УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОХОДЯЩЕГО И УСТОЙЧИВОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2010 года по МПК G01R31/02 

Изобретение относится к системе автоматизации электроснабжения электрических и железных дорог, а именно к устройствам контроля короткого замыкания в контактной сети переменного тока.

Известно устройство контроля короткого замыкания в контактной сети переменного тока [1 - прототип], содержащее выходное реле с замыкающим контактом, контактную сеть и линию продольного электроснабжения 27,5 кВ «Два провода-рельс (ДПР)», подключенными через выключатели к шинам тяговых подстанций, пост секционирования контактной сети, трансформатор остаточного напряжения, подключенный к одному из выключателей контактной сети, реле запуска, у которого первый вход катушки подключен через последовательно соединенные замыкающие контакты реле-повторителей защит к «минусу» источника питания, а второй вход - непосредственно к «плюсу» источника питания, фильтр высших гармонических составляющих остаточного напряжения, вход которого подключен ко вторичной обмотке трансформатора остаточного напряжения через замыкающий с задержкой контакт реле запуска, фильтр низкой частоты (ФНЧ) с областью пропускания 0-40 Гц и усилитель, причем вход ФНЧ подключен к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических составляющих остаточного напряжения, а выход ФНЧ - к входу усилителя, при этом выход усилителя подсоединен к входу выходного реле, компаратор, реле времени и замыкающий контакт реле-повторителя отключенного состояния выключателя контактной сети, к которому подключен трансформатор остаточного напряжения, причем цепь из последовательно соединенных катушки реле времени и замыкающего контакта реле-повторителя отключенного состояния выключателя подключается параллельно катушке реле запуска, а вход компаратора через замыкающий с замедлением контакт реле времени подключается к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических составляющих и выход компаратора подключается к входу усилителя.

Таким образом, указанное устройство сразу же после аварийного отключения за время до 0,5…1,5 сек определяет: короткое замыкание (КЗ) проходящее или устойчивое. При проходящем КЗ выполняется быстродействующее автоматическое повторное включение (БАПВ) аварийно отключенного выключателя, к которому подключен трансформатор остаточного напряжения.

(Пояснения. Проходящее КЗ после отключения соответствующих фидеров контактной сети, то есть в отключенной контактной сети КЗ самоликвидируется (например, при перекрытии изолятора контактной сети во время грозы). При устойчивом КЗ - оно в отключенной контактной сети не ликвидируется.)

Недостаток этого устройства - оно работает и определяет проходящее или устойчивое КЗ только непосредственно после аварийного отключения выключателя в течение времени до 0,5…1,5 сек. Если же устройство определило, что КЗ устойчивое, то далее выполняется поиск места устойчивого КЗ и затем выполняются ремонтные работы по ликвидации КЗ. Указанное устройство не может определить и проконтролировать отсутствие устойчивого КЗ во время поиска и после ликвидации КЗ.

