Способ определения места короткого замыкания контактной сети переменного тока системы 25 кВ
METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF A SHORT CIRCUIT IN THE AC CONTACT NETWORK OF A 25 kV SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может быть использовано в системах электроснабжения тяги для определения удаленности короткого замыкания в контактной сети переменного тока многопутного участка с постом секционирования.
Уровень техники
Принципы определения места повреждения (ОМП) контактной сети переменного тока железных дорог изложены в [1], где раскрыты способы и устройства современных схем ОМП на железной дороге. И там же указано на повышенные погрешности ОМП. Реализация ОМП в сетях энергосистемы представлена в [2, 3, 4] и предлагается использовать метод контроля реактивной мощности для ОМП, который, к сожалению, не применялся на железных дорогах. В [4] определяют суммарную реактивную и активную мощности в начале и конце сети, определяют место достижения суммарной реактивной мощности нулевого значения и принимают, что в этом месте произошло повреждение. К сожалению, [4] не пригодно к неоднородным сетям и для тяговых сетей не приспособлено.
ПС
1
2
ПС
Известен способ для определения удаленности короткого замыкания в контактной сети по параметрам аварийного режима, реализованный в устройстве [5]. Он заключается в измерении напряжения U на шинах поста секционирования, питающего контактную сеть, тока I питающей линии поврежденной контактной сети и тока I питающей линии неповрежденной контактной сети и смежного пути того же направления и их углов сдвига фаз между указанными токами и напряжением U, и определяют удаленность короткого замыкания с помощью конечного вычислительного алгоритма.
Способ имеет ряд недостатков: он не предусматривает расчет для неоднородных сетей, обладает погрешностью, обусловленной использованием в знаменателе расчетных формул измеряемых и рассчитываемых величин. Влияние на итоговую погрешность ОМП возможных погрешностей расчетов и измерений величин в знаменателе покажем на простом примере. Проведем расчет на формуле А=В/С, где С измерено с погрешностью 20%, то есть вместо С в знаменателе будет 0,8С. Пусть значение А характеризует расстояние до места КЗ, и нас интересует итоговая погрешность А. По расчету А=(1/0,8) В/С=1,25 В/С.Это значит, что при погрешности С в знаменателе в 20% погрешность А получается в 25%. Проведя серию аналогичных расчетов, получим: при погрешности С в знаменателе 5%, 10%, 20%, 30% итоговая погрешность А составит: 5,2%, 11%, 25%,42%, то есть она увеличивается по сравнению с погрешностью измеряемых и расчетных значений.
В [6] рассмотрен ОМП, учитывающий неоднородность в тяговой сети, однако в нем следующие недостатки. Во-первых, усложнены формулы расчета, так как вводится специальный расчетный блок, учитывающий снижение сопротивления рельсовой цепи вблизи тяговой подстанции, и поэтому, если перенести ОМП на пост секционирования, то нет необходимости контролировать факт снижения сопротивления рельсовой цепи. Во-вторых, расчет малых дополнительных углов 8 неизбежно приводит к увеличению общей погрешности ОМП. Указанные недостатки приводят к снижению точности определения удаленности .
ПС
1
2
В качестве прототипа принимаем наиболее близкое по существу разрабатываемого изобретения - изобретение [6]. Способ определения удаленности короткого замыкания в неоднородной тяговой сети двухпутного участка переменного тока с двухсторонним питанием и тяговыми подстанциями А и В по параметрам аварийного режима между постом секционирования и смежной подстанции В путем измерения на шинах поста секционирования (ПС) напряжения U, токов питающих линий контактной сети поврежденной I' и неповрежденной I и их фазовых углов относительно напряжения с учетом индуктивно развязанных сопротивлений контактной сети и рельсовой цепи [1,7].
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение точности и его упрощение. Повышение точности достигается за счет, во-первых, применения реактивной мощности при определении расстояния до места КЗ и, во-вторых, ОМП устанавливается на посту секционирования, а не на тяговой подстанции, а упрощение расчетных формул обеспечивается за счет использования критерия ОМП по реактивной мощности КЗ при определении места повреждения, то есть устанавливается равенство нулю реактивной мощности в месте КЗ.
Технический результат заключается в упрощении и повышении точности определения расстояния до места короткого замыкания.
