СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФИДЕРНЫМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 27,5 кВ И 2 × 27,5 кВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H02H3/06 H02H11/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления коммутационными аппаратами, в частности фидерными выключателями тяговых подстанций переменного тока 27,5 кВ и 2×27,5 кВ.

Известным и наиболее близким прототипом заявляемых изобретений является используемый в настоящее время способ управления фидерным выключателем 27,5 и 2×27,5 кВ, осуществляемый с помощью цифровых терминалов типа БМРЗ-27,5 или ЦЗАФ-27,5 [1], получающих информацию о процессах на контролируемом участке контактной сети от трансформатора напряжения шин 27,5 кВ тяговой подстанции и трансформатора тока в цепи выключателя, состоящий в том, что после отключения выключателя по команде любой из защит цифрового терминала, передаваемой на станцию управления выключателем, реализуют так называемое «слепое» повторное автоматическое включение выключателя (АПВ) одно- или же двукратное с интервалом в 4÷6 и 100 с соответственно, вне зависимости от причины отключения, т.е. не определяя, является ли оно ложным и происходит в результате срабатывания защит терминала от процессов в тяговом токе нагрузки или же от короткого замыкания (к.з). Если в результате АПВ питание контролируемого участка контактной сети не восстанавливается, то цифровой терминал посылает об этом извещение электродиспетчеру, который приступает к отысканию места короткого замыкания в соответствии с регламентом Главного управления электроснабжения и электрификации (ЦЭ) ОАО «РЖД» [2].

Известный способ управления и устройство для его реализации по прототипу (см. приложение) имеют ряд существенных недостатков, так как использование способа и устройства приводит:

- к неоправданным пережогам проводов контактной сети в случаях, когда в момент к.з. в месте к.з образуется электрическая дуга, возобновляемая вновь в момент АПВ;

- к повторным ложным отключениям выключателей после первого АПВ контролируемого участка контактной сети даже в случаях, когда выключатель отключался в результате срабатывания защит терминала от процессов в тяговом токе нагрузки, вследствие того, что используемая выдержка времени перед АПВ (4÷6 с) слишком мала для того, чтобы машинисты электроподвижного состава (ЭПС) всех поездов на контролируемом участке контактной сети успели разобрать (отключить) силовые цепи ЭПС, однако же достаточна для того, чтобы успела до нуля погаснуть противоЭДС двигателей ЭПС Е_дв. В результате этого на неотключенных единицах ЭПС в момент АПВ реализуются броски тока

где U - напряжение, подаваемое на двигатели ЭПС со стороны контактной сети;

R_∑ - суммарное активное сопротивление тяговой сети и двигателей ЭПС,

причем значения I_бр могут многократно превышать рабочие токи, потребляемые ЭПС до отключения фидерного выключателя;

- к повреждениям тяговых двигателей ЭПС, повышенному износу понизительных трансформаторов и фидерных выключателей тяговых подстанций;

- как результат - к многочасовым задержкам движения поездов по электрической железной дороге.

Техническим результатом заявляемых изобретений является устранение всех перечисленных выше недостатков существующих способа и устройства для их реализации. Указанный результат также достигается с помощью цифровых терминалов, но отличается тем, что вначале, еще до момента отключения выключателя, производится определение причины его грядущего отключения, т.е. установление факта, произойдет ли оно в результате ложного срабатывания защит терминала от процессов в тяговом токе нагрузки или же от короткого замыкания, для чего в период времени между моментами подачи выключателю команды на отключение и моментом его отключения определяется процентное содержание в токе через включатель третьей гармоники или же угол сдвига между первыми гармониками тока через выключатель и напряжения на шинах 27,5 кВ тяговой подстанции, причем:

- если процентное содержание в токе третьей гармоники оказывается больше 15% или же если угол сдвига между гармониками тока и напряжения меньше 40 эл. град, делается физически обоснованный вывод [3] о том, что грядущее отключение выключателя произойдет в результате ложного срабатывания защит терминала от процессов в тяговом токе нагрузки, и поэтому сразу же после отключения выключателя терминалом подается команда на мгновенное (быстродействующее) повторное включение выключателя (БАПВ), при этом с целью не допустить повторного отключения выключателя от перегрузки по току за счет того, что за время БАПВ несколько уменьшится противоЭДС двигателей ЭПС и возвращаемый ток нагрузки станет на некоторое время больше, чем вызвавший срабатывания защиты (в соответствие с формулой (1)), перед БАПВ в 1,2÷1,3 раза загрубляются уставки всех защит терминала на время 3÷5 с, достаточное для восстановления противоЭДС в тяговых двигателях ЭПС до нормального значения;

