Способ управления автоматическим повторным включением питающей линии контактной сети двухпутного участка
METHOD FOR CONTROLLING THE AUTOMATIC CIRCUIT RECLOSURE OF THE FEED LINE OF THE CONTACT SYSTEM OF A DOUBLE-TRACK SECTION

Изобретение относится к системной автоматике электрифицированных железных дорог, а именно к способу управления автоматическим повторным включением (АПВ) выключателя питающей линии КС с контролем устойчивого короткого замыкания (КЗ) в отключенной контактной сети (КС) переменного тока двухпутного участка.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из [1-10] известно, что контроль отсутствия или наличия КЗ в отключенной контактной сети можно осуществить двумя способами: с помощью измерений остаточного напряжения, генерируемого электроподвижным составом, и с помощью измерений наведенного напряжения. Наведенное напряжение в контактной сети измеряется специально установленным трансформатором напряжения у выключателя питающей линии контактной сети со стороны контактной сети.
Под отключенной контактной сетью будем понимать участок контактной сети, не получающий питание от тяговой подстанции и поста секционирования. В настоящем изобретении будем рассматривать второй способ (с помощью наведенного напряжения), с помощью которого будем оценивать возможность введения автоматического повторного включения (АПВ) питающей линии контактной сети, которое по нормативным документам [3] определяется с задержкой в 5 - 7 сек. Обычно оно называется штатным и в документации на терминал [2] обозначается как АПВ2.
Наведенное напряжение формируется от линии ДПР и (или) на двухпутном участке контактной сети от напряжения и нагрузки смежного пути.
В [4] рассмотрен способ управления АПВ на двухпутном участке, когда при тяговой нагрузке на втором пути генерируется наведенное напряжение совместно с гармоническими составляющими напряжения. Для их ограничения устанавливают в [4] низкочастотные фильтры. Однако фильтры наряду со снижением напряжения гармонических составляющих снижают и напряжение основной частоты, что снижает чувствительность в определении факта отсутствия КЗ.
Для оценки влияния тока смежного пути в [5] предложено определять отношение первой и третьей гармоники наведенного напряжения. Однако при наличии на зоне устройства статического генератора реактивной мощности (СГРМ) с функцией фильтрации высших гармоник в тяговой сети или при обращении электроподвижного состава (ЭПС) с асинхронными двигателями доля третьей гармонической составляющей существенно снижается, вплоть до нуля. В этом недостаток изобретения [5].
В [6] предложено учесть наведенное напряжение от тока смежного пути путем измерения этого тока с помощью трансформатора тока выключателя. Однако в [6] не контролируется расположение электровозов на смежном пути, что приводит, в ряде случаев, к недопустимым погрешностям расчета наведенного напряжения.
Итак, на основании анализа рассмотренных изобретений ясно, что уровни наведенного напряжения электрического и магнитного влияния сопоставимы и определить устойчивое или проходящее КЗ только по их сравнению невозможно [1-10]. Поэтому необходимо введение нового признака для решения задачи.
Авторы определили, что новым признаком является фаза наведенного напряжения. В [1] указано, что индуцированное наведенное напряжение отстает на 90° от влияющего тока и является характеристикой магнитной составляющей наведенного напряжения. В то же время при электрическом влиянии наведенное напряжение находится в фазе с влияющем напряжении. Это является основной идеей изобретения.
Изобретение [6] близко к идее предлагаемого изобретения, и поэтому принимаем его за прототип.
Цель изобретения повысить надежность определения проходящего или устойчивого КЗ в отключенной контактной сети двухпутного участка.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На основании прототипа [6] рассматривается способ управления автоматическим повторным включением основного выключателя питающей линии контактной сети двухпутного участка с установленным трансформатором напряжения и микропроцессорным терминалом и устройством контроля короткого замыкания в контактной сети, а также с выключателем контактной сети смежного пути, основанный на измерении наведенного напряжения в контактной сети, причем по опорам контактной сети проходит линия ДПР (два провода - рельс).
Существующая схема питания двухпутного участка рассмотрена, в частности, в [10, рис. 9,1; 9,4; 11,1].
