АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ФИДЕРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
CONTROL AND PROTECTION EQUIPMENT FOR DIRECT CURRENT FEEDER

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам релейной защиты тяговых сетей постоянного тока от токов короткого замыкания, и может быть использовано для защиты и автоматизации тяговых постоянного тока.
Известно устройство - микропроцессорная аппаратура защиты тяговых сетей метрополитена АЗМ2 (Макаров А.Г., Антимиров В.М. Внедрение и опыт эксплуатации микропроцессорной защиты фидеров постоянного тока 825 В на Московском метрополитене. Журнал «Метро и тоннели». 2004, №6, с.27), содержащее два конструктивно независимых блока измерения и управления. Блок измерения известной аппаратуры содержит блоки предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, выходы которых соединены с входами блоков преобразования аналоговых сигналов в частотные, выходы которых соединены с входами блоков оптоволоконных линий связи, обеспечивающих гальваническую изоляцию, выходы которых в свою очередь соединены с входом интерфейсного блока, обеспечивающего передачу информации в блок управления. Блок управления включает блок питания устройства, вычислительный узел, содержащий микропроцессор, блок часов реального времени, записывающее устройство, блок сопряжения с последовательным каналом связи с аппаратурой тяговой подстанции, а также узел формирования в соответствии с алгоритмами защиты релейной команды на быстродействующий выключатель.
Достоинствами данного устройства является простота технических решений, хорошее структурное распределение функций между двумя конструктивно независимыми блоками управления и измерения, использование прямого метода измерения с токового измерительного шунта, находящегося под высоким потенциалом, возможность отключения быстродействующего выключателя, а также обеспечение работы обслуживающего персонала с блоком управления без снятия напряжения с фидера и остановки движения транспорта.
Недостатком данного устройства является отсутствие в блоке измерения интеллектуального микроконтроллера, позволяющего обеспечить помехозащищенное кодирование в линии передачи информации между блоком измерения и блоком контроллера, а также отсутствие в устройстве функций автоматического управления оборудованием распределительного устройства.
Известен универсальный измеритель для тяговых подстанций и электроподвижного состава метрополитенов (патент РФ на полезную модель №43977, МПК G01R 29/00, опубл. 10.02.2005), а также известно устройство микропроцессорной защиты фидеров тяговой сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3 (Гречишников В.А., Пупынин В.Н. Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 3,3 кВ. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2004, №1, с.29-34, рис.2).
Оба устройства имеют идентичную реализацию каналов высоковольтного измерительного узла, но устройство микропроцессорной защиты и управления фидеров тяговой сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3 по функциональности является наиболее близким к заявленной аппаратуре управления и защиты и выбрано в качестве прототипа.
Известное устройство содержит установленные в силовой шине быстродействующий выключатель и измерительный шунт, высоковольтный узел измерения (ВВУ), низковольтный узел управления (НВУ) и блок гальванической развязки. Высоковольтный узел, непосредственно подключенный к тяговой шине и находящийся под высоким напряжением, обеспечивает измерение и первичную обработку параметров. Информация, обработанная микропроцессором, входящим в состав высоковольтного узла, через блок гальванически развязки, обеспечивающий двусторонний обмен информацией между ВВУ и НВУ и передачу энергии от НВУ к ВВУ для питания последнего, передается в микропроцессор низковольтного узла. В низковольтном узле находится блок питания, блоки управления коммутационным оборудованием, интерфейсы с персональным компьютером и системой телемеханики, блок реализации команды на отключение быстродействующего выключателя. Органы управления и клавиатура, также входящие в состав низковольтного узла, конструктивно вынесены в отдельный блок.
