СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО МЕСТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В МНОГОПУТНЫХ ТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01R31/08 H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите в тяговых сетях многопутных участков железнодорожного, городского и промышленного транспорта, а также метрополитенов. Целью изобретения является определение точного места короткого замыкания в тяговых сетях постоянного и переменного тока.

Предлагается новый способ определения места короткого замыкания в многопутных тяговых сетях переменного и постоянного тока, при котором контактные подвески двух параллельных путей тяговой сети, на одной из которых зафиксировано короткое замыкание, соединяют в начале - у тяговой подстанции, и в конце - на посту секционирования или у соседней тяговой подстанции, в точку соединения подвесок у тяговой подстанции через ограничивающий резистор подают напряжение, замеряют токи по контактным подвескам путей и по их отношению определяют расстояние от места соединения подвесок у тяговой подстанции до места короткого замыкания.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано в тяговых сетях многопутных участков железнодорожного, городского и промышленного транспорта, а также метрополитенов.

Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания в промышленных сетях по параметрам короткого замыкания (величине тока или сопротивлению сети) [1, 2]. Однако эти способы дают неверные результаты, если в цепь короткого замыкания оказывается включенным какое-либо дополнительное переходное сопротивление, например, если короткое замыкание в тяговой сети происходит в результате повреждения изоляции контактной сети на опоре и в цепь тока короткого замыкания оказывается включенным сопротивление растеканию опоры, ограничивающее ток короткого замыкания. Кроме того, измерения будут искажены, если на ток короткого замыкания будет наложен остаточный ток нагрузки или если изменится напряжение на шинах тяговой подстанции.

Остановка движения даже по одному из путей ж.д. из-за невозможности быстро определить и устранить место короткого замыкания влечет за собой огромные экономические потери и напрямую связана с общей безопасностью движения на железнодорожном транспорте. Поэтому отыскание и устранение неисправности в тяговой сети должно быть произведено как можно быстрее. Сроки отыскания места короткого замыкания и количество оперативных ремонтных бригад, принимающих участие в поисках, можно было бы значительно снизить, если еще до выезда ремонтных бригад на линию знать достаточно точно зону, где находится место короткого замыкания. Это дало бы возможность выезжать одной бригаде в определенное место и в минимальные сроки устранять повреждение.

Именно такой технический результат повышения эффективности устранения короткого замыкания и достигается использованием предлагаемого изобретения.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в [1]. Он и взят за прототип.

Предлагается новый способ определения места короткого замыкания в многопутных тяговых сетях переменного и постоянного тока по параметрам короткого замыкания, характеризующийся тем, что в качестве параметра, определяющего расстояние до места короткого замыкания, используется токораспределение в искусственно создаваемой к моменту начала процесса определения расстояния до места короткого замыкания измерительной схеме, образуемой из контактных подвесок двух параллельных путей многопутного участка, на одной из которых зафиксировано короткое замыкание, для чего указанные контактные подвески соединяют между собой в начале - у тяговой подстанции, и в конце - на посту секционирования или у соседней тяговой подстанции, в точку соединения подвесок у тяговой подстанции через токоограничивающий резистор кратковременно, в течение 0,2-0,3 секунд, подают напряжение, замеряют токи по контактным подвескам путей и по отношению величин замеренных токов определяют расстояние х от места соединения подвесок у подстанции до места короткого замыкания, по формуле

справедливой в случае одинаковых и однородных по длине контактных подвесок параллельных путей, выполненных из одинакового набора проводов при постоянном их взаимном расположении.

В формуле L - длина измерительной схемы - расстояние между точками соединения контактных подвесок параллельных путей, км;

I₁ и I₂ - замеренные значения токов (средние, действующие или мгновенные) в контактных подвесках путей, соответственно 1-го и 2-го, А;

Принципиальная схема, поясняющая существо предлагаемого способа определения места короткого замыкания в тяговых сетях переменного и постоянного тока при однородных и одинаковых по длине контактных подвесках путей, показана на фиг.1, где

1 - э.д.с. источника питания (тяговой подстанции);

2 - ключ (выключатель), которым подается напряжение на измерительную схему;

3 - токоограничивающий резистор;

4 - измерительная схема, образованная контактными подвесками 1 и 2 путей (соответственно КП 1 и КП 2) и местами их соединения на тяговой подстанции П1 и на посту секционирования или на соседней тяговой подстанции П2;

5 - место короткого замыкания;

6 - возможное дополнительное переходное сопротивление в месте короткого замыкания;

7 - обратный общий провод, образованный рельсами двух путей и землей;

х - расстояние до места короткого замыкания, км;

L - длина измерительной схемы.

