,
тс
где z - сопротивление 1 км тяговой сети.
Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная погрешностями из-за наличия в месте короткого замыкания переходного сопротивления, а также не соблюдения указанного равенства на двух- и многопутных участках (Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. Ч. 2 3-е изд. перераб. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. 604 с. С. 570-579).
A
B
A
B
A
B
1
к
к
A
Известен способ двухстороннего измерения токов в тяговой сети (Патент RU 2160673. Определитель места повреждения контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л., МПК 7 ВМ 1/00. Заявл. 01.06.1998, №98110428/28, опубл. 20.12.2000, Бюл. №35), при котором измеряют токи I и I, напряжения U и U, фазовые углы между этими напряжениями и токами ϕ и ϕ на смежных тяговых подстанциях соответственно А и В, а также ток , и его фазовый угол ϕ на присоединении к подстанции А, питающем контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, вычисляют по приведенным формулам значения тока I в месте короткого замыкания, углов α и ψ и определяют расстояние  до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
,
где  - расстояние от тяговой подстанции А до ближайшей узловой точки на контактной сети.
Недостатком способа является ограниченная область применения только для двухпутных участков, а также сложность (большой объем) вычислений.
A
B
Известен способ, принятый в качестве прототипа, двухстороннего измерения токов в тяговой сети при коротком замыкании (Патент RU 2177417. Определитель места повреждения тяговой сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л., МПК 7 ВМ 1/00. Заявл. 01.06.1998, №98110414/28, опубл. 27.12.2001, Бюл. №36), при котором измеряют токи I и I на смежных тяговых подстанциях, питающих межподстанционную зону с коротким замыканием, а также ток  на присоединении подстанции А, питающем контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
,
в котором:
- расстояние от подстанции А до узловой точки (пункта параллельного соединения или, при его отсутствии, до поста секционирования ПС);
с - поправочный коэффициент.
Недостатком этого способа является ограниченная область применения только для двухпутных участков и низкая точность из-за неопределенности подбора переменного значения поправочного коэффициента «с» для каждой конкретной межподстанционной зоны и каждого значения .
Техническим результатом является расширение области применения на многопутные участки с числом электрифицированных путей два и более и повышение точности.
A
B
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания измеряют токи I и I на смежных тяговых подстанциях соответственно А и В, питающих контактную сеть межподстанционной зоны с коротким замыканием, и значение тока  присоединения на тяговой подстанции А, питающего в этой зоне неповрежденную контактную сеть любого другого пути, и определяют расстояние расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
где n - число включенных на подстанции А присоединений контактной сети электрифицированных путей в межподстанционной зоне между тяговыми подстанциями А и В;
- расстояние от тяговой подстанции А до ближайшей узловой точки на контактной сети (т.е. до пункта параллельного соединения или, при его отсутствии, до поста секционирования ПС).
1,i
Причем в числителе формулы (1) принимают знак «плюс» при направлении тока I от шин подстанции А в контактную сеть и знак «минус» при направлении этого тока из контактной сети к шинам подстанции А.
1,i
A
A
A
1,i
При этом направление тока I определяют путем сравнения абсолютных значений токов I и . Если значение тока I больше значения тока , то направление тока  принимают от шин подстанции А в контактную сеть. Если значение тока I меньше или равно значению тока , то направление тока I принимают из контактной сети к шинам подстанции А.
1,i
Новыми признаками способа являются измерение дополнительно значения тока I и определение его направления, а также новая формула для определения удаленности места повреждения.
Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.
Вариант 2.
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на многопутных участках для определения удаленности места повреждения контактной сети, сопровождающемся коротким замыканием, при двухстороннем питании.
3
ф
m
Известен способ определения удаленности  места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в А.С. СССР 161410, Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока / Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я., МКИ G01R, B60M. Заявл. 16.07.1962, №787278/24-7, опубл. 19.03.1964 Бюл. №7. В этом способе в момент короткого замыкания измеряют ток I присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, напряжение U на шинах тяговой подстанции и определяет расстояние  до места повреждения по формуле:
,
тс
где z - сопротивление 1 км тяговой сети.
Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная погрешностями из-за наличия в месте короткого замыкания переходного сопротивления, а также не соблюдения указанного равенства на двух- и многопутных участках (Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. Ч. 2 3-е изд. перераб. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. 604 с. С. 570-579).
A
B
A
B
Ф
B
1
к
к
A
Известен способ двухстороннего измерения токов в тяговой сети (Патент RU 2160673. Определитель места повреждения контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л., МПК 7 ВМ 1/00. Заявл. 01.06.1998, №98110428/28, опубл. 20.12.2000, Бюл. №35), при котором измеряют токи I и I, напряжения U и U, фазовые углы между этими напряжениями и токами ϕ и ϕ на смежных тяговых подстанциях соответственно А и В, а также ток ,и его фазовый угол ϕ, на присоединении к подстанции А, питающем контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, вычисляют по приведенным формулам значения тока I в месте короткого замыкания, углов α и ψ и определяют расстояние  до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
,
где  - расстояние от тяговой подстанции А до ближайшей узловой точки на контактной сети.