Достоинством прототипа является широкий набор функциональных возможностей. Однако при работе данного устройства в условиях реальной подстанции при воздействии внешних электромагнитных полей характерны зависания микроконтроллера (Гречишников В.А., Пупынин В.Н. Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 3,3 кВ. ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность, 2004, №1, с.33). Парирование возникающих последствий производится добавлением внешнего сторожевого таймера, обеспечивающего аппаратный перезапуск (сброс) микроконтроллера. Данное техническое решение основывается на допущении, что в подавляющем большинстве случаев зависание микроконтроллера ВВУ происходит в момент отключения быстродействующим выключателем короткого замыкания, когда влияние электромагнитных помех наиболее интенсивно, но когда устройство свою основную функцию уже выполнило (то есть подало сигнал на отключение выключателя). Таким образом, реализованное решение является борьбой со следствием, а не с причиной, и не обеспечивает надежность работы аппаратуры в остальных случаях, когда зависание происходит в другие моменты времени, например при отключении быстродействующим выключателем короткого замыкания в соседней ячейке.
Задача изобретения - повышение надежности, уменьшение габаритов и расширение функциональных возможностей аппаратуры управления и защиты.
Поставленная задача достигается за счет того, что в аппаратуре управления и защиты фидера постоянного тока, содержащей быстродействующий выключатель и измерительный шунт, установленные в силовой шине, высоковольтный блок измерения и низковольтный блок управления, высоковольтный блок измерения содержит высоковольтную часть, включающую два преобразователя напряжения в частоту, причем вход первого преобразователя подключен к измерительному шунту, установленному в силовую шину, а вход второго преобразователя подключен к нормированному резистору делителя, и низковольтную часть, включающую микропроцессор, вход которого через оптоволоконные линии соединен с выходами преобразователей в высоковольтной части, а вход-выход через блок двунаправленных приемо-передатчиков магистрального интерфейса соединен с входом-выходом низковольтного блока управления, который основным управляющим выходом подключен к быстродействующему выключателю, при этом дополнительные выходы-выходы низковольтного блока управления являются входами-выходами аппаратуры для связи с оборудованием подстанции или пультом оператора.
В аппаратуре высоковольтный блок измерения может содержать источник питания, выполненный на основе высоковольтного трансформатора, залитого компаундом, вход которого соединен с выходом вторичного напряжения питания низковольтного блока управления, а выходы являются входами питания высоковольтного блока измерения, а также управляемый преобразователь напряжения в частоту, содержащий блок управления коэффициентом чувствительности и последовательно соединенных нормирующего усилителя, формирователя частоты, оптоволоконного передатчика, при этом вход блока управления коэффициентом чувствительности подключен через оптический канал связи к выходу микропроцессора, расположенного на низковольтной части высоковольтного блока измерения, а выход блока управления коэффициентом чувствительности соединен с входом нормирующего усилителя.
Кроме того, аппаратура может содержать дополнительный высоковольтный блок измерения, измерительные входы которого подключены к силовой шине параллельно с контактами быстродействующего выключателя, вход питания подключен к выходу низковольтного блока управления, а вход-выход магистрального интерфейса соединен с входом-выходом низковольтного блока управления, а также второй дополнительный быстродействующий выключатель, включенный последовательно с первым в силовую шину, а также два дополнительных высоковольтных блока измерения, измерительные входы каждого из которых подключены к силовой шине параллельно с контактами соответствующего быстродействующего выключателя, входы питания которых подключены к выходу низковольтного блока управления, а входы-выходы магистрального интерфейса соединены с входом-выходом низковольтного блока управления.
Низковольтный блок управления аппаратуры может содержать узел самоконтроля и диагностики, вход которого подключен к входам-выходам аппаратуры, а выходы подключены к входу микропроцессора, подключенного через первый приемопередатчик к высоковольтному блоку измерения, через второй приемопередатчик - к автоматике подстанции, первыми, вторыми, третьими выходами и входами-выходами соответственно к дисплею, формирователю релейных команд и клавиатуре.
Формирователь релейных команд может дополнительно содержать формирователь главной команды, включающий реле с нормально замкнутыми контактами, параллельно которым установлен конденсатор, при этом входы контактов являются основными входами формирователя главной команды, управляющие входы которого являются входами катушки реле.
При этом формирователь главной команды может дополнительно содержать последовательно соединенные регистр команд, усилители и n-штук реле, выходы которых являются выходами формирователя главной команды.
Источник питания аппаратуры может включать конвертер и две цепи, в каждой из которых установлены последовательно соединенные блок фильтров, входы которого являются входом источника, а выходы конвертера через последовательно соединенные резистор и диод объединены на общий выход.