Покажем, что в случае одинаковых контактных подвесок параллельных путей расстояние до места короткого замыкания х действительно определяется лишь отношением токов (токораспределением в измерительной схеме), причем это токораспределение не зависит ни от величины напряжения на шинах тяговой подстанции, ни от величины сопротивления токоограничивающего резистора, ни от возможного дополнительного переходного сопротивления в месте короткого замыкания.

Пусть замеренные токи в измерительной схеме оказались равными I₁ и I₂. Если собственное сопротивление одного км подвески равно Ом/км, а взаимное сопротивление между подвесками путей Ом/км, тогда для петли измерительной схемы справедливы следующие уравнения Кирхгофа для напряжений

откуда, решая уравнение относительно х, найдем

или выражая х через отношение токов (токораспределение), получим

т.е. соотношения, аналогичные (1).

Как видим в выражения (3) и (4) не входят ни величина напряжения источника питания (тяговой подстанции), ни величина сопротивления токоограничивающего резистора, ни величина возможного дополнительного переходного сопротивления в месте короткого замыкания. Это означает, что расстояние х, определяемое по предложенному способу, не зависит от этих величин.

Из того, что при записи уравнения (2) не накладывалось никаких ограничений на частоту напряжения источника питания, рождающего токи I₁ и I₂, следует, что полученные соотношения (3) и (4) справедливы для любых частот, а значит, и для случая, когда источник напряжения представлен суммой гармонических составляющих. Отсюда же следует, что токи I₁ и I₂ одинаковы по форме и синфазны, а это значит, что в соотношения (2) и (3) при измерениях в тяговых сетях переменного тока могут быть подставлены мгновенные значения токов, средние значения токов за полупериод или же действующие значения токов, соответствующие данному моменту времени, а в тяговых сетях постоянного тока - мгновенные значения токов в любой момент времени переходного процесса, средние токи за некоторый отрезок времени или же установившиеся значения токов. Сказанное также дает основание утверждать, что предлагаемый способ пригоден и в том случае, когда в месте короткого замыкания образуется дуга и токи по путям несинусоидальные, "рваные", однако и в этом случае они остаются синфазными, одинаковыми по форме, и поэтому к ним приложимо все то, о чем говорилось выше. Все сказанное очень важно, поскольку перечисленными достоинствами не обладает ни один другой метод определения расстояния до места короткого замыкания.

Справедливости ради следует указать, что на самом деле приведенные выше выводы и соотношения (2), (3) и (4) справедливы не для любых частот, а для частот, при которых емкостные токи между подвесками и подвесками и землей, накладывающиеся на токи подвесок, остаются много меньше их. Как показывают специальные измерения и расчеты в уточненной схеме фиг.1, куда введены емкости между подвесками и подвесками и землей, при суммарном токе подвесок путей, ограниченном резистором 3, но составляющем величину более 100 А, влияниями емкостных токов можно пренебречь и выражениями (3) и (4) можно безошибочно пользоваться, особенно если в расчетах используются средние или же действующие (установившиеся) значения токов.

Выражению (4), справедливому для случая однородных и одинаковых контактных подвесок параллельных путей, т.е. выполненных из одинакового набора проводов при постоянном их взаимном расположении на всем протяжении между местами соединения подвесок в точках П1 и П2, соответствует аналитическая кривая "а" на фиг.2, где х выражено в долях L и показано в функции отношения токов по путям. Если же между точками соединения подвесок путей П1 и П2 подвески неоднородны, например если на отдельных участках пути меняется набор проводов подвесок или же взаимное расположение проводов подвески по одному какому-то пути, или же если на участке между точками П1 и П2 имеются станции, где параллельно проводам подвесок по главным путям подключены подвески вспомогательных путей станций, то действительная кривая зависимости x/L от отношения токов по путям I₁/I₂ “б” будет несколько отличаться от теоретической "а" и выглядеть, например так, как это показано на фиг.2, однако эта зависимость будет однозначной, характерной именно для рассматриваемого участка. С учетом сказанного, для конкретных реальных участков может быть предложен вариант способа определения места короткого замыкания, отличающийся тем, что расстояние х от места соединения подвесок в начале - на подстанции, до места короткого замыкания определяют не по вышеприведенной формуле, а используя предварительно построенную реальную зависимость х=f(I₁/I₂), которую получают, собрав измерительную схему и проведя серию измерений распределения токов по путям при искусственно созданных коротких замыканиях во всех точках контактной сети, где параметры сети изменяются, т.е. изменяется набор проводов контактной подвески, их взаимное расположение, или же количество питаемых путей.