Для реализации цели изобретения:
- вводятся измеряемые параметры, характеризующие состояние аварийно отключенной контактной сети, а именно, короткое замыкание устойчивое или проходящее: напряжение линии ДПР и фаза наведенного напряжения относительно напряжения шин 27,5 кВ,
0нав
0
0мин
0макс
- предварительно рассчитывают начальные условия - действующее наведенное напряжение U при отсутствии короткого замыкания в контактной сети и работающей линией ДПР и при отключенном выключателе контактной сети смежного пути, а при КЗ в контактной сети, питающейся от основного выключателя, и включенном выключателе смежного пути определяют фазу между наведенным напряжением установленного трансформатора ϕ (в виде зоны от минимального ϕ до максимального ϕ значений) и напряжением шин 27,5 кВ,
нав
дпр
- и после аварийного отключения основного выключателя замеряют действующее значение наведенного напряжения U* в отключенной контактной сети, а также при измененной полярности подведенного напряжения линии ДПР U' замеряют фазу ϕ* между наведенным напряжением установленного трансформатора и напряжением шин 27,5 кВ и,
0мин
0макс
нав
0нав
если ϕ ≤ ϕ* ≤ ϕ, то следует команда «запрет АПВ», а при остальных значениях ϕ* и при U*≥U - подается команда «разрешение АПВ».
Уточним расчетные и измеряемые значения:
дпр
- для расчета начальных условий наведенное напряжение рассчитывается при реальной полярности U;
дпр
- фаза ϕ* между напряжением шин 27,5 кВ и наведенным напряжением установленного трансформатора измеряется при измененной полярности линии ДПР U';
0
- фаза ϕ измеряется при КЗ в контактной сети, то есть при отсутствии электрического влияния от ДПР (а это значит - при отсутствии ДПР);
- все фазы от напряжения шин 27,5 кВ отсчитываются до отстающих наведенных напряжений относительно напряжения шин 27,5 кВ, питающей основной выключатель;
ДПР
нав
ДПР
- в значениях U' и U' «штрих» означает, что измерения выполнены при изменении полярности напряжения линии ДПР- U'.
нав
0нав
Итак показано, что определяющим в изобретении является измерение фазы наведенного напряжения. Однако для надежности получения результата дополняем указанный признак известной характеристикой - значением напряжения наведенного напряжения в послеаварийном режиме. В частности, при близком КЗ в контактной сети к установленному трансформатору напряжения наеденное напряжение будет приближаться к нулю, и в этих условиях наблюдается большая погрешность определения фазы напряжения. В этом случае условие U*≥U четко укажет на наличие КЗ в контактной сети, так как это условие не выполняется.
РАСЧЕТ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
На основании статистических данных по реальным нагрузкам тяговой сети и по реальным данным наведенного напряжения рассмотрим начальные условия параметров в Изобретении, которые рассчитываются предварительно и заносятся в соответствующий блок устройства, реализующий рассматриваемый способ.
0
0
н
0
н
0
0
0мин
0макс
0макс
0мин
0мин
1. Начальное условие - фаза ϕ определяется между наведенным напряжением установленного трансформатора и напряжением шин 27,5 кВ при наличии КЗ в контактной сети, подключенной к основному выключателю. Известно [1,10], что при КЗ и соответствующем наведенном напряжении от тока смежного пути магнитного влияния указанная фаза определяется соотношением реактивной и активной составляющими погонного сопротивления взаимной индукции. По мере уменьшения ширины сближения между влияющей и подверженной влиянию цепями доля активной составляющей коэффициента взаимной индукции уменьшается и ϕ стремится к 90°. Если принять фазу тяговой нагрузки в пределах ϕ=4-45°(меньшие значения для ЭПС с асинхронными двигателями, а большие значения - для ЭПС с коллекторными двигателями [7]), то ϕ=ϕ+90°. Чтобы учесть различные реальные ситуации при возможной ширине сближения ДПР к контактной сети, то следует в качестве начального условия дать некоторый диапазон значений ϕ в связи с изменением фазы тока тяговой нагрузки (4 до 45° [1,7]). Поэтому предложен диапазон ϕ от минимального ϕ до максимального ϕ значения, а именно ϕ=50+90=140°, а ϕ на 50° меньше, то есть ϕ=90°. На конкретных межподстанционных зонах железных дорог указанный диапазон может быть откорректирован.