Блок фильтров может содержать диод, установленный в положительную шину, при этом его выход образует общую точку с первыми выводами двух высокочастотных конденсаторов, вторые выводы которых подключены к земляной шине, а к средней точке первым выводом совместно с резистором подключен входной конденсатор, второй вывод которого подключен к отрицательной шине, а второй вывод резистора является положительным выходом блока, между которым и отрицательным выходом включен выходной конденсатор, а входной конденсатор включен между средней точкой и отрицательной шиной.
Конвертер может содержать входной фильтр, являющийся интегрирующей RC цепью, изолирующий трансформатор с выпрямителем на выходе, причем первый вход трансформатора подключен к положительной шине фильтра, а отрицательный выход через прерыватель подключен ко второму входу трансформатора, выход которого является выходом конвертера, в обратную связь которого включены последовательно схема сравнения и изолирующий элемент, подключенный к управляющему входу прерывателя.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - общая схема аппаратуры,
фиг.2 - схема высоковольтного блока измерения,
фиг.3 - схема низковольтного блока управления,
фиг.4 - схема преобразователя напряжения в частоту,
фиг.5 - схема источника питания,
фиг.6 - схема блока фильтров,
фиг.7 - схема конвертера,
фиг.8 - схема формирователя релейных команд,
фиг.9 - схема формирователя главной команды.
Аппаратура управления и защиты фидера постоянного тока (фиг.1) содержит установленные в силовую шину быстродействующие выключатели (БВ) 1 и 2 и измерительный шунт 3, высоковольтные блоки измерения (ВБИ) - 4, 5 и 6, низковольтный блок управления (НБУ) - 7, держащие катушки (ДК) 8 и 9, которые с одной стороны подключены к минусовой шине оперативного питания (не показано), а с другой стороны - к НБУ 7, подключенному к плюсовой шине оперативного питания (не показано). Управляющий выход НБУ 7 подключен к одноименным входам БВ 1 и 2, включенным в разрыв силовой шины. К измерительным выводам измерительного шунта 3, включенного последовательно с БВ 1, подключены измерительные входы ВБИ 4, подключенного информационной шиной и входом питания к НБУ 7, входы/выходы которого являются одноименными входами/выходами аппаратуры и служат для ее включения в схему ячейки комплектного распределительного устройства, в автоматизированную систему управления тяговой подстанции или для подключения пульта оператора.
Высоковольтные блоки измерения 4, 5 и 6 (фиг.2) включают: первый 10 и второй 11 преобразователи напряжения в частоту, источник питания 12, содержащий высоковольтный трансформатор, залитый компаундом, на вход которого подается напряжение питания, поступающее из низковольтной части аппаратуры. Делитель 13 выполнен из набора последовательно соединенных резисторов, с нормированного, последнего из которых, ближнего к силовой шине снимается сигнал, поступающий на второй преобразователь 11. На первый преобразователь 10 поступает напряжение с шунта 3, установленного в силовую шину. Выходы преобразователей 10, 11 подключены через изолирующие оптоволоконные линии 14 к входам контроллера (микропроцессора) 15, с выхода которого через оптический канал 14 формируется сигнал на блок 16, обеспечивающий управление коэффициентом чувствительности канала измерения тока 10. К микропроцессору 15 подключена энергонезависимая память 17 и двунаправленный магистральный приемопередатчик 18.
Низковольтный блок управления 7 (фиг.3) содержит контроллер (микропроцессор) 19, подключенный через изолирующий приемопередатчик 20 к автоматизированной системе управления (АСУ) подстанцией, а через другой приемопередатчик 21 - к магистральному каналу связи с высоковольтным блоком измерения 4 (блоками 4, 5 и 6). Контроллер 19 связан двунаправленной шиной с клавиатурой 22 и подключен первым, вторым и третьим выходами соответственно к дисплею 23, формирователю 24 релейных команд и формирователю 25 главной команды управления быстродействующим выключателем. Источник питания 26 подключен входами к источнику питания подстанции, выходы источника 26 подключены к узлам НБУ 7 и ВБИ 4, 5 и 6. Для обеспечения режимов непрерывного самоконтроля и диагностики в состав блока управления введен узел контроля 27.