Устройства по способу показаны на фиг.3 и 4, где для облегчения понимания у одноименных элементов сохранены обозначения, принятые на фиг.1.

На фиг.3а показана принципиальная схема устройства по способу для тяговой сети переменного тока, на фиг.3б - подробная схема части устройства на тяговой подстанции, а на фиг.3в и 3г - на посту секционирования [3].

На фиг.3б показано распределительное устройство 27,5 кВ тяговой подстанции 1, имеющее фидеры контактной сети, питающие контактные подвески параллельных путей КП1 и КП2, одинаковым по фазе напряжением, полученным от секций шин тяговой подстанции через шинные разъединители 10, фидерные выключатели 11 и линейные разъединители 12, обходную шину 19, которая через шинный разъединитель запасного выключателя со стороны обходной шины 17, запасной выключатель и шинные разъединители со стороны секций фаз А и В 15 и 14 может быть подключена к любой из них, обходные разъединители на фидерах контактной сети 13, подключенные за линейными разъединителями фидеров между фидером и обходной шиной, рельсовый фидер 18, подключенный между фазой С распределительного устройства 27,5 кВ тяговой подстанции и рельсами путей, отличающееся тем, что указанное распределительное устройство 27,5 кВ [3] тяговой подстанции дополнительно введены телеуправляемые моторные приводы на обходных разъединителях фидеров 13, токоограничивающий резистор 3, включенный параллельно шинному разъединителю запасного выключателя со стороны обходной шины 19, телеуправляемый моторный привод на этом разъединителе 17, трансформаторы тока 8 в цепях обходных разъединителей фидеров, включенные между обходной шиной 19 и обходным разъединителем 13, причем выводы вторичных обмоток трансформаторов тока каждой пары фидеров, питающих контактные подвески параллельных путей КП1 и КП2, заведены в микропроцессорное устройство 9 [4, 6], хранящее данные экспериментально полученных зависимостей х=f(I₁/I₂) для контактной подвески каждого из параллельных путей, способное фиксировать значения токов I₁ и I₂ в цепях обходных разъединителей 13 этой пары фидеров в моменты времени, когда оба обходных разъединителя этой пары фидеров включены, вычислять отношение (I₁/I₂) и, используя зависимости х=f(I₁/I₂), определять расстояние от шин тяговой подстанции до места короткого замыкания.

На фиг.3в и 3г показано распределительное устройство поста секционирования со сборной шиной 23, к которой подключены все фидеры контактной сети поста, имеющие линейные разъединители 20 и выключатели 21, причем фидера питающие контактные подвески путей слева от поста подключены к сборной шине поста 23 слева, а контактные подвески путей справа от поста - к сборной шине поста 23 справа [3], отличающееся тем, что указанная сборная шина поста выполнена секционированной телеуправляемым выключателем 22 (фиг.3в) или же разъединителем с телеуправляемым моторным приводом 24 (фиг.3г).

Устройство по фиг.3 работает следующим образом.

Пусть зафиксировано устойчивое короткое замыкание по фидеру, питающему КП2. Для определения расстояния до места короткого замыкания, последовательно на тяговой подстанции по телеуправлению или вручную

- отключают выключатель 11 фидера, питающего КП1;

- включают обходные разъединители 13 фидеров, питающих КП1 и КП2;

- отключают разъединитель 17, если до момента производства измерений он был включен;

- включают разъединитель 15, питающий секцию шины фазы А, от которой нормально получают питание КП1 и КП2.