- если же содержание в токе третьей гармоники оказывается меньше 15% или же если угол сдвига между первыми гармониками тока и напряжения оказывается больше 40 эл. град, то делается физически обоснованный вывод [3] о том, что грядущее отключение выключателя произойдет в результате срабатывания защиты из-за кроткого замыкания в контролируемом участке контактной сети, и потому сразу же после отключения выключателя за время 30÷50 мс терминалом производится определение действующего значения напряжения со стороны отключенного участка контактной сети (остаточного напряжения) и его частоты с целью установить, является ли отключенное короткое замыкание установившимся, сохранившимся после отключения выключателя или же оно было дуговым, проходящим, исчезнувшим после отключения выключателя, при этом:

- если устанавливается, что частота остаточного напряжения оказывается меньшей 45 Гц, а его действующее значение большее 0,2 номинального напряжения шин 27,5 кВ тяговой подстанции, или же если устанавливается, что частота остаточного напряжения лежит в пределах 50±0,5 Гц, то делается физически обоснованный вывод [4] о том, что короткое замыкание, вызвавшее срабатывание защиты и отключение выключателя, было проходящим и поэтому также терминалом подается команда на совершение БАПВ, однако, чтобы не допустить повторного отключения выключателя из-за броска тока остававшихся в рабочем состоянии единиц ЭПС, перед БАПВ в 1,3÷1,4 раза загрубляются уставки всех защит терминала на время 3÷5 с, достаточное для восстановления противоЭДС в тяговых двигателях ЭПС до нормального значения;

- если же устанавливается, что частота остаточного напряжения оказывается меньшей 45 Гц, а его действующее значение меньшей 0,05 номинального напряжения шин 27,5 кВ тяговой подстанции, то делается физически обоснованный вывод [4] о том, что короткое замыкание, вызвавшее срабатывание защиты и отключение выключателя, является устойчивым коротким замыканием, сохранившимся после отключения выключателя, и поэтому подается команда на запрет БАПВ и АПВ и предпринимаются меры по отысканию места к.з и его ликвидации в соответствии с регламентом Главного управления электроснабжения и электрификации (ЦЭ) ОАО «РЖД» [2];

- если же устанавливается, что величина остаточного напряжения равна нулю, то делается логически и физически обоснованный вывод о том [4], что короткое замыкание, вызвавшее срабатывание защиты и отключение выключателя, произошло в момент отсутствия на линии электроподвижного состава и, следовательно, по величине остаточного напряжения невозможно установить каково оно, устойчивое или же проходящее, и поэтому вначале предпринимаются меры к тому, чтобы установить это, для чего терминалом подается команда на подключение к фидеру контролируемого участка контактной сети силового устройства для определения наличия на нем короткого замыкания (УОНКЗ) [5], после чего, в зависимости от результатов работы УОНКЗ, терминалом подается команда или на совершение нормального цикла АПВ (если участок контактной сети чист, т.е. к.з. на нем не фиксируется), или же на запрет АПВ (если наличие к.з фиксируется), после чего предпринимаются меры по отысканию места к.з и его ликвидации в соответствии с регламентом Главного управления электроснабжения и электрификации (ЦЭ) ОАО «РЖД» [2].

