СИСТЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к способам релейной защиты тяговых сетей и может использоваться в цифровых защитах тяговых сетей железных дорог, промышленных предприятий и метрополитенов от токов короткого замыкания.
Известна система защиты участков контактной сети от токов короткого замыкания, описанная в п. РФ №2239930 по кл. Н02Н 7/26, з. 13.02.2003, 10.11.2004 г.
Известная система (фиг.3) содержит смежные фидеры тяговой сети постоянного тока, оборудованные быстродействующими выключателями 1, 9 с защитными реле РДШ (2, 10), связанные с реле 5 контроля (реле напряжения), и дополнительные катушки 6 и 8, имеющие одинаковое число витков.
Недостаток известной системы заключается в том, что информация берется только из питающего и смежного с ним фидеров, что не обеспечивает надежной и полной защиты.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является система защиты тяговой сети постоянного тока по приращению тока, описанная в патенте РФ №2161355 «Способ защиты тяговой сети постоянного тока по приращению тока», по кл. Н02Н 3/08, В60М 3/00, з. 15.04.99, oп. 27.12.2000 г., и выбранная в качестве прототипа.
Известная система представляет собой устройство цифровой защиты и автоматики фидера тяговой сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3, которое состоит из высоковольтного устройства (ВВУ), включающего в себя последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок микроконтроллера (БМК1) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и располагающегося непосредственно в ячейке фидера, блока развязки (БР), исключающего попадание высокого напряжения на элементы управления защитой, и низковольтного устройства (НВУ), состоящего из блока микроконтроллера (БМК2), связанного с блоком электронных ключей (БЭК), и блока питания (БП) и служащего для ввода всех значений параметров защиты с клавиатуры, вывода их на дисплей и передачи на высоковольтное устройство по интерфейсу RS-232. Блок развязки через интерфейсы RS-232 связывает высоковольтное и низковольтное устройства. Информация о токе защищаемого фидера и токе фидера, смежного с защищаемым, попадает с последовательно расположенных быстродействующих выключателей (БВ) и шунта на фидере для преобразования в цифровой код на АЦП и затем в блок микроконтроллера. Текущие значения токов запоминаются в ОЗУ и некоторое время хранятся в нем. В блоке микроконтроллера происходит обработка значений токов и, если по алгоритму работы защиты формируется сигнал на отключение БВ с помощью блоков отключения (БО), то он передается по RS-интерфейсу через блок развязки (БР) на низковольтное устройство, где подается команда на органы управления БВ (БЭК, БО).
Недостатки известного устройства заключаются в следующем.
Его концепция защиты основана на принятии решения по обнаружению аварийной ситуации и отключению участка контактной сети на основе информации (ток, напряжение) только с защищаемого и смежного с ним фидеров. При этом в случае обнаружения аварийной ситуации не учитывается информация с других объектов электроснабжения, находящихся на перегоне, и возможные изменения схемы включения фидеров при проведении работ на перегоне, вследствие чего в некоторых случаях принимается неверное решение о наличии или отсутствии аварийной ситуации на фидере аварийного участка.
Кроме того, при возникновении на перегоне короткого замыкания (КЗ) отключения быстродействующих выключателей на поврежденном участке происходит по каскадному принципу: сначала происходит отключение самого ближнего к точке КЗ выключателя, затем после перераспределения тока КЗ, отключается следующий ближайший быстродействующий выключатель и последним отключается быстродействующий выключатель, находящийся дальше всех от точки КЗ. К величине тока КЗ, протекающего по последнему быстродействующему выключателю приближаются рабочие токи ЭПС с весом до 12000 тонн, и уставка, отстроенная от максимального рабочего тока электровоза, в некоторых случаях оказывается нечувствительной к таким удаленным коротким замыканиям. Решение этой проблемы особенно актуально для межподстанционных зон с большой протяженностью и тяжелым профилем пути. Помимо этого, ложное срабатывание быстродействующего выключателя соседнего фидера и наличие нагрузки на перегоне также приводит к уменьшению расчетного минимального тока КЗ, в результате чего защита оказывается не чувствительной.
Между тем, такие короткие замыкания должны быть отключены в минимально короткие сроки, поскольку в месте повреждения, как правило, возникает дуга, которая приводит к развитию повреждения, вызывает перегрев и потерю проводами механической прочности. Кроме того, при любых КЗ эксплуатация поврежденного участка контактной сети невозможна.
Все защиты оказываются полностью не чувствительными к коротким замыканиям с большим переходным сопротивлением (например, через разземленную опору) ввиду того, что ток короткого замыкания не может превышать 500 А, напряжение не снижается ниже 2700 В и скорость нарастания тока не выше скорости его нарастания при проходе воздушного промежутка. Небольшие значения тока таких КЗ очень опасны, поскольку вызывают местный нагрев проводов, арматуры, опор и могут привести к значительным разрушениям.