Недостатком способа является ограниченная область применения только для двухпутных участков, а также сложность (большой объем) вычислений.
A
B
Известен способ, принятый в качестве прототипа, двухстороннего измерения токов в тяговой сети при коротком замыкании (Патент RU 2177417. Определитель места повреждения тяговой сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л., МПК 7 ВМ 1/00. Заявл. 01.06.1998, №98110414/28, опубл. 27.12.2001, Бюл. №36), при котором измеряют токи I и I на смежных тяговых подстанциях, питающих межподстанционную зону с коротким замыканием, а также ток  на присоединении подстанции А, питающем контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
,
в котором:
- расстояние от подстанции А до узловой точки (пункта параллельного соединения или, при его отсутствии, до поста секционирования ПС);
с - поправочный коэффициент.
Недостатком этого способа является ограниченная область применения только для двухпутных участков и низкая точность из-за неопределенности подбора переменного значения поправочного коэффициента «с» для каждой конкретной межподстанционной зоны и каждого значения .
Техническим результатом является расширение области применения на многопутные участки с числом электрифицированных путей два и более и повышение точности.
A
B
1,i
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания измеряют токи I и I на смежных тяговых подстанциях соответственно А и В, питающих межподстанционную зону с коротким замыканием, и значения тока  присоединения тяговой подстанции А, питающего контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, отличающийся тем, что дополнительно определяют направление и измеряют значение тока I присоединения на тяговой подстанции А, питающего в этой межподстанционной зоне неповрежденную контактную сеть любого другого пути, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
где n - число включенных на тяговой подстанции А присоединений контактной сети электрифицированных путей в межподстанционной зоне между тяговыми подстанциями А и В;
- расстояние от тяговой подстанции А до ближайшей узловой точки на контактной сети (т.е. до пункта параллельного соединения или, при его отсутствии, до поста секционирования ПС);
к
A
B
I - значение тока, протекающего через место короткого замыкания, равное сумме токов I и I.
1,i
Причем в числителе формулы (2) принимают знак «минус» при направлении тока I от шин тяговой подстанции А в контактную сеть и знак «плюс» при направлении этого тока из контактной сети к шинам подстанции А.
1,i
A
A
1,i
A
1,i
При этом направление тока I определяют путем сравнения абсолютных значений токов I и . Если значение тока I больше значения тока , то направление тока I принимают от шин тяговой подстанции А в контактную сеть. Если значение тока I меньше или равно значению тока , то направление тока I принимают из контактной сети к шинам тяговой подстанции А.
1,i
Новыми признаками способа являются измерение дополнительно значения тока I и определение его направления, а также новая формула для определения удаленности места повреждения.
Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.
Новым признаком способа является новая формула для определения расстояния (удаленности) . Предложенный способ имеет более широкую область применения, т.к. пригоден не только для двухпутных участков, но и для любого числа путей более одного. Его точность выше, поскольку не требуется вводить поправочные коэффициенты.
Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.
Вариант 3.
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на многопутных участках для определения удаленности места повреждения контактной сети, сопровождающемся коротким замыканием, при двухстороннем питании.
3
ф
m
Известен способ определения удаленности  места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в А.С. СССР 161410, Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока / Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я., МКИ G01Rr, B60M. Заявл. 16.07.1962, №787278/24-7, опубл. 19.03.1964, Бюл. №7. В этом способе в момент короткого замыкания измеряют ток I присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, напряжение U на шинах тяговой подстанции и определяет расстояние  до места повреждения по формуле:
,
тс
где z - сопротивление 1 км тяговой сети.
Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная погрешностями из-за наличия в месте короткого замыкания переходного сопротивления, а также не соблюдения указанного равенства на двух- и многопутных участках (Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. 4.2 3-е изд. перераб. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. 604 с. С. 570-579).
A
B
A
B
A
B
1
к
к
A
Известен способ двухстороннего измерения токов в тяговой сети (Патент RU 2160673. Определитель места повреждения контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л., МПК 7 ВМ 1/00. Заявл. 01.06.1998, №98110428/28, опубл. 20.12.2000. Бюл. №35), при котором измеряют токи I и I, напряжения U и U, фазовые углы между этими напряжениями и токами ϕ и ϕ на смежных тяговых подстанциях соответственно А и В, а также ток , и его фазовый угол ϕ, на присоединении к подстанции А, питающем контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, вычисляют по приведенным формулам значения тока I в месте короткого замыкания, углов α и ψ и определяют расстояние  до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
,
где  - расстояние от тяговой подстанции А до ближайшей узловой точки на контактной сети.
Недостатком способа является ограниченная область применения только для двухпутных участков, а также сложность (большой объем) вычислений.
A
B
Известен способ, принятый в качестве прототипа, двухстороннего измерения токов в тяговой сети при коротком замыкании (Патент RU 2177417. Определитель места повреждения тяговой сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л., МПК 7 ВМ 1/00. Заявл. 01.06.1998, №98110414/28, опубл. 27.12.2001, Бюл. №36), при котором измеряют токи I и I на смежных тяговых подстанциях, питающих межподстанционную зону с коротким замыканием, а также ток  на присоединении подстанции А, питающем контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
,
в котором:
- расстояние от подстанции А до узловой точки (пункта параллельного соединения или, при его отсутствии, до поста секционирования ПС);
с - поправочный коэффициент.
