Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети электрического транспорта (варианты)
METHOD OF DETERMINING REMOTENESS OF SHORT CURCUIT IN CONTACT NETWORK OF ELECTRIC TRANSPORT (VERSIONS)

Вариант 1
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться на контактной сети переменного тока при двухстороннем питании для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания.
ф
ш
Известен способ определения расстояния (удаленности) до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в устройстве [1], при котором в момент короткого замыкания измеряют ток I присоединения контактной сети того пути, на котором произошло ее повреждение, напряжение U на шинах тяговой подстанции и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде формулы:
тс
где z - сопротивление 1 км тяговой сети.
ш
ф
Недостатком этого способа является низкая точность из-за переходного сопротивления (сопротивление электрической дуги), возникающей в месте повреждения, и отсутствия указанной зависимости  от отношения U/I на многопутных участках [2, стр. 570-579].
Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в [3-8]. Все они основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между ними на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока  и его фазового угла присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, и определении расстояния  до места повреждения путем реализации соответствующих вычислительных алгоритмов.
Эти способы имеют один и тот же недостаток, заключающийся в том, что использование в вычислительном алгоритме значений тока  обуславливает возможность определения искомого расстояния  только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки (точки поперечного соединения контактных сетей разных путей между собой). В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования [2, стр. 4-5]. Таким образом, при типовой параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и постом секционирования между ними даже в том случае, если определение  осуществлять со стороны каждой из смежных тяговых подстанций, примерно на 1/2 длины межподстанционной зоны (между пунктами параллельного соединения), определение  этим способом невозможно.
A
B
A
B
A
B
пА
пВ
A
B
Известен способ, реализованный в устройстве [9], лишенный этого недостатка и принятый в качестве прототипа. Его сущность заключается в том, что на смежных тяговых подстанциях А и В в момент короткого замыкания контактной сети измеряют токи подстанций I, I, напряжения U, U на их шинах, фазовые углы ϕ, ϕ между соответствующими, определяют для известных значений Х, Х сопротивлений тяговых подстанций соответственно А и В дополнительные фазовые углы ψ и ψ путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
N
определяют дополнительно расчетные величины N и α путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
тсA
тсB
тсА
тсВ
где Z, Z - модули заранее неизвестных комплексных значений сопротивлений тяговой сети на участках от места короткого К замыкания до тяговых подстанций соответственно А и В; α, α - аргументы этих сопротивлений, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:
тсA
тсB
N
Недостатком этого способа является сложность и снижение точности из-за неопределенности заранее неизвестных значений Z и Z, поскольку место короткого замыкания также заранее неизвестно, и необходимости поэтому значения N, α, , вычислять методом последовательных приближений. В устройстве [9] такой метод реализован с помощью связей (блоки 14-19).
Техническим результатом является повышение точности и упрощение, достигаемое за счет использования других вычислительных алгоритмов, не требующих применения метода последовательных приближений.
A
A
A
B
B
B
А
B
A0
B0
пА
пВ
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания контактной сети измеряют на смежных тяговых подстанциях А и В, питающих с двух сторон контактную сеть всех электрифицированных путей межподстанционной зоны с коротким замыканием, значения тока I, напряжения на шинах U и фазового угла ϕ между ними на тяговой подстанции А, значения тока I, напряжения на шинах U и фазового угла ϕ между ними на подстанции В и определяют дополнительные фазовые углы ψ и ψ при известных значениях напряжений холостого хода U, U и сопротивлений Х, Х соответствующих подстанций путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
находят дополнительно модули  и аргументы  сопротивлений схемы замещения тяговой сети путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
тс
тс
к
к
где r, х - справочные значения активной и индуктивной составляющих погонного сопротивления 1 км тяговой сети;  - известное расстояние между смежными тяговыми подстанциями А и В, определяют модуль I и аргумент γ тока в месте короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
и определяют расстояние  от подстанции А до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:
тс
тс
где z, α - известные модуль и аргумент погонного сопротивления 1 км тяговой сети при параллельном соединении контактной сети всех путей.
А
В
Новыми признаками способа являются вычислительные алгоритмы углов ψ, ψ, дополнительное определение модуля и аргументов сопротивлений схемы замещения тяговой сети и тока короткого замыкания в месте повреждения, а также новое выражение для определения расстояния .
Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния  (не требуется применять метод последовательных приближений).
Вариант 2.
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться на контактной сети переменного тока при двухстороннем питании для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания.