Если для создания измерительной схемы используют пост секционирования, то на посту секционирования по телеуправлению или вручную

- отключают секционирующий выключатель 22 (фиг.3в) или разъединитель с моторным приводом 24 (фиг.3г);

- включают выключатель 21 фидера поста, питающего КП2, отключившийся в момент короткого замыкания в точке х на КП2.

Если же для создания измерительной схемы используют соседнюю тяговую подстанцию, то на соседней тяговой подстанции по телеуправлению или вручную

- отключают выключатель 11 фидера, питающего КП1;

- включают обходные разъединители 13 фидеров, питающих КП1 и КП2.

В результате всех проделанных коммутаций по КП1 иКП2 оказалась собранной схема фиг.3а с разомкнутым ключом 2, функции которого выполняет запасной выключатель 16 (фиг.3б). Поэтому для производства измерений необходимо на короткое время (0,2-0,3 сек) включить и отключить запасной выключатель 16 (2).

Определенное расстояние х до места короткого замыкания можно прочитать на дисплее микропроцессорного устройства 9. Пo каналам телеизмерения значение х должно быть передано электродиспетчеру.

На фиг.4а показана принципиальная схема устройства по способу для тяговой сети постоянного тока, на фиг.4б - подробная схема части устройства на тяговой подстанции, а на фиг.4 в, г - на посту секционирования.

На фиг.4б показано распределительное устройство 3,3 кВ постоянного тока, имеющее фидеры контактной сети, питающие подвески контактной сети параллельных путей и подключенные к рабочей шине "+" 3,3 кВ через шинные разъединители 10, быстродействующие выключатели 11 и линейные разъединители 12, оборудованное обходной шиной " + " 18, которая через шинные разъединители 14 рабочей и обходной шины и запасной выключатель 15 может быть подключена к рабочей шине "+" 3,3 кВ, обходные разъединители 13 на фидерах контактной сети, подключенные за линейными разъединителями фидеров 12 между фидером и обходной шиной, рельсовый фидер 17, подключенный между шиной "-" 3,3 кВ тяговой подстанции и рельсами путей [3], отличающееся тем, что в указанное распределительное устройство дополнительно введены телеуправляемые моторные приводы на обходных разъединителях фидеров 13, узел из разъединителя с телеуправляемым моторным приводом 16 и параллельно подключенного токоограничивающего резистора 3, включенный между запасным выключателем 15 и одним из его шинных разъединителей 14, датчики тока в цепях обходных разъединителей фидеров 8, выполненные в виде измерительных шунтов или же датчиков-преобразователей любого другого вида, причем выводы от датчиков тока каждой пары фидеров, питающих контактные подвески параллельных путей КП1 И КП2, введены в микропроцессорное устройство 9 [5, 6], хранящее данные экспериментально полученных зависимостей х=f(I₁/I₂) для подвески каждого из параллельных путей, способное фиксировать значения токов I₁ и I₂ в цепях обходных разъединителей этой пары фидеров в моменты времени, когда оба обходных разъединителя этой пары фидеров включены, вычислять отношение (I₁/I₂) и, используя зависимости х=f(I₁/I₂), определять расстояние от шин тяговой подстанции до места короткого замыкания.

На фиг.4в, 4г показано распределительное устройство поста секционирования со сборной шиной 22, к которой подключены все фидеры контактной сети поста, имеющие линейные разъединители 19 и выключатели 20, причем фидеры, питающие контактные подвески путей слева от поста, подключены к сборной шине поста слева, а фидеры, питающие контактные подвески путей справа от поста, - к сборной шине поста справа [3], отличающееся тем что указанная сборная шина поста выполняется секционированной с телеуправляемым быстродействующим выключателем 21 или же разъединителем 23 с телеуправляемым моторным приводом.

Устройство по фиг.4 работает следующим образом.

Пусть зафиксировано устойчивое короткое замыкание по фидеру, питающему КП2. Для определения расстояния до места короткого замыкания, последовательно на тяговой подстанции по телеуправлению или вручную

- отключают выключатель 11 фидера, питающего КП1;

- включают обходные разъединители 13 фидеров, питающих КП1 и КП2;

- отключают разъединитель 16, если до момента производства измерений он был включен;

- включают шинные разъединители 14.