Предусматривается также подключение УОНКЗ для проверки наличия короткого замыкания вручную непосредственно с пульта управления цифровым терминалом или же по каналу телеуправления, к чему необходимо прибегать каждый раз перед подачей напряжения на контролируемый участок контактной сети после его отключения на длительный срок для осмотра или ремонта.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом, где обозначено:

1 - шины 27,5 кВ тяговой подстанции переменного тока;

2 - трансформатор напряжения на шинах 27,5 кВ;

3 - трансформатор тока в цепи выключателя фидера контактной сети 27,5 кВ;

4 - выключатель фидера контактной сети 27,5 кВ;

5 - фидер контактной сети 27,5 кВ;

6 - цифровой терминал защиты, автоматики и управления выключателем фидера контактной сети 27,5 кВ (далее "цифровой терминал" - ЦТ);

7 - выход от цифрового терминала 6 к станции управления выключателем фидера 27,5 кВ;

8 - трансформатор (датчик) напряжения контролируемого участка контактной сети 27,5 кВ;

9 - вход к УОНКЗ 11 от цифрового терминала защиты 6;

10 - выход от УОНКЗ к цифровому терминалу;

11 - УОНКЗ;

12 - вход к УОНКЗ по каналу телеуправления;

13 - выход от цифрового терминала 6 к каналу телесигнализации.

Устройство работает следующим образом.

Нормальное положение элементов: схема фидера контролируемого участка контактной сети 5 собрана (включены разъеденители), выключатель 4 включен. Все информационные и управляющие каналы (7, 9, 10, 12 и 13) исправны.

От трансформаторов напряжения 2 и тока 3 в цифровой терминал 6 поступает информация о напряжении на шинах 27,5 кВ и токе через выключатель (токе фидера контактной сети 5), а от трансформатора напряжения 8 - о напряжении на контролируемом участке контактной сети.

При достижении любой из защит терминала уставки от терминала через выход 7 подается команда станции управления выключателем на отключение выключателя 4. За время от подачи команды на отключение и до момента отключения выключателем фидера контролируемого участка контактной сети 5 цифровой терминал 6 по специальному алгоритму анализирует ток через выключатель на содержание в нем третьей гармоники или же определяет величину угла между первыми гармониками тока через выключатель и напряжения на шинах 27,5 кВ. Анализ тока и определение угла производятся в реальном масштабе времени, в результате чего к моменту отключения выключателя устанавливается (пояснение см. выше в описании способа), что является причиной грядущего отключения: ложное срабатывание защиты от процессов в тяговом токе нагрузки или же срабатывание защиты от короткого замыкания на контролируемом участке контактной сети.

Если устанавливается, что грядущее отключение ложное и его причиной являются процессы в тяговом токе нагрузки, то сразу же после отключения выключателем терминалом несколько загрубляются уставки всех защит терминала 6 (о необходимости этого см. выше в описании способа) и по выходу 7 подается команда на совершение БАПВ. Если же устанавливается, что причиной грядущего отключения является короткое замыкание в контактной сети контролируемого участка контактной сети, то сразу же после отключения выключателя 4 терминалом 6 в течение нескольких периодов переменного тока анализируется величина и частота напряжения в контролируемом участке контактной сети (так называемое «остаточное» напряжение), в результате чего устанавливается (пояснение см. выше в описании способа), является ли отключенное короткое замыкание проходящим, исчезнувшим после отключения выключателя или же устойчивым, сохранившемся после отключения выключателя. Если устанавливается, что короткое замыкание было проходящим, то также несколько загрубляются уставки всех защит терминала 6 (о необходимости этого см. выше в описании способа) и по выходу 7 подается команда на совершение БАПВ. Однако если устанавливается, что короткое замыкание является установившимся, не исчезнувшим после отключения выключателя 4, то терминалом 6 формируется команда на запрет БАПВ, по каналу 13 телесигнализации об этом отправляется сообщение электродиспетчеру, который, получив его, принимает меры по отысканию и ликвидации места короткого замыкания.

Наконец, если в результате анализа остаточного напряжения терминалом 6 устанавливается, что оно равно нулю, то по каналу 9 к контролируемому фидеру контактной сети 5 подключается УОНКЗ 11, который определяет характер отключенного короткого замыкания (пояснение см. выше в описании способа) - оно проходящее или устойчивое, и информацию об этом по каналу 10 передает цифровому терминалу 6. В первом случае цифровой терминал 6 формирует команду на совершение выключателем 4 нормального цикла АПВ, а во втором по каналу 13 телесигнализации информирует об этом электродиспетчера, который, получив это сообщение, принимает меры по отысканию и ликвидации места короткого замыкания.