ф
ш
Известен способ определения расстояния (удаленности) до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в устройстве [1], при котором в момент короткого замыкания измеряют ток I присоединения контактной сети того пути, на котором произошло ее повреждение, напряжение U на шинах тяговой подстанции и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде формулы:
тс
где z - сопротивление 1 км тяговой сети.
ш
ф
Недостатком этого способа является низкая точность из-за переходного сопротивления (сопротивление электрической дуги), возникающей в месте повреждения, и отсутствия указанной зависимости  от отношения U/I на многопутных участках [2, стр. 570-579].
Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в [3-8]. Все они основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между ними на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока  и его фазового угла присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, и определении расстояния  до места повреждения путем реализации соответствующих вычислительных алгоритмов.
Эти способы имеют один и тот же недостаток, заключающийся в том, что использование в вычислительном алгоритме значений тока  обуславливает возможность определения искомого расстояния  только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки (точки поперечного соединения контактных сетей разных путей между собой). В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования [2, стр. 4-5]. Таким образом, при типовой параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и постом секционирования между ними даже в том случае, если определение  осуществлять со стороны каждой из смежных тяговых подстанций примерно на 1/2 длины межподстанционной зоны (между пунктами параллельного соединения), определение  этим способом невозможно.
A
B
A
B
А
B
пА
пВ
А
B
Известен способ, реализованный в устройстве [9], лишенный этого недостатка и принятый в качестве прототипа. Его сущность заключается в том, что на смежных тяговых подстанциях А и В в момент короткого замыкания контактной сети измеряют токи подстанций I, I, напряжения U, U на их шинах, фазовые углы ϕ, ϕ между соответствующими, определяют для известных значений Х, Х сопротивлений тяговых подстанций соответственно А и В дополнительные фазовые углы ψ и ψ путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
N
определяют дополнительно расчетные величины N и α путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
тсA
тсВ
тсА
тсВ
где Z, Z - модули заранее неизвестных комплексных значений погонных сопротивлений 1 км тяговой сети на участках от места короткого К замыкания до тяговых подстанций соответственно А и В; α, α - аргументы этих сопротивлений, и определяют расстояние  до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:
тсА
тсB
N
Недостатком этого способа является сложность и снижение точности из-за неопределенности заранее неизвестных значений Z и Z, поскольку место короткого замыкания также заранее неизвестно, и необходимости поэтому значения N, α, , вычислять методом последовательных приближений. В устройстве [9] такой метод реализован с помощью связей (блоки 14-19).
Техническим результатом является повышение точности и упрощение, достигаемое за счет использования других вычислительных алгоритмов, не требующих применения метода последовательных приближений.
A
A
А
B
B
B
A
B
A0
B0
пА
пВ
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания контактной сети измеряют на смежных тяговых подстанциях А и В, питающих с двух сторон контактную сеть всех электрифицированных путей межподстанционной зоны с коротким замыканием, значения тока I, напряжения на шинах U и фазового угла ϕ между ними на тяговой подстанции А, значения тока I, напряжения на шинах U и фазового угла ϕ между ними на подстанции В и определяют дополнительные фазовые углы ψ и ψ при известных значениях напряжений холостого хода U, U и сопротивлений Х, Х соответствующих подстанций путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
находят дополнительно модули  и аргументы , сопротивлений схемы замещения тяговой сети путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
тс
тс
к
к
где r, х - справочные значения активной и индуктивной составляющих погонного сопротивления 1 км тяговой сети;  - известное расстояние между смежными тяговыми подстанциями А и В, определяют модуль I и аргумент γ тока в месте короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
и определяют расстояние  от подстанции А до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:
тс
тс
где z, α - известные модуль и аргумент погонного сопротивления 1 км тяговой сети при параллельном соединении контактной сети всех путей.
A
B
Новыми признаками способа являются вычислительные алгоритмы углов ψ, ψ, дополнительное определение модуля и аргументов сопротивлений схемы замещения тяговой сети и тока короткого замыкания в месте повреждения, а также новое выражение для определения расстояния .
Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния  (не требуется применять метод последовательных приближений).
Обоснование вариантов способа.
Обоснование основано на известных схеме двухстороннего питания контактной сети многопутного участка с пунктами параллельного соединения ППС1, ППС2 и постом секционирования ПС, приведенной на фиг. 1, а, индуктивно развязанной ее схеме замещения, приведенной на фиг. 1, б [10], а также векторной диаграммы для напряжений и токов подстанции А, приведенной на фиг. 2.