Преобразователи 10, 11 напряжения в частоту (фиг.4) содержат нормирующий усилитель 28, выход усилителя 28 подключен к входу формирователя 29 частоты пропорциональной напряжению, выход которого в свою очередь подключен к входу передатчика 30 «ток-световой поток», работающего на волоконно-оптическую линию 14 связи.
Источник питания 26 (фиг.5) содержит два фильтра 31 и 32, установленных в шинах подводящего питания, после каждого из которых включены конверторы 33 и 34 напряжений.
В блоках фильтров 31, 32 (фиг.6) на входе основной шины установлен диод 35, который позволяет использовать в качестве основного источника переменное напряжение и исключает аварийное включение при перепутывание полярности при подключении к источнику постоянного тока.
Установка конденсаторов 36 и 37 обеспечивает подавление высокочастотных помех по цепям питания относительно массы (земли). Конденсаторы 38 и 39 на входе и выходе блока сглаживают пульсации между основными питающими шинами. Наличие резистора 40 ограничивает бросок тока в начальный момент, когда начинается зарядка конденсатора 39.
Блоки фильтров 31, 32 обеспечивают и подавление внешних электромагнитных наводок, изобилующих на тяговой подстанции, и сглаживание пульсации в основных шинах. Основным требованием к конденсаторам 36 и 37 является обеспечение режима работы по напряжению изоляции относительно шины массы (земли).
Состав конверторов 33, 34 напряжений приведен на фиг.7, где цифрой 41 обозначен входной фильтр, представляющий собой интегрирующую RC-цепь, цифрой 42 - изолирующий трансформатор, конструктивно выполненный с заливкой изолирующим компаундом, цифрой 43 обозначена схема сравнения, цифрой 44 обозначен изолирующий элемент, например оптопара. Напряжение с входных шин, пройдя фильтр 41, подключается положительным полюсом к первому входу первичной обмотки изолирующего трансформатора 42, второй вывод вход первичной обмотки подключен к отрицательному полюсу через прерыватель 45, управляемый сигналом схемы сравнения 43, прошедшим элемент гальванической развязки 44, например оптопару.
Формирователь 24 релейных команд (фиг.8) содержит регистр команд 46, к которому подключены усилители 47, формирующие команды на обмотки n-количества реле от 48-1 до 48-n, которые имеют нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты, используемые в релейных цепях автоматики подстанции, в том числе для команды повторного включения БВ 1 и 2.
Формирователь 25 главной команды управления быстродействующим выключателем (фиг.9) содержит реле 49 с нормально замкнутыми контактами и конденсатор 50.
Работа аппаратуры организована следующим образом: первичные параметры тяговой сети непрерывно измеряются одним или несколькими, в зависимости от конфигурации, высоковольтными блоками измерения 4, 5 и 6, при этом текущие значения, а также необходимая предыстория анализируются в соответствии с алгоритмами защиты и в случае фиксации ненормального процесса низковольтным блоком управления 7 формируется команда на отключение быстродействующих выключателей 1 и 2.
Аппаратура может работать как с одним быстродействующим выключателем, так и с двумя выключателями, включенными в силовую шину последовательно. При этом при работе с одним быстродействующим выключателем 1 в состав аппаратуры может входить как один высоковольтный блок измерения 4, так и второй высоковольтный блок измерения 5, обеспечивающий измерение напряжения на контактах выключателя. При работе с двумя быстродействующими выключателями 1 и 2 в состав аппаратуры может входить как один высоковольтный блок измерения 4, так и два дополнительных высоковольтных блока измерения 5 и 6.
Высокая степень изоляции и помехоустойчивости высоковольтных блоков измерения 4, 5 и 6 обеспечивается отсутствием помехочувствительных элементов на высоковольтной части высоковольтных блоков измерения, интегрирующим характером работы преобразователей 10 и 11 напряжения в частоту, которые обеспечивают фильтрацию импульсных помех при сохранении требуемой скорости и точности измерений, а также передачей информации о токе и напряжении из высоковольтной части высоковольтных блоков измерения 4, 5 и 6 в микроконтроллер 15 через волоконно-оптическую линию 14, что одновременно с хорошей гальванической развязкой обеспечивает высокую помехоустойчивость к мощным электромагнитным воздействиям, характерным для подстанции.