По каналу 12 обеспечивается также включение и отключение электродиспетчером УОНКЗ 11 на предмет установления отсутствия устойчивого короткого замыкания после долговременного планового отключения контролируемого участка контактной сети для его осмотра или же ремонта.

Принципиальные отличия заявляемого изобретения от прототипа по способу управления выключателем заключаются в том, что в заявляемом способе:

- исключаются «слепые» АПВ;

- еще до момента отключения выключателя, а именно в период между подачей сигнала на отключение выключателя какой-либо защитой терминала и собственно отключением, определяется его причина, т.е. устанавливается, произойдет ли оно от ложного срабатывания защиты из-за процессов в тяговом токе нагрузки или же от короткого замыкания в контактной сети;

- в случае, если устанавливается, что грядущее отключение произойдет в результате ложной работы защиты из-за процессов в тяговом токе нагрузки, то сразу же после отключения выключателя производят его быстродействующее автоматическое повторное включение (БАПВ), и при этом уставки всех защит терминала фидера на 3-5 с в 1,2-1.3 раза загрубляют;

- в случае же, если устанавливается, что грядущее отключение произойдет из-за короткого замыкания в контактной сети, то сразу же после отключения выключателя производят измерение остаточного напряжения на отключенном участке контактной сети и по его параметрам определяют характер короткого замыкания, т.е. оно проходящее или же устойчивое. При проходящем коротком замыкании также прибегают к БАПВ, а при устойчивом запрещают БАПВ и АПВ и дают возможность диспетчеру начать поиски и ликвидацию места к.з.;

- если же устанавливается, что величина остаточного напряжения равна нулю, то прибегают к использованию устройства для определения наличия короткого замыкания на отключенном участке контактной сети (УОНКЗ). При этом если к.з. отсутствует, то разрешают совершение стандартного цикла АПВ, а если присутствует - запрещают АПВ, и дают возможность диспетчеру начать поиски и ликвидацию места к.з.

Принципиальные отличия заявляемого изобретения от прототипа по устройству, реализующему способ управления выключателем, заключаются в том, что:

- устройство дополнительно оснащено трансформатором напряжения, первичная обмотка которого подключена к контактной сети за выключателем, т.е. со стороны защищаемого участка контактной сети, и устройством для определения наличия к.з. на отключенном участке контактной сети (УОНКЗ);

- в цифровом терминале устройства предусмотрен вход для подключения вторичной обмотки трансформатора напряжения, подключенного со стороны защищаемого участка контактной сети, а также для подключения входа и выхода от УОНКЗ;

- УОНКЗ устройства имеет вход по каналу телеуправления;

- программное обеспечение цифрового терминала устройства обеспечивает возможность определения причины грядущего отключения выключателя, а также формирование команды на совершение операции БАПВ в соответствии с алгоритмом, указанным в способе.

Экономическая целесообразность использования заявляемого изобретения определяется устраненной стоимостью ущербов от пережогов проводов контактной сети, являющихся следствием недостатков существующего способа управления фидерными выключателями 27,5 кВ и устройства для его реализации, многократно превышающей стоимость устройства для реализации заявляемого способа.