Если для создания измерительной схемы используют пост секционирования, то на посту секционирования по телеуправлению или вручную

- отключают секционирующий выключатель 21 (фиг.4в) или разъединитель с моторным приводом 23 (фиг.4г);

- включают выключатель 20 фидера поста, питающего КП2, отключившегося в момент короткого замыкания в точке х на КП2.

Если же для создания измерительной схемы используют соседнюю тяговую подстанцию, то на соседней тяговой подстанции по телеуправлению или вручную

- отключают выключатель 11 фидера, питающего КП1;

- включают обходные разъединители 13 фидеров, питающих КП1 и КП2.

В результате всех проделанных коммутаций по КП1 и КП2 оказалась собранной схема фиг.4а с разомкнутым ключом 2, функции которого выполняет запасной выключатель 15 (фиг.4б). Поэтому для производства измерений необходимо на короткое время (0,2-0,3 сек) включить и отключить обходной выключатель 15 (2).

Определенное расстояние х до места короткого замыкания можно прочитать на дисплее микропроцессорного устройства 9. По каналам телеизмерения значение х должно быть передано электродиспетчеру.

Источники, принятые во внимание при составлении описания изобретения

1. Определение мест повреждения линий электропередачи по параметрам аварийного режима / Под. ред. Г.М. Шалыта. - М.: Энергия, 1972, с.216 (прототип).

2. Кузнецов А.П. Определение мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.94.

3. Справочник по электроснабжению железных дорог/ Под ред. К.Г. Марквардта. - М., Транспорт, 1981 г.

4. Блок микропроцессорный релейной защиты фидеров контактной сети БМРЗ-ФКС. Информация НИИЭФА-ЭНЕРГО СПб, 2002 г.

5. Цифровая защита и автоматика фидеров контактной сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3. Информация НИИЭФА-ЭНЕРГО СПб, 2002 г.

6. Применение и техническое обслуживание микропроцессорных устройств на электростанциях в электросетях (ч.1-4). - М.: Издательство НЦЭНАС, 2001 г.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам определения расстояния до места короткого замыкания в многопутных тяговых сетях переменного и постоянного тока и устройствам для его осуществления. Технический результат изобретения, заключающийся в увеличении скорости и точности определения расстояния до места короткого замыкания, достигается путем того, что фиксируют короткое замыкание на контактной подвеске одного из путей многопутного участка, соединяют ее с контактной подвеской параллельного пути, в точку соединения подвесок у тяговой подстанции через ограничивающий резистор кратковременно подают напряжение, замеряют токи по контактным подвескам путей и, если контактные подвески параллельных путей по всей длине выполнены из одинакового набора проводов при постоянном их взаимном расположении, то расстояние х от места соединения подвесок у подстанции до места короткого замыкания определяют по отношению величин замеренных токов посредством устройств, представляющих собой распределительные устройства переменного и постоянного тока тяговой подстанции и поста секционирования, соединенные между собой по описанной схеме и дополнительно оборудованные датчиками токов, выключателями, разъединителями и с моторными приводами, токоограничивающим резистором и считывающим устройством. 4 н. п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения расстояния до места короткого замыкания в многопутных тяговых сетях переменного и постоянного тока, осуществляемый путем определения и оценки тока короткого замыкания, отличающийся тем, что фиксируется короткое замыкание на контактной подвеске одного из путей многопутного участка, эту контактную подвеску в ее начале - у тяговой подстанции, и в конце - на посту секционирования или у соседней тяговой подстанции, соединяют с контактной подвеской параллельного пути, в точку соединения подвесок у тяговой подстанции через ограничивающий резистор кратковременно, в течение 0,2-0,3 с, подают напряжение, замеряют токи по контактным подвескам путей и, если контактные подвески параллельных путей по всей длине выполнены из одинакового набора проводов при постоянном их взаимном расположении, то расстояние х от места соединения подвесок у подстанции до места короткого замыкания определяют по отношению величин замеренных токов аналитически, по формуле

где L - расстояние между точками соединения контактных подвесок параллельных путей, км;

I₁ и I₂ - замеренные значения токов (средние, действующие или мгновенные) в контактных подвесках путей, соответственно 1 -го и 2-го, А.