Высокая помехоустойчивость обеспечивается не только схемотехническими решениями, но и взаимодействием низковольтного блока управления 7 с высоковольтными блоками измерения 4, 5 и 6 по цифровому помехозащищенному каналу связи с организацией эффективного контроля достоверности передачи данных и повтором передачи при необходимости.
Для обеспечения режимов непрерывного самоконтроля и диагностики узел контроля 27, выполненный на основе микропроцессора, обеспечивает непрерывный контроль формирования выходных команд и сигналов и формирование эталонных воздействий для самопроверки входов аппаратуры.
Конверторы 33 и 34 напряжений объединены выходами. Включение одного канала 34 на оперативное питание, а второго 35 на переменное обеспечивает резервирование питания аппаратуры и повышает ее оперативную готовность. Установка на выходе последовательно соединенных резистора и диода обеспечивает за счет обратной связи по выходному току выравнивание токовой нагрузки обоих конверторов 33 и 34.
Такое включение позволяет резервировать два конвертора без подавления одного другим в случае расхождения их выходных сопротивлений, что само по себе является оригинальным решением, а в данной аппаратуре обеспечивает готовность при возможных перерывах оперативного питания, что также выгодно отличает предлагаемое решение от известных, в которых задача параллельной (резервированной) работы двух идентичных формирователей питания не решена, как и во многих других устройствах.
Построение источника 25 обеспечивает регулирование (стабилизацию) выходного напряжения и высокую степень изоляции источника при его установке в блоки, с которыми работает обслуживающий персонал от высокого напряжения при обеспечении высоковольтным блоком измерения 4, 5 и 6 прямых замеров токов и напряжения при этом, благодаря подключению высоковольтного блока измерения 4 непосредственно к измерительному шунту 3, установленному в силовую шину.
При фиксации аварийного процесса происходит выдача главной команды на отключение быстродействующего(их) выключателя(ей) 1 и 2, при этом контакты реле 49 разрываются. Эти контакты включены последовательно с обмотками держащих катушек 8 и 9, имеющих большую индуктивность.
Для исключения искрения контактов параллельно им включен конденсатор 50. Этот конденсатор имеет и второе назначение. Образуя совместно с держащими катушками 8, 9 колебательный контур, он обеспечивает после своего заряда переполюсовку напряжения на катушке 8, 9 и создание сильного магнитного поля противоположной начальному состоянию полярности, что ускоряет отпускание якоря, т.е. повышает быстродействие быстродействующего(их) выключателя(ей).
Для работы алгоритмов защиты после монтажа аппаратуры производится установка режимов работы путем передачи данных из АСУ подстанции или с пульта оператора через технологический вход-выход низковольтного блока управления. Наличие программируемых вычислителей в составе низковольтного блока управления и высоковольтного блока измерения позволяет гибко задавать и изменять режимы работы аппаратуры, проводя ее адаптацию к особенностям движения на защищаемом участке. В частности, учитывается неравномерность загрузки пассажирских вагонов в течение суток и наличие «часов пик», когда масса разгоняемого средства возрастает, и, как следствие, возрастают пусковые токи в момент начала движения поезда метро, трамвая или троллейбуса, при этом гибкое изменение параметров (критериев) срабатывания быстродействующего(их) выключателя(ей) позволяет исключить ложные отключения силовой шины и обеспечить график движения.