дпр
Итак, если измеренная фаза ϕ* находится в пределах от 90 до 140°, то это свидетельствует о том, что наведенное напряжение чисто магнитного влияния, и тогда можно надежно утверждать о наличии КЗ в контактной сети. Фаза ϕ* в общем случае определяется с учетом измененной полярности напряжения ДПР - U', (пояснения будут даны далее). При этом следует учесть, что при КЗ электрическое влияние на контактную сеть отсутствует, поэтому при КЗ измеренная фаза ϕ* будет определяться без электрического влияния.
нав
нав
2. Начальное условие U0нав - значение наведенного напряжения только от ДПР при принятой фазировке этой линии и соответствующем расположении ее проводов относительно контактной сети с учетом возможного вывода части ВЛ ДПР в ремонт, при котором напряжение влияния может снижаться. КЗ в контактной сети отсутствует и наведенное напряжение от смежной линии не учитывается. Как указано, уровни наведенного напряжения электрического и магнитного влияния сопоставимы и измеренное значение U* дает лишь предварительную картину наличия устойчивого (проходящего) КЗ, а окончательный результат определяется после рассмотрения другого показателя - измеренной фазы ϕ* между напряжением установленного трансформатора и напряжением шин 27,5 кВ. Еще раз укажем, что U* (в отличие от ϕ*) определяется без изменения полярности напряжения ДПР.
0нав
Пронимается значение U=500 В. В эксплуатационной практике это значение может уточняться для конкретных межподстанционных зон.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для пояснения рассматриваемого способа представлен рис. 1, где введены следующие обозначения:
1 - шины 27,5 кВ тяговой подстанции;
2 - основной выключатель питающей линий контактной сети 5 с установленным трансформатором напряжения 8 ТН-27,5 кВ;
3 - выключатель питающей линий контактной сети смежного пути 6;
4 - выключатель питающей линии 7 ДПР;
9 и 16 - однофазные трансформаторы напряжения ТН-27,5 кВ шин 27,5 кВ, измеряющие линейные напряжения трехфазной системы;
нав
дпр
дпр
дпр
10 - микропроцессорный терминал ИнТер выключателя 2, в который от трансформаторов 8,9,16 введены данные: наведенное напряжение в контактной сети U*, напряжение ДПР U и это же напряжение с измененной полярностью U', а также измеренная фаза ϕ* наведенного напряжения при напряжении ДПР с измененной полярностью - U';
нав
0нав
0
11 - блок с наведенным напряжением в контактной сети U* и его фазы ϕ* относительно напряжения шин 27,5 кВ, в который вводятся в виде уставок начальные условия: U и ϕ;
0мин
0макс
12 - блок сравнения ϕ≤ϕ*≤ϕ;
нав
0нав
13 - блок сравнения U*≥U;
14 - команда на «Запрет АПВ»;
15 - команда на «Разрешение АПВ».
Ш
ДПР
У выключателя 2 установлен однофазный трансформатор напряжения 8 ТН-27,5 кВ и микропроцессорный терминал 10 ИнТер. На шинах 27,5 кВ 1 тяговой подстанции установлены два однофазных трансформаторов ТН-27,5 кВ 9 и 16, контролирующие линейные напряжения, и осуществляющие контроль линейных напряжений тяговой сети U и линии ДПР U. Выключатель 3 питает смежный путь 6 контактной сети, линия ДПР 7 подключена к выключателю 4.
нав
дпр
дпр
0нав
0
Терминал 10 ИнТер содержит блок измерения наведенного напряжения в контактной сети U* и напряжения в линии ДПР U и соответственно это же напряжение с измененной полярностью U', а также фазу ϕ* между напряжением установленного трансформатора и напряжением шин 27,5 кВ Предварительно при отсутствии КЗ в тяговой сети определяют начальное условия U, а при наличии КЗ рассчитывают ϕ и вводят их значения в блок 11
Представим векторные диаграммы тока и напряжения послеаварийного режима при аварийном отключении основного выключателя для двух вариантов КЗ с целью пояснения сути изобретения (рис. 2).