Недостатком этого способа является ограниченная область применения только для двухпутных участков и низкая точность из-за неопределенности подбора переменного значения поправочного коэффициента «с» для каждой конкретной межподстанционной зоны и каждого значения .
Техническим результатом является расширение области применения на многопутные участки с числом электрифицированных путей два и более и повышение точности.
A
B
1,i
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания измеряют токи I и I на смежных тяговых подстанциях соответственно А и В, питающих межподстанционную зону с коротким замыканием, и значением тока  присоединения тяговой подстанции А, питающего контактную сеть того пути, на котором произошло короткое замыкание, отличающийся тем, что дополнительно определяют направление и измеряют значение тока I присоединения на тяговой подстанции А, питающего в этой межподстанционной зоне неповрежденную контактную сеть любого другого пути, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения:
где  - расстояние от тяговой подстанции А до ближайшей узловой точки на контактной сети (т.е. до пункта параллельного соединения или, при его отсутствии, до поста секционирования ПС);
1,i
Причем в числителе формулы (3) принимают знак «минус» при направлении тока I от шин тяговой подстанции А в контактную сеть и знак «плюс» при направлении этого тока из контактной сети к шинам подстанции А.
1,i
A
A
1,i
A
1,i
При этом направление тока I определяют путем сравнения абсолютных значений токов I и . Если значение тока I больше значения тока , то направление тока I принимают от шин тяговой подстанции А в контактную сеть. Если значение тока I меньше или равно значению тока , то направление тока I принимают из контактной сети к шинам тяговой подстанции А.
1,i
Новыми признаками способа являются измерение дополнительно значения тока I и определение его направления, а также новая формула для определения удаленности места повреждения.
Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.
Обоснование вариантов способа.
Обоснование основано на известных схеме питания, приведенной на фиг. 1, а, и индуктивно развязанной ее схеме замещения, приведенной на фиг. 1, б (Фигурнов Е.П. Сопротивление электротяговой сети однофазного переменного тока. Электричество, 1997, №5. - С, 23-29). На схеме замещения обозначены:
,  - сопротивление и ток контактной сети первого пути на участке  от шин тяговой подстанции А до точки короткого замыкания К;
,  - сопротивление и ток контактной сети первого пути на участке  от точки короткого замыкания К до поста секционирования ПС;
1,2
1,2
Z, I - сопротивление и ток второго пути на участке  от шин подстанции А до поста секционирования ПС;
1,3
1,3
Z, I - то же третьего пути;
q
I - суммарный ток на тяговой подстанции А присоединений контактной сети всех тех электрифицированных путей на участке , на которых короткого замыкания нет.
Короткое замыкание расположено на первом пути участка  в точке К. Контактная сеть на всех путях одинакова. На фиг. 1 показана контактная сеть трехпутного участка.
Для обозначенных сопротивлений имеют место соотношения:
, , , ,
1
где z - индуктивно развязанное сопротивление 1 км контактной сети одного пути многопутного участка, Ом/км.
Для приведенной схемы между точками «a» и «b» на основании законов Кирхгофа имеем:
1,i
где I - ток контактной сети любого из путей на участке , на котором нет короткого замыкания;
n - число включенных на тяговой подстанции А присоединений контактной сети электрифицированных путей в межподстанционной зоне между тяговыми подстанциями А и В.
Используя выражения (5) и (6) получим:
Определив из (4)  и подставляя в формулу (9) выражение (7), получим с учетом (6):
A
Аргументы (фазовые углы) векторов , ,  необходимо отсчитывать от одной оси. Расчеты показывают, что аргументы токов I и  отличаются не более, чем на 1-2 градуса. При таком малом различии их можно считать одинаковыми. В этом случае из (10) получаем:
,
A
B
где I, I,  - модули комплексов , , ;
A
B
_
ϕ, ϕ аргументы этих комплексов;
к
A
B
ϕ - аргумент суммы комплексов I и I.
Заменяя показательную (экспоненциальную) форму комплексов на Фонометрическую их форму, получим:
к
A
к
А
к
B
A
Поскольку расстояние  вещественно по определению, то мнимая часть выражения (11) равна нулю. Расчетами, кроме того, установлено, что аргументы ϕ и ϕ отличаются совершенно незначительно (единицы градусов) и можно принять ϕ=ϕ. В этом случае мнимая часть выражения (11) будет равна нулю при ϕ=ϕ=ϕ. Кроме того .
к
А
к
B
Подставив ϕ=ϕ и ϕ=ϕ в выражение (11) получим:
Подставляя в (12) выражение (8) получим формулу (1), входящую в п. 1 формулы изобретения.
A
A
Подставляя в (12) выражение (8) и добавляя в числитель слагаемое I-I, получим формулу (2), входящую в п. 2 формулы изобретения.
A
A
Подставляя в (12) выражение (8), добавляя в числитель слагаемое I-I и приняв из (8) , получаем формулу (3) входящую в п. 3 формулы изобретения.