На схеме замещения обозначены:
пА
пВ
Х, Х - сопротивления тяговых подстанций;
тсA
A
Z - сопротивление участка тяговой сети, по которому протекает ток I;
тcB
B
Z - сопротивление участка тяговой сети, по которому протекает ток I;
тcAB
к
Z - сопротивление эквивалентного участка тяговой сети, по которому протекает ток I;
д
R - сопротивление дуги в месте повреждения;
А0
B0
U, U - напряжение холостого хода тяговых подстанций соответственно А и В.
Для приведенной на фиг. 1, б схемы имеем:
тсA
тсB
Для сопротивлений Z и Z имеем:
где  - погонное сопротивление 1 км тяговой сети.
Подставив эти значения в (11) и полагая напряжения холостого хода подстанций А и В одинаковыми, получаем:
где принято:
A
B
к
A0
A
A
A
пA
А
пА
A
A
В приведенных выражениях фазовые углы векторов токов I, I, I, должны отсчитываться от одной оси, в качестве которой принимаем ось, совпадающую по направлению с вектором напряжения холостого хода. На векторной диаграмме для векторов U, U, I, IX подстанции А, приведенной на фиг. 2, вектор IХ направлен по отношению к ветру тока I под углом 90°, поскольку сопротивление тяговой подстанции X является практически чисто индуктивным.
Для треугольника «0ас» на фиг. 2 на основании теоремы косинусов получаем выражение (1). Аналогичным образом для подстанции В получаем выражение (2).
Прибавив и вычтя в числителе выражения (12) член , получим:
Обозначим:
Тогда выражение (15) с учетом (14) примет вид:
к
Модули и аргументы комплексных чисел  и  вычисляют по формулам (3), (4), (5), и (6). Модуль и аргумент комплексного числа I вычисляют по формулам (7) и (8). Представив комплексные числа, входящие в выражение (17), в экспоненциальной форме, получаем:
Заменив в выражении (18) экспоненциальную форму комплексных чисел на тригонометрическую и приняв мнимую часть полученного выражения равной нулю, поскольку расстояние  по определению вещественно и не имеет мнимой части, получаем выражение (9).
Из условия равенства нулю мнимой части выражения имеем:
откуда:
Подставив это выражение в (9) и используя известные формулы сложения тригонометрических функций, получаем выражение (10).
Источники информации
3
1. А.С. СССР 161410, МКИ G01r, В60m. Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока / Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я., (СССР)-. №787278/24-7. Заявл. 16.07.1962. Опубл. 19.03.1964. Бюл. №7.
2. 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.
3. Патент RU 2160673, МПК 7 В60М 1/00. Определитель места повреждения контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л. (RU) - №98110428/28. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 20.12.2000. Бюл. №35.
4. Патент RU 2160193, МПК 7 В60М 1/00. Указатель удаленности короткого замыкания в тяговой сети переменного тока / Быкадоров А.Л., Жарков Ю.И., Петров И.П., Фигурнов Е.П. (RU) - №98110434/28. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 10.12.2000 Бюл. №34.
5. Патент RU 2177417, МПК 7 В60М 1/00. Определитель места повреждения тяговой сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л. (RU) - №98110414. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 27.02.2001. Бюл. №36.
6. Патент RU 2181672, МПК 7 В60М 1/00. Устройство для определения удаленности места короткого замыкания в тяговой сети электрифицированного транспорта (варианты) / Быкадоров А.Л., Жарков Ю.И., Петров И.П., Фигурнов Е.П. (RU) - №98110757. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 27.04.2002. Бюл. №12;
7. Патент RU 2189606, МПК 7 В60М 1/00. Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети переменного тока и устройство для его выполнения / Фигурнов Е.П., Жарков Ю.И., Стороженко Д.Е. (RU) - №2001110241/09. Заявл. 16.04.2001. Опубл. 20.09.2002. Бюл. №26;
8. Патент RU 2189607, МПК 7 В60М 1/00. Определитель удаленности повреждения контактной сети (варианты) / Фигурнов Е.П., Жарков Ю.И., Стороженко Д.Е. (RU) - №2001110308/09. Заявл. 16.04.2001. Опубл. 20.09.2002. Бюл. №26.
9. Патент RU 2153426, МПК 7 В60М 1/00. Указатель места короткого замыкания контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л. (RU) - №98110435/28. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 27.07.2000. Бюл. №21.
10. Фигурнов Е.П. Сопротивление электротяговой сети однофазного переменного тока. Электричество, 1997, №5. - С. 23-29.