Таким образом, эксплуатационные возможности такого устройства защиты весьма ограничены.
Задачей является расширение эксплуатационных возможностей устройства защиты.
Поставленная задача решается тем, что в системе интеллектуальной защиты тяговой сети постоянного тока, содержащей размещенное на одном питающем фидере устройство цифровой защиты и автоматики фидера тяговой сети постоянного тока, включающее в себя устройство первичного преобразования аналоговых сигналов с датчиков тока и напряжения в фидере в цифровой вид, состоящее из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, блока обработки информации и оперативного запоминающего устройства, и устройство приема-передачи информации, и связанное входом с датчиками, расположенными на защищаемом и смежном с ним фидерами, а выходом через электронный ключ - непосредственно с быстродействующими выключателями с образованием единого комплекса защиты участка контактной сети, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, устройства первичного преобразования размещены на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети, состоящей из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования, а каждое из устройств приема-передачи информации содержит микроконтроллер с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатор для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещено на каждом объекте тяговой сети, образуя в совокупности с устройствами первичного преобразования комплекс защиты каждого из объектов тяговой сети, при этом каждый из комплексов соединен с приемником GPS, подключен к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжен резервным радиоканалом связи, а в комплексах, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, устройства приема-передачи дополнительно снабжены серверами, связанными с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL с двухпроводным каналом связи, причем электронный ключ связан с блоком обработки устройства первичного преобразования.
Размещение устройств первичного преобразования на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования с возможностью измерения в них токов и напряжений, а также анализа введенных в систему сигналов положения их коммутационного оборудования в совокупности с выполнением каждого из устройств приема-передачи информации из микроконтроллера с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатора для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещения его на каждом объекте тяговой сети позволяет в итоге совместно с устройствами первичного преобразования создать комплекс, обеспечивающий распределенную зону защиты, охватывающую каждый из объектов тяговой сети. За счет того, что каждый из комплексов соединен с приемником GPS, подключен к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжен резервным радиоканалом связи, а в комплексах, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, устройства приема-передачи дополнительно снабжены серверами, связанными с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL двухпроводным каналом связи, причем электронный ключ связан с блоком обработки устройства первичного преобразования, обеспечивается проведение оперативного анализа поездной обстановки и анализа состояния сети тягового электроснабжения для оптимального выбора параметров защит и автоматики, расширяя эксплуатационные возможности системы. Применение SHDSL-модемов обеспечивает высокие скорости передачи информации и возможность передачи информации в прямом и обратном направлении в дуплексном режиме. Достоинством использования указанных модемов является также возможность использования в качестве линий связи существующие выделенные 2-проводные линии, что приводит к существенному сокращению расходов при внедрении заявляемой системы. Использование на каждом объекте защиты коммутаторов обеспечивает доступ к информации на самом объекте и сопряжение с модемом SHDSL для ретрансляции информации с соседних объектов.
Технический результат - возможность получения информации с любого участка тяговой сети и своевременного реагирования на аварийные ситуации.
Заявляемая система обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как размещение устройств первичного преобразования на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети, состоящей из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования, выполнение каждого из устройств приема-передачи информации на микроконтроллере с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатора для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещение его на каждом объекте тяговой сети, с образованием в совокупности с устройствами первичного преобразования комплекса защиты каждого из объектов тяговой сети, соединение каждого из комплексов с приемником GPS, подключение их к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжение резервным радиоканалом связи, введение в комплексах, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, в устройства приема-передачи дополнительно серверов, связанных с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL с двухпроводным каналом связи, соединение каждого электронного ключа с блоком обработки устройства первичного преобразования, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая система может найти широкое использование в цифровых защитах тяговых сетей железных дорог, промышленных предприятий и метрополитенов от токов короткого замыкания, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - структурная схема системы интеллектуальной защиты тяговой сети постоянного тока;
- фиг.2 - функциональная схема комплекса защиты тяговой подстанции;
- фиг.3 - функциональная схема комплекса защиты на посту секционирования и в пунктах параллельного соединения.
1-5
1-5
1-5
Система интеллектуальной защиты контактной сети (КС) в межподстанционной зоне (фиг.1) содержит размещенные на всех объектах одной фидерной зоны тяговой сети - на двух тяговых подстанциях (ТП), в пунктах параллельного соединения (ППС) и в посту секционирования (ПС), комплексы 1-5 защиты участка контактной цепи, образуя единую систему из пяти комплексов. При этом каждый из комплексов 1-5 соединен с приемником 6 GPS, подключен к двухпроводной линии 7 связи через модем 8 SHDSL и снабжен резервным радиоканалом 9 связи. Каждый из комплексов 1-5 содержит хотя бы одно устройство 10 первичного преобразования и связанное с ним по шине 11 CAN устройство 12 приема-передачи информации.