Использование: в области электротехники для управления коммутационными аппаратами, в частности фидерными выключателями тяговых подстанций переменного тока 27,5 и 2×27,5 кВ. Техническим результатом является повышение безопасности работы. Способ заключается в том, что с помощью цифровых терминалов вначале, еще до момента отключения выключателя, производится определение причины его грядущего отключения, т.е. установление факта, произойдет ли оно в результате ложного срабатывания защит терминала от процессов в тяговом токе нагрузки или же от короткого замыкания, для чего в период времени между моментами подачи выключателю команды на отключение и моментом его отключения определяется процентное содержание в токе через выключатель третьей гармоники или же угол сдвига между первыми гармониками тока через выключатель и напряжения на шинах 27,5 кВ тяговой подстанции, причем по процессам, происходящим в тяговом токе нагрузки, и частоте остаточного напряжения терминалом подаются команды на включение или отключение выключателя (БАПВ), кроме того, устанавливается наличие места к.з., в отключенном участке тяговой сети, с помощью заявляемого устройства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления фидерным выключателем тяговой подстанции переменного тока 27,5 кВ и 2×27,5 кВ, осуществляемый с помощью цифровых терминалов, отличающийся тем, что еще до момента отключения выключателя производится определение причины его грядущего отключения, т.е. будет ли оно ложным и произойдет в результате срабатывания защит терминала от процессов в тяговом токе нагрузки или же от короткого замыкания, для чего в период времени между моментами подачи выключателю от терминала команды на отключение и моментом его отключения терминалом определяется процентное содержание в токе через выключатель третьей гармоники или же угол сдвига между первыми гармониками тока через выключатель и напряжения на шинах 27,5 кВ тяговой подстанции, причем при содержании в токе через выключатель третьей гармоники большем 15% или при величине угла сдвига между первыми гармониками тока через выключатель и напряжения на шинах тяговой подстанции меньшем 40 эл. град сразу же после отключения выключателя загрубляются уставки всех защит терминала в 1,2÷1,3 раза на время, достаточное для затухания переходных процессов в тяговых двигателях электроподвижного состава (3-4 с), и подается команда на мгновенное (быстродействующее) повторное включение выключателя (БАПВ); при содержании в токе через выключатель третьей гармоники меньшем 15% или при величине угла сдвига между первыми гармониками тока через выключатель и напряжения на шинах тяговой подстанции большем 40 эл. град сразу же после отключения выключателя в течение времени 30÷50 мс терминалом определяется действующее значение напряжения со стороны отключенного участка контактной сети (остаточного напряжения) и его частоты, при этом в случае если устанавливается, что частота остаточного напряжения оказывается меньшей 45 Гц, а его действующее значение большим 0,2 номинального напряжения шин 27,5 кВ тяговой подстанции, или если устанавливается, что частота остаточного напряжения лежит в пределах 50±0,5 Гц, то вне зависимости от величины последнего также загрубляются уставки всех защит терминала в 1,3÷1,4 раза на время, достаточное для затухания переходных процессов в тяговых двигателях электроподвижного состава (3-4 с), и подается команда на мгновенное (быстродействующее) повторное включение выключателя (БАПВ); в случае если устанавливается, что частота остаточного напряжения оказывается меньшей 45 Гц, а его действующее значение меньшим 0,03 номинального напряжения шин 27,5 кВ тяговой подстанции, то формируется команда на запрет БАПВ и АПВ и предпринимаются меры по отысканию места короткого замыкания и его ликвидации; в случае же если устанавливается, что величина остаточного напряжения равна нулю, то вначале терминалом подается команда на подключение к контролируемому участку контактной сети устройства определения наличия короткого замыкания (УОНКЗ), после чего в зависимости от результатов его работы или подается команда на совершение нормального цикла АПВ (если участок контактной сети чист, короткого замыкания на нем не фиксируется), или же на запрет АПВ и предпринимаются меры по отысканию места короткого замыкания и его ликвидацию (если наличие короткого замыкания фиксируется); кроме того, предусматривается возможность включения и отключения УОНКЗ к контролируемому участку контактной сети вручную с панели терминала или по команде электродиспетчера по телеуправлению, и при этом в случае, если устанавливается, что участок контактной сети чист, короткого замыкания на нем не фиксируется, вручную или по команде диспетчера по телеуправлению подается команда на совершение нормального цикла АПВ, в случае же, если устанавливается, что на участке фиксируется наличие короткого замыкания, то диспетчером предпринимаются меры по отысканию места короткого замыкания и его ликвидации.2. Устройство по способу п.1, содержащее цифровой терминал защиты, автоматики и управления (ЦТ), трансформатор напряжения шин 27,5 кВ и трансформатор тока в цепи выключателя фидера контактной сети, выходы которых подключены к соответствующим входам ЦТ, а выход от ЦТ подключен к станции управления выключателем фидера контролируемого участка контактной сети, отличающееся тем, что оно дополнено устройством для определения наличия короткого замыкания в отключенном контролируемом участке контактной сети (УОНКЗ), а также трансформатором или датчиком напряжения за выключателем со стороны контактной сети, выходы от которого подведены к УОНКЗ и специальному входу ЦТ, причем программное обеспечение ЦТ выполняется совершающим последовательность операций в соответствие со способом управления фидерным выключателем контактной сети, изложенном в п.1 заявляемого изобретения.