Наличие встроенных в блоки микропроцессоров, которые работают в реальном масштабе времени, обеспечивают устранение основной проблемы аналого-цифровых преобразователей, заключающейся в потере точности из-за дрейфа параметров электронных компонентов с течением времени, и, в частности, со смещением «0» нормирующих усилителей. В интервал времени суток, когда с тяговой сети снимается силовое напряжение, производится замер нулевых значений тока и напряжения, замеренные значения используются для корректировки информации преобразователей в процессе дальнейшей работы. Кроме этого, аппаратура может быть переведена в режим тарировки преобразователей обслуживающим персоналом с помощью пульта управления или по командам через линию связи с АСУ подстанции. Периодический контроль текущего времени, рассчитываемого в низковольтном блоке управления, и его корректировка позволяют рассчитать ошибку работы внутренних таймеров и учесть ее в последующей работе. Наличие тарировочных режимов обеспечивает работу аппаратуры с требуемой точностью в течение длительного времени без проведения периодического обслуживания, что является экономически выгодным.
В качестве критериев срабатывания защиты помимо предельных (максимально допустимых значений тока и минимальных значений напряжения, характерных для прямого замыкания силовой шины) аппаратурой реализуются:
1) учет времени нарастания тока, что позволяет, проведя фильтрацию изменения тока на определенном интервале (времени разгона), исключить ложное срабатывание защиты при рабочем процессе, даже в случае превышения значения током максимального значения;
2) учет времени наличия малых токов, что позволяет обнаруживать так называемые «дальние замыкания», являющееся проблемой для тяговой сети городского транспорта, когда величина тока существенно меньше токов короткого замыкания;
3) учет критерия расчетного значения температуры критичного провода контактной подвески, что позволяет обнаруживать ненормальные процессы в тяговой сети, ведущие к перегреву «отжигу» контактного провода и его повреждению, что не является прямой грубой аварией, но требует проведения ремонтных работ по замене проводов.
Расчет температуры провода производится на основании следующих данных:
- ток нагрузки, протекающий по защищаемому фидеру;
- тип контактной подвески, определяющий наиболее критичный провод, его геометрию и физический свойства, а также долю тока, протекающего по нему;
- температура окружающей среды;
- скорость ветра.
Часть из этих параметров измеряется, часть задается постоянным, наиболее критичным значением, в зависимости от климатического пояса и времени года.
При решении задачи защиты на основании измеренных данных рассчитывается текущая температура критичного провода и формируются команды предупредительной сигнализации и команды на отключение быстродействующего(их) выключателя(ей) при достижении соответствующих критичных значений температуры, которые задаются оператором в виде уставок на этапе настройки аппаратуры управления и защиты. Алгоритм расчета температуры провода представлен не в виде решения дифференциального уравнения, описывающего тепловой баланс провода, а в виде циклического расчета приращений. За счет этого достигается оптимальная реализация программы, работающей в реальном времени, не требующая больших вычислительных ресурсов.
При работе в составе комплектного распределительного устройства аппаратурой обеспечивается автоматическое управление быстродействующего(их) выключателя(ей) и коммутационными аппаратами, слежение за положением быстродействующего(их) выключателя(ей) и коммутационных аппаратов с обеспечением блокировки недопустимых действий по изменению их положения. Производится автоматическое повторное включение (АПВ) выключателя необходимой кратности, с предварительным переключением чувствительности высоковольтного блока измерения с целью определения наличия короткого замыкания (при наличии в ячейке испытателя коротких замыканий ИКЗ). Также в процессе эксплуатации производится контроль ресурса быстродействующего(их) выключателя(ей) - по числу аварийных отключений быстродействующего(их) выключателя(ей), коммутационного ресурса - по току путем расчета суммарного отключенного быстродействующим(ими) выключателем(ями) тока, механического ресурса - путем счета количества операций «включено-отключено». При комплектации аппаратуры двумя высоковольтными блоками измерения дополнительно фиксируется недовключенное положение быстродействующего(их) выключателя(ей), определяется коммутационный ресурс быстродействующего(их) выключателя(ей) по суммарной коммутируемой энергии, рассеиваемой в дугогасительной камере быстродействующего(их) выключателя(ей), а также определяется время гашения дуги в камере быстродействующего(их) выключателя(ей) с целью обеспечения функции резервирования отказа выключателя (УРОВ).
При эксплуатации аппаратуры совместно с двумя последовательно включенными быстродействующими выключателями производится определение неодновременности срабатывания быстродействующего(их) выключателя(ей) по относительной разности энергий, рассеиваемых камерами быстродействующего(их) выключателя(ей) при аварийных отключениях.