Способ определения расстояния до места короткого замыкания контактной сети переменного тока (варианты)
METHOD FOR DETERMINING DISTANCE TO SHORT CIRCUIT POINT OF AC CONTACT NETWORK (VERSIONS)

Вариант 1
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на однопутных и многопутных участках с любым числом пунктов параллельного соединения контактной сети разных путей и постов секционирования для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания контактной сети при ее двухстороннем питании.
3
ф
ш
Известен способ определения расстояния до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в 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. В этом способе в момент короткого замыкания измеряют ток Iприсоединения 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.
Недостатком этого способа является низкая точность из-за возникновения в месте короткого замыкания электрической дуги (переходное сопротивление) и отсутствия указанной зависимости  от действительного расстояния на двух- и многопутных участках. Недостатки этого, а также некоторых других известных способов определения удаленности места короткого замыкания описаны в книге: 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.
Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в патентах на изобретение:
а) RU 2160193, МПК 7 В M 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;
б) RU 2160673, МПК 7 В M 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;
в) RU 2177417, МПК 7 В M 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;
г) RU 2181672, МПК 7 В M 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;
д) RU 2189606, МПК 7 В M 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;
е) RU 2189607, МПК 7 В M 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.
Все указанные в пп. а) - е) патенты основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между напряжением и током на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока  и его фазового угла на присоединении 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 определение расстояния  оказывается возможным только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки на контактной сети, т.е. до ближайшего поперечного соединения контактных сетей разных путей. В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования (см., например, Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник для вузов ж.д. трансп. - М.: Транспорт, 1982 - 528 с. С. 17-21). Таким образом, при стандартной параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и одним постом секционирования между ними определение  по этим способам возможно только на участке длиной примерно в 1/4 расстояния между смежными тяговыми подстанциями. При использовании любого из указанных способов со стороны только одной тяговой подстанции значение  на длине, составляющей примерно 3/4 длины межподстанционной зоны (расстояния между смежными тяговыми подстанциями), оказывается невозможным. Если указанные способы использовать на обеих смежных тяговых подстанциях, то определение  оказывается возможным только на длине, составляющей около 1/2 длины межподстанционной зоны.
А
В
А
B
A
B
A
B
Известен реализованный в устройстве способ определения удаленности короткого замыкания, не зависящий от числа узловых точек на контактной сети, принятый в качестве прототипа, в котором осуществляют двухстороннюю фиксацию напряжений, токов и фазовых углов при коротком замыкании (Патент на изобретение RU 2153426, МПК 7 В М 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). На смежных тяговых подстанциях А и В измеряют токи подстанций I, I, напряжения U, U на их шинах, фазовые углы, ϕ, ϕ между соответствующими напряжениями и токами, определяют дополнительные фазовые углы ψ и ψ путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
пА
пВ
N
где Х, Х - сопротивления соответственно тяговых подстанций А и В, определяют дополнительно расчетные величины N и α путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
тcA
стВ
тсА
тсВ
где Z, Z - модули заранее неизвестных комплексных значений сопротивлений тяговой сети на участках от места короткого 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:
тcA
тcB
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 рассматриваемом устройстве 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.
А
А
А
В
B
В
A
В
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 межподстанционной зоны с коротким замыканием на одном из электрифицированных путей, 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 тяговой подстанции В, определяют дополнительные фазовые углы ψ и ψ путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
пА
пВ
где Х, Х - известные индуктивные сопротивления тяговых подстанций соответственно А и В, отличающийся тем, что дополнительно находят модуль  и аргумент  сопротивления 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;  - 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.
Новыми признаками способа являются дополнительное определение модуля и аргумента сопротивления схемы замещения, определение модуля и аргумента тока в месте короткого замыкания, а также новое выражение для определения расстояния .
Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния .
Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.
Вариант 2
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на однопутных и многопутных участках с любым числом пунктов параллельного соединения контактной сети разных путей и постов секционирования для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания контактной сети при ее двухстороннем питании.
3
ф
ш
Известен способ определения расстояния до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в 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. В этом способе в момент короткого замыкания измеряют ток Iприсоединения 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.
Недостатком этого способа является низкая точность из-за возникновения в месте короткого замыкания электрической дуги (переходное сопротивление) и отсутствия указанной зависимости  от действительного расстояния на двух- и многопутных участках. Недостатки этого, а также некоторых других известных способов определения удаленности места короткого замыкания, описаны в книге: 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.
Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в патентах на изобретение:
а) RU 2160193, МПК 7 В M 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;
б) RU 2160673, МПК 7 В M 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;
в) RU 2177417, МПК 7 В M 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;
г) RU 2181672, МПК 7 В M 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;
д) RU 2189606, МПК 7 В M 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;
е) RU 2189607, МПК 7 В M 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.