Для осуществления технического результата при аварийном режиме задаются начальным значением расстояния  до места повреждения и определяют по измерениям на посту секционирования реактивную мощность КЗQпс, приходящую на поврежденную тяговую сеть, а на смежной подстанции В рассчитывают реактивную мощность КЗ - Qв при питании поврежденной линии и далее рассчитывают потери реактивной мощности на сопротивлениях поврежденной тяговой сети между постом секционирования и подстанцией В, после чего расстояние  короткого замыкания до места повреждения определяют методом последовательных приближений в результате систематического вычисления разности δQ суммарной реактивной мощности на шинах поста секционирования ПС и подстанции В, (Qпс + Qв), и суммы потерь реактивной мощности (ΔQпс + ΔQв) на сопротивлениях поврежденной тяговой сети при изменяющимся заданном значении расстояния , и при
фиксируют приближенное место повреждения lк, принимая однородной тяговую сеть, при этом все расчеты реактивной мощности и потери реактивной мощности на индуктивно развязанных сопротивлениях поврежденной тяговой сети определяются по предложенным формулам при изменяющемся расстоянии :
- напряжение на подстанции В
где  - ток поврежденной контактной сети со стороны подстанции В, А;
, ,  - индуктивно развязанные сопротивления тяговой сети, Ом;
,  - погонные сопротивления тяговой сети, Ом/км (определяются по справочнику [8]):
Тогда
- напряжение на подстанции В
- ток от подстанции В
- реактивная мощность на подстанции В, приходящая на поврежденную тяговую сеть
- а потери реактивной мощности в сопротивлениях тяговой сети поврежденного участка определяются по выражению:
Так как здесь и далее определяем реактивную мощность, то принимаем индуктивное сопротивление участков тяговой сети.
При двухстороннем питании проблема большой погрешности ОМП определяется переходным активным сопротивлением в месте КЗ [2]. Поэтому главная причина введения расчетов по реактивной мощности, которые не учитывают активную мощность с переходным активным сопротивлением - избежать расчеты с активным сопротивлением. И в [2] указано на обобщающий критерий по реактивной мощности: реактивная мощность в точке КЗ К равна
Однако в [2] сказано, что «…реализация способа с помощью (11) технически затруднено из-за необходимости фиксации шести комплексных величин на каждом конце линии» И далее «…нам до сих пор неизвестны попытки использования непосредственно критерия (11)». Более того, в тяговом электроснабжении критерий (11) вообще не применялся. В связи с особенностями тягового электроснабжения, где существенно электромагнитное влияние, применение критерия (11) для двухпутного участка стало возможным только после развязки электромагнитных связей в тяговых сетях [1,7].
В связи с указанным, новизна изобретения состоит в том, что:
1) критерий (11) применяется для однофазной тяговой сети с индуктивно развязанными сопротивлениями поврежденных и неповрежденных тяговых сетей как разность суммарной реактивной мощности источников питания (поста секционирования и тяговой подстанции) и суммарной реактивной мощности потерь на сопротивлениях тяговой сети поврежденного участка;
2) в аварийном режиме рассчитывают напряжение на смежной подстанции, а не принимают напряжения на тяговых подстанциях равными, как в [6];
3) при одностороннем измерении параметров на посту секционирования рассчитывают реактивную мощность смежной тяговой подстанции в аварийном режиме;
4) потери реактивной мощности в аварийном режиме рассчитывают на индуктивно развязанных сопротивлениях поврежденной тяговой сети как произведение индуктивного сопротивления на квадрат модуля тока короткого замыкания на этом сопротивлении;
5) ОМП установлено на посту секционирования, а не на тяговой подстанции, и, следовательно, по этой причине уточняется точность расчета, так как у поста секционирования сопротивления рельсовой цепи величина постоянная, и большая вероятность, что при КЗ отключается тяговый режим электровоза;
6) в разработанном алгоритме расчета применяются основные формулы произведения измеряемых и расчетных величин (например, (10), (11)), то есть отсутствуют расчеты, где в знаменателе присутствуют расчетные величины, например, значение sin с дополнительным углом δ [6].
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена схема участка с КЗ в точке К, (при этом: а) схема электроснабжения; б) схема замещения).
На Фиг. 2 представлена тяговая сеть участка железной дороги ПС - В.
Осуществление изобретения
2
ПС
Для обоснования предлагаемого способа изобретения рассмотрим схему замещения тяговой сети электрифицированной железной дороги [1] в соответствие с ее схемой электроснабжения (Фиг. 1, схема а). На ней приведена двухсторонняя схема питания контактной сети двухпутного участка межподстанционной зоны между тяговыми подстанциями А и В, имеющая пост секционирования ПС, на котором расположены трансформаторы тока ТА и трансформаторы напряжения TV, и через которые осуществляют измерения тока поврежденного участка , тока неповрежденного участка I, и напряжения U. Зона, в которой измеряется удаленность  до точки K короткого замыкания, ограничивается расстоянием  от поста секционирования ПС до тяговой подстанции В.
На схеме замещения (Фиг. 1, схема б) приняты следующие обозначения:
1 и 2 - тяговые подстанции А и В соответственно с напряжением UА и UВ.
2
3 - неповрежденный участок контактной сети (сопротивление Z) первого пути.
4 и 5 - поврежденные участки контактной сети (сопротивления  и ) второго пути при КЗ в точке К.
6 и 7 - участки рельсового пути поврежденного участка при КЗ в точке К (с сопротивлениями X'р и X''р).
8 - двухпутный участок с неповрежденной контактной сетью между тяговой подстанцией А и постом секционирования ПС.
I
В точке К (в месте КЗ) существует активное переходное сопротивление Rпер. Однако в схеме оно не указано, так как схема замещения сформирована для расчета реактивной мощности, где активное сопротивление не участвует. Действительно, пусть по активному сопротивлению Rпер протекает ток =(I'-jI'') (I', I'' - активная и реактивная составляющие тока). Потери мощности на Rпер равны произведению указанного тока на его сопряженное значение и на Rпер, в результате потери активной мощности равны , а потери реактивной мощности равны нулю.