ш
н
нав.м
0
0макс
0мин
н
1-ый вариант при устойчивом КЗ, когда электрическое влияние от ДПР отсутствует. Разберем векторную диаграмму по рис 2, а. Ток смежного пути 1 см отстает от напряжения шин 27,5 кВ U на угол ϕ., а от него отстает индуцированная ЭДС в контактной сети 5. В результате магнитного влияния формируется действующее наведенное напряжение в контактной сети, измеряемое установленным трансформатором напряжения 8 -U [11]. Так как КЗ устойчивое, то электрическое влияние от напряжения ДПР отсутствует, и указанное наведенное напряжение характеризуется только магнитным влиянием. В связи с указанным начальные значения фазы ϕ на графике (рис. 2, а) показаны диапазоном от ϕ до ϕ, в зависимости от фазы нагрузки ϕ. Если при КЗ измеренный угол ϕ* (на рис. 2, а показан двойной линией) попадет в указанную зону, то уверенно надо принимать команду «запрет АПВ».
В [11] указано, что существуют в зависимости от фазировки тяговой сети четыре схемы подключения ДПР к выводам силового трансформатора. В первой и четвертой схемах линейное напряжение ДПР отстает от линейного напряжения контактной сети на 120°, а во второй и третьей схемах линейное напряжение ДПР отстает от линейного напряжения контактной сети на 60°. Для указанных схем разберем векторные диаграммы тока и напряжения в послеаварийных ситуациях.
нав
дпр
дпр
0
0.мин
0.иакс
Причем укажем, что предварительные расчеты совместного действия магнитного и электрического влияния при действии реальных значений напряжений при отсутствии КЗ показали, что результирующий вектор наведенного напряжения U попадает в зону ϕ* или близок к ней, и что указывает на наличие КЗ, хотя по исходным данным в расчетах - КЗ отсутствует. Поэтому в изобретении у подводимого напряжения от линии ДПР при расчете фазы наведенного напряжения предложено поменять полярность и все дальнейшие измерения и расчеты фазы ϕ* будем выполнять с измененной полярностью напряжения линии ДПР - U'. В результате расчетов получено, что при измененной полярности подводимого напряженияU при всех нормативных схемах фазировки и отсутствии КЗ измеренная фаза ϕ* всегда отдалена от зоны начального условия ϕ (от ϕ и до ϕ), что правильно указывает на отсутствие КЗ.
Заметим, что при наличии КЗ отсутствует электрическое влияние от ДПР, и поэтому в этом случае ДПР не участвует в формировании наведенного напряжения.
0
0.мин
0.иакс
нав
ш
дпр
0.мин
0.иакс
0.мин
0.иакс
0.мин
0.иакс
0.мин
0.
Указанная отдаленность фаза ϕ* от зоны ϕ (от ϕ и до ϕ) измеряется следующим способом. Измеряется фаза ϕ* наведенного напряжения U' относительно напряжения шин U, питающей контактную сеть (при смене полярности U'), и сравнивается с ϕ и ϕ, Если ϕ* попало в зону от ϕ до ϕ, то, следовательно, существует КЗ в контактной сети. Если ϕ* находится за пределами зоны от ϕ и ϕ , то это определяет удаленность от зоны ϕ…ϕ, следовательно, предварительно указывает на отсутствие КЗ в тяговой сети.
Конкретно рассмотрим векторные диаграммы по указанным схемам ДПР, подключенным на тяговых подстанциях.
ш
дпр
нав.э
дпр
нав
0.мин
0.макс
0.иакс
нав
нав
дпр
1. Схема 1. (рис. 2, б) Ток смежного пути 1 см отстает от напряжения шин 27,5 кВ на угол 4 - 45° [7] и соответственно наведенное напряжение магнитного влияния отстает от этого тока примерно на 90°. Вектор напряжения ДПР в этой схеме отстает от U (питающей контактную сеть) на 60° [11], и на рис 2, б показано напряжение ДПР с измененной полярностью U' Наведенное напряжение U' электрического влияния совпадает по фазе с вектором U'. В результате фаза ϕ* суммарного значения наведенного напряжения U' достаточно отдалена от зоны ϕ… ϕ, то есть она значительно больше ϕ (см. рис. 2, б, ϕ* показана двойной линией), и поэтому принимается решение включения выключателя по АПВ. Отметим, что для блока 13 (рис. 1) напряжения U*(на рис 2, б -U) измеряется при реальном напряжении U, а значение напряжения U0нав рассчитывается при отсутствии КЗ (см. РАСЧЕТ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ).