1-5
1-5
1-5
При этом устройства 10 первичного преобразования размещены на всех фидерах объектов одной фидерной зоны тяговой сети, которых имеется на 2-х тяговых подстанциях и в посту секционирования по 4 фидера, в пунктах параллельного соединения - по одному фидеру. На каждые одно/два устройства 10 первичного преобразования в комплексе имеется одно устройство 12 приема-передачи информации, таким образом, что на каждой из 2-х тяговых подстанций и в пункте секционирования расположены по числу фидеров по 4 устройства 10 первичного преобразования и по 2 устройства 12 приема передачи (фиг.2). В 2-х пунктах параллельного соединения размещено по одному устройству 10 первичного преобразования и по одному устройству 12 приема-передачи.
1-5
В комплексах 1, 3 и 5, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, устройства 12 приема-передачи дополнительно снабжены серверами 13.
1-5
Устройства 10 (фиг.3) содержат последовательно соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14 сигнала и блок 15 обработки информации, выполненные на микроконтроллере с запоминающим устройством (на чертежах не показано). При этом входы АЦП 14 соединены с установленными в фидере датчиками 16, 17 соответственно тока, напряжения, а датчик 18 состояния коммутационных аппаратов подключен к входу блока 15 обработки информации, один из выходов которого соединен с электронным ключом 19, а второй выход блока 15 обработки через шину 11 CAN связан с входом устройства 12 приема-передачи. Здесь же в устройстве 10 расположен блок 20 питания.
1-5
1-5
Устройство 12 приема-передачи информации содержит микроконтроллер 21, снабженный запоминающим устройством 22 и соединенный одним выходом через коммутатор 23 с модемом 8 типа SHDSL. Вход микроконтроллера 21 через шину 11 CAN соединен с выходом блока 15 обработки устройства 10 первичного преобразования, а второй вход микроконтроллера 21 связан с приемником 6 GPS. Радиоканал 9 служит для обеспечения при необходимости резервной связи. В устройстве 12 также имеется блок 24 питания.
Система работает следующим образом.
1-5
1-5
1-5
1-5
Аналоговые сигналы с выхода датчиков 16, 17 в каждом фидере объекта тяговой сети поступают на АЦП 14 в устройства 10 первичного преобразования сигнала, где преобразуются в цифровой вид. Результаты АЦП, полученные в течение 1 мс в 16-ти выборках измеряемого сигнала, усредняются в блоке 15 обработки информации, и вместе с миллисекундной меткой времени, поступающей с приемника 6 GPS и преобразованными в цифровой вид сигналами от датчиков 18 запоминаются в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) блока 15 обработки информации. В блоках 10 обработки информации происходит анализ сигналов с датчиков (16-18) каждого фидера объекта тяговой сети, и если по алгоритму работы защиты требуется отключение коммутационного аппарата 25 (быстродействующего выключателя фидера данного объекта), то блок 15 обработки информации формирует сигнал на ключ 19 для отключения коммутационного аппарата 25. Таким образом, осуществляются защиты, критичные к времени их срабатывания, такие как максимальная токовая защита и защита фидера по минимальному напряжению.
1, 3, 5
1, 3, 5
Кроме того, по запросу с циклом 1 мс от микроконтроллеров 21 устройства 12 приема-передачи информации из ОЗУ блока 15 обработки информации по шине 11 CAN передается информация в микроконтроллеры 21 устройства 12 приема-передачи информации, где она хранится в ОЗУ 22 микроконтроллера и выдается по запросу через коммутатор 23 на серверы 13. Микроконтроллер 21 устройства 12 приема-передачи информации в объектах 2, 4 тоже передает информацию в серверы 13 по их запросам через модемы 8 SHDSL и проводную линию 7.
1, 3, 5
Сервер 13, таким образом, собирает информацию об измеряемых параметрах и состоянии всех фидеров объекта, на котором он установлен, и обеспечивает ее сохранение в течение одного часа, а также по запросу другого сервера передает ему хранимую информацию по проводной линии 7.
1, 3, 5
1, 3, 5
Если по результатам выполняемых сервером 13 алгоритмов защиты, требуется отключение какого-либо коммутационного аппарата 25 на объекте фидерной зоны, сервер 13 формирует команду, которая поступает с него через коммутатор 23 и модем 8 в проводной канал 7.
Обработка информации на верхнем уровне системы по разработанным алгоритмам позволяет решать следующие задачи: определить места неисправностей (короткого замыкания, ложного отключения фидерных быстродействующих выключателей, их отказов), провести оперативный анализ поездной обстановки и сопоставление ее с надежностью тягового электроснабжения для оптимального выбора параметров защит и автоматики.
В сравнении с прототипом заявляемая система имеет более широкие эксплуатационные возможности.