Покажем последовательность расчета с целью определения места повреждения (Фиг. 2), где на участке тяговой сети с двухсторонним питанием между ПС и ТП В, КЗ в точке К.
На участке между ПС и ТП В расположены две железнодорожные станции, что в целом делает весь участок тяговой сети между подстанциями неоднородной тяговой сетью. Поэтому расчет выполняем в два этапа:
1 этап. Расчет условно однородной тяговой сети. В этом случае применяем в расчетах погонное сопротивление тяговой сети , где Z и  - сопротивление и длина рассматриваемого участка тяговой сети.
2 этап. Используя результаты предыдущего расчета, выполняем расчет реальной неоднородной тяговой сети.
Отметим, что последовательность расчетов не изменится, если вместо двухпутного участка будет многопутный.
1
При аварийном отключении по данным измерения параметров аварийного режима рассчитывают реактивную мощность от ТП в сторону поврежденного участка. Мысленно разделяем зону между постом секционирования и тяговой подстанции В на участки однородной сети. С целью снижения количества расчетов будем задаваться точками КЗ К по концам однородных участков. Пусть первое задание точки КЗ - на расстоянии I (Фиг. 2). Тогда после расчетов по выражениям (2) - (6) проверяем значение δQ (1). Если δQ=0, то точка КЗ найдена. В противном случае фиксируем знак δQ и выбираем следующую точку на границе однородной зоны контактной сети. Если после аналогичных расчетов знак δQ поменялся, то это значит, что нашли ЗОНУ повреждения, где методом последовательных приближений будем уточнять тесто КЗ - точку К.
Алгоритм изобретения можно описать следующей последовательностью действий в два этапа.
1 этап. Рассматривается условно однородная тяговая сеть:
ПС
2
1
ПС
1) при возникновении аварийного режима (короткого замыкания) контактной сети измеряют на посту секционирования напряжение U на шинах, ток  питающей линии (фидера) поврежденной контактной сети и ток I неповрежденной контактной сети смежного пути того же направления, угол сдвига фаз φ между этими токами и напряжением U,
ПС
2) вычисляют реактивную мощность КЗ поврежденной линии на посту секционирования Q;
3) Задаются расстоянием lк и выполняют расчеты
- напряжения и ток подстанции В;
- реактивной мощности КЗ на подстанции В;
- потерь реактивной мощности на сопротивлениях поврежденной тяговой сети от токов поврежденной линии со стороны поста секционирования и со стороны тяговой подстанции В,
4) пункт 3) повторяется многократно с шагом lк в 1 км до выполнения условия (1). Если при очередном шаге меняется знак δQ, то определяется зона повреждения на участке между этим и предыдущими шагами и далее продолжаются расчеты в этой зоне, но с шагом . В результате определяется приближенное значение ,
2 этап. Рассматривается реальная неоднородная тяговая сеть
5) С шагом lк=0,1 км повторяются расчеты по п. 3, начиная с точки lк, определенной в п. 4, в обе стороны. В результате определяется точное расстояние .
Технико-экономическая эффективность изобретения определяется упрощением алгоритма расчета и повышением точности определения КЗ в неоднородной тяговой сети.
Список литературы
1. Фигурнов, Е.П. Релейная защита. Учебник для вузов ж.-д. трансп.В 2-х частях. 4.2. / Е.П. Фигурнов. - М.: ГОУ «УМЦ по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 604 с.
2. Аржанников Е.А, Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередач. М.: Энергоатомиздат, 2003, 272 с
3. Куликов А.Л., Обалин М.Д. Адаптивное определение места повреждения линии электропередачи по параметрам аварийного режима. Часть 1 и 2 - М.: НТФ «Энергопрогресс», 2019. - [Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик»]. Вып. 9 (249) и 10 (250).
4. Патент RU 2492493 от 23.11.2011. МПК G01R 31/08. Способ определения места повреждения многопроводной электрической сети при двухстороннем наблюдении. (Лямец Ю.Я. и др.). Опубл. 10.09.2013. Бюл.25.
5. Патент RU 2747112, МПК В60М 1/00. Способ определения удаленности короткого замыкания в контактной сети переменного тока многопутного участка (варианты) / Л.А. Герман, К.С. Субханвердиев, Е.П. Фигурнов, И.П. Петров, А.Ю. Попов, Е.В. Вязов (RU) Заявл. от 23.10.2020; Опубл. 27.04.2021, Бюл. №12.
6. Патент RU 2189606 от 16.04.2001 Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети переменного тока и устройство для его выполнения (Фигурнов Е.П. и др.) Опубл.20.09.2002. Бюл. №26
7. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1982 - 528 с.
8. Сборник СТО РЖД. Защита систем электроснабжения железной дороги от коротких замыканий и перегрузки Часть 1-5. - М.: ООО «Центр инноваций и Развития «Техинформ». 2019 г. 304 стр.