дпр
ш
нав
0.мин
0.макс
0.макс
нав
нав
дпр
2. Схема 2 (рис. 2, в). Напряжение U отстает от U на 120°. В результате построений видно, что фаза ϕ* суммарного наведенного напряжения U' значительно отдалена от зоны ϕ…ϕ, так как фаза ϕ* (показана двойной линией, см. рис. 2, в) значительно больше ϕ, что указывает на разрешение АПВ выключателя. Повторим, что для блока 13 (рис. 1) U* (на рис. 2, в - U) измеряется при реальном значении напряжения ДПР - U, а значение напряжения U0нав рассчитывается при отсутствии КЗ (см. РАСЧЕТ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ).
Итак, окончательно дадим описание работы Изобретения.
нав
Случай проходящего К3-1. Аварийно отключается основной выключатель 2, с помощью трансформатора напряжения 8, трансформатора тока 9 и блоков 10 и 11 фиксируется U* и ϕ*. После аварийного отключения выключателя 2 от КЗ-1 по разным причинам самоликвидируется. Блок 12 фиксируют «нет» - а блок 13 фиксирует «да», в результате подается команда 15 на включение выключателя, то есть команда на АПВ.
0.мин
0.иакс
Случай устойчивого КЗ-2. После аварийного отключения выключателя 2 КЗ-2 остается, то есть - это устойчивое КЗ-2 1) блок 12 фиксирует «да»- так как ϕ* находится в зоне ф…ϕ и поэтому в 14 формируется команда на запрет АПВ.
дпр
Таким образом, введение нового признака, а именно фазы наведенным напряжением установленного трансформатора напряжения относительно напряжения шин 27,5 кВ и изменение полярности напряжения линии ДПР - U' для контроля фазы наведенного напряжения позволили определять в отключенной контактной сети устойчивое или проходящее КЗ, и тем самым оперативно управлять АПВ основного выключателя питающей линии контактной сети.
Технико-экономический эффект изобретения определяется снижением числа пережогов и объемов повреждения тяговой сети в аварийных ситуациях, а также снижением износа коммутационной аппаратуры и силовых трансформаторов.
Литература
1. Герман Л.А., Герман В.Л. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока. Монография. М.: МИИТ, 2014 -174 с.
2. ГОСТ Р 5121-2016. Терминалы присоединений интеллектуальные для распределительных устройств тяговых подстанций, трансформаторных подстанций и линейных устройств тягового электроснабжения железной дороги. Технические требования.
3. Защита систем электроснабжения железных дорог от коротких замыканий и перегрузок. Ч. 2. Методика выбора алгоритмов действия, уставок блокировок и выбора времени автоматики в системе тягового электроснабжения: СТО РЖД 07.021.2-2015.
4 Патент №2397502 от 29.04.2009 Устройство контроля проходящего и устойчивого короткого замыкания в контактной сети переменного тока (Герман Л.А., Герман В.Л.). Опубл. 20.08.10 Бюл. №23.
5. Патент 2498328 от 19.04.2013. Способ управления автоматическим повторным включением выключателя фидера с контролем короткого замыкания в контактной сети. (Герман Л.А., Герман В.Л.). Опубл. 10.11.2013. Бюлл. №31.
6. Патент 2744492 от 28.07.20. Способ управления автоматическим повторным включением выключателя подстанции контактной сети переменного тока двухпутного участка. (Герман Л.А., Субханвердиев К.С., Карпов И.П.). Опубл. 10.03.21. Бюлл. №7.
7. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. М.: ФГБОУ УМЦ. 2015-316 с.
8. Герман Л.А., Селякин B.C. Автоматика в аварийных ситуациях тяговой сети переменного тока. Электроника и электрооборудование транспорта 2010 №2-3. С. 37-44.
9. Карпов И.П. Расчеты электрического и магнитного влияния тяговой сети системы 25 кВ в послеаварийный период. Электроника и электрооборудование транспорта 2020 №2. С. 6-11.
10. Герман Л.А., Субханвердиев К.С., Герман В.Л. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока: учебное пособие. Н. Новгород, филиал СамГУПС, 2019. 234 с.
11. Ратнер М.П., Могилевский Е.Л. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог. - М.: Транспорт, 1985. - 295 с.