Все патенты по пп. а) - е) основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между напряжением и током на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока и его фазового угла на присоединении 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 определение расстояния  оказывается возможным только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки на контактной сети, т.е. до ближайшего поперечного соединения контактных сетей разных путей. В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования (см., например, Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник для вузов ж.д. трансп. - М.: Транспорт, 1982 - 528 с. С. 17-21). Таким образом, при стандартной параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и одним постом секционирования между ними, определение  по этим способам возможно только на участке длиной примерно в 1/4 расстояния между смежными тяговыми подстанциями. При использовании любого из указанных способов со стороны только одной тяговой подстанции значение  на длине, составляющей примерно 3/4 длины межподстанционной зоны (расстояния между смежными тяговыми подстанциями), оказывается невозможным. Если указанные способы использовать на обеих смежных тяговых подстанциях, то определение  оказывается возможным только на длине, составляющей около 1/2 длины межподстанционной зоны.
А
В
A
B
A
B
А
B
Известен реализованный в устройстве способ определения удаленности короткого замыкания, не зависящий от числа узловых точек на контактной сети, принятый в качестве прототипа, в котором осуществляют двухстороннюю фиксацию напряжений, токов и фазовых углов при коротком замыкании (Патент на изобретение RU 2153426, МПК 7 В М 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). На смежных тяговых подстанциях А и В измеряют токи подстанций I, I, напряжения U, U на их шинах, фазовые углы, ϕ,ϕмежду соответствующими напряжениями и токами, определяют дополнительные фазовые углы ψ и ψ путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
пА
пВ
N
где Х, Х - сопротивления соответственно тяговых подстанций А и В, определяют дополнительно расчетные величины N и α путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
тcA
тcB
тсА
тсВ
где Z, Z - модули заранее известных комплексных значений сопротивлений тяговой сети на участках от места короткого 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:
тcA
тcВ
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 рассматриваемом устройстве 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.
А
А
А
В
B
B
А
B
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 межподстанционной зоны с коротким замыканием на одном из электрифицированных путей, 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 тяговой подстанции В, определяют дополнительные фазовые углы ψ и ψ путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:
пА
пВ
где Х, X - известные индуктивные сопротивления тяговых подстанций соответственно А и В, отличающийся тем, что дополнительно находят модуль  и аргумент  сопротивления 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;  - 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.
Новыми признаками способа являются дополнительное определение модуля и аргумента сопротивления схемы замещения, определение модуля и аргумента тока в месте короткого замыкания, а также новые выражения для определения расстояния .
Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния .
Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.
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, и индуктивно развязанной ее схеме замещения, приведенной на фиг. 1, б (см. Фигурнов Е.П. Сопротивление электротяговой сети однофазного переменного тока. Электричество, 1997, №5. - С. 23-29), 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;
тcA
А
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
В0
U, U - напряжение холостого хода тяговых подстанций соответственно А и В.
Для приведенной на фиг. 1, б схемы имеем:
тcA
тcB
Для сопротивлений Z и Z имеем:
где  - погонное сопротивление 1 км тяговой сети.
Подставив эти значения в (9) и полагая напряжения холостого хода подстанций А и В одинаковыми, получаем:
где принято:
А
В
к
A0
A
A
А
пА
А
пА
А
А
А
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, IХ подстанции A, 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. Опустим из точки «а» на направление вектора U перпендикуляр. При этом получаем:
Для треугольника «0аb» по теореме косинусов имеем:
а по теореме синусов получаем:
А
Подставив в (14) выражение (13) и решив его относительно ψ,получим формулу (1). Аналогичным образом выводится формула (2) для подстанции В.
Комплексное число , состоящее согласно выражению (12) из суммы двух комплексных чисел, может быть представлено в виде , где модуль  и аргумент  определяются известными выражениями (3) и (4).
к
к
Комплексное число , состоящее согласно выражению (11) из суммы двух комплексных чисел, может быть представлено в виде , где модуль I и аргумент γ определяются известными выражениями (5) и (6) с учетом принятого требования отсчета аргументов всех токов относительно одной и той же оси.
Используя экспоненциальную форму комплексных чисел, получим вместо (10):
Заменим экспоненциальную запись комплексных чисел на тригонометрическую:
Поскольку расстояние  по определению является вещественным и не имеет мнимой части, то мнимая часть выражения (15) равна нулю, а действительная часть совпадает с выражением (7).
Из условия равенства нулю мнимой части выражения (15) следует:
Отсюда:
Подставив выражение (16) в формулу (7), получаем выражение (8).