Известны устройства поиска устойчивых КЗ с использованием эффекта наведенного напряжения [2-5]. Однако они не определяют проходящее КЗ за минимальное время (например, за 0,5…1,5 сек, как указано выше) после аварийного отключения выключателя, и поэтому с их помощью нет возможности выполнить БАПВ.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональной возможности устройства по прототипу (по заявке [1]). Дополнительно к [1] при устойчивом КЗ в процессе поиска места КЗ и после проведения ремонтных работ по устранению КЗ устройство должно определить и проконтролировать отсутствие КЗ в отключенной контактной сети с использованием эффекта наведенного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее выходное реле с замыкающим контактом, контактную сеть и линию продольного электроснабжения «Два провода-рельс (ДПР)», подключенными через выключатели к шинам тяговых подстанций, пост секционирования контактной сети, трансформатор остаточного напряжения, подключенный к одному из выключателей контактной сети, реле запуска, у которого первый вход катушки подключен через последовательно соединенные замыкающие контакты реле-повторителей защит к «минусу» источника питания, а второй вход - непосредственно к «плюсу» источника питания, фильтр высших гармонических составляющих остаточного напряжения, вход которого подключен ко вторичной обмотке трансформатора остаточного напряжения через замыкающий с задержкой контакт реле запуска, фильтр низкой частоты (ФНЧ) с областью пропускания 0-40 Гц и усилитель, причем вход ФНЧ подключен к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических составляющих остаточного напряжения, а выход ФНЧ - к входу усилителя, при этом выход усилителя подсоединен к входу выходного реле, компаратор, реле времени и замыкающий контакт реле-повторителя отключенного состояния выключателя контактной сети, к которому подключен трансформатор остаточного напряжения, причем цепь из последовательно соединенных катушки реле времени и замыкающего контакта реле-повторителя отключенного состояния выключателя подключается параллельно катушке реле запуска, а вход компаратора через замыкающий с замедлением контакт реле времени подключается к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических и выход компаратора подключается к входу усилителя, выход усилителя подсоединен к входу выходного реле, компаратор, реле времени и замыкающий контакт реле-повторителя отключенного состояния выключателя контактной сети, к которому подключен трансформатор остаточного напряжения, причем цепь из последовательно соединенных катушки реле времени и замыкающего контакта реле-повторителя отключенного состояния выключателя подключается параллельно катушке реле запуска, а вход компаратора через замыкающий с замедлением контакт реле времени подключается к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических составляющих и выход компаратора подключается к входу усилителя, введена цепь с последовательно соединенными катушкой промежуточного реле с тремя контактами и кнопкой контроля устойчивого короткого замыкания, подключенная к «плюсу» - «минусу» источника питания, причем первый замыкающий контакт промежуточного реле шунтирует последовательно соединенные замыкающие контакты реле-повторителей защит, первые выводы второго замыкающего и третьего размыкающего контактов промежуточного реле через замыкающий контакт выходного реле подключены к «плюсу» источника питания, а второй вывод второго замыкающего контакта подключен к схеме сигнализации устойчивого короткого замыкания и второй вывод третьего размыкающего контакта подключен к схеме включения выключателя контактной сети, который соединен с трансформатором остаточного напряжения.

Такое выполнение устройства, при котором введена цепь с последовательно соединенными катушкой промежуточного реле с тремя контактами и кнопкой контроля устойчивого короткого замыкания, подключенная к «плюсу» - «минусу» источника питания, причем первый замыкающий контакт промежуточного реле шунтирует последовательно соединенные замыкающие контакты реле-повторителей защит, первые выводы второго замыкающего и третьего размыкающего контактов промежуточного реле через замыкающий контакт выходного реле подключены к «плюсу» источника питания, а второй вывод второго замыкающего контакта подключен к схеме сигнализации устойчивого короткого замыкания и второй вывод третьего размыкающего контакта подключен к схеме включения выключателя контактной сети, который соединен с трансформатором остаточного напряжения, позволяет расширить функциональные возможности устройства, а именно:

- устройство определяет проходящее КЗ за минимальное время (до 0,3…0,5 сек) после аварийного отключения выключателя и тогда дает команду на включение этого выключателя,

- устройство определяет устойчивое КЗ и тогда дает запрет на включение аварийно отключенного выключателя,

- вновь введенная функция: в процессе поиска места устойчивого КЗ и после проведения ремонтных работ устройство определяет и контролирует отсутствие (ликвидацию) КЗ в отключенной контактной сети.

На чертеже представлена схема устройства, которое содержит контактную сеть 1 с постом секционирования 2, подключенную через выключатели 3, 4, 5, 6 к шинам 7 и 8 тяговых подстанций, линию продольного электроснабжения «Два провода-рельс (ДПР)» 9, подключенную через выключатель 10 к шине 7 тяговой подстанции, трансформатор 11 остаточного напряжения, подключенный к выключателю 3, реле запуска 12 с катушкой 13 и замыкающим контактом 14, подключенное к источнику питания «+» и «-» через последовательно включенные замыкающиеся контакты 15 и 16 реле-повторителей защит выключателя 3. Фильтр 17 снижает уровень высших гармонических составляющих в кривой остаточного напряжения, поступающего на вход фильтра 18 низкой частоты ФНЧ с зоной пропускания 0…48 Гц. Выход ФНЧ 18 соединен с входом усилителя 19, который своим выходом подключен к выходному реле 20 с замыкающим контактом 30. Параллельно катушке 13 реле запуска 12 включена катушка 21 реле времени и замыкающий контакт 22 реле повторителя отключенного положения выключателя 3. Компаратор 23 сравнения напряжения от трансформатора напряжения с заданным напряжением Uo подключается к выходу фильтра 18 высших гармонических составляющих через замыкающий с замедлением контакт 24 реле времени. Промежуточное реле 25 с катушкой 26 и тремя контактами: замыкающими 27 и 28 и размыкающим 29, через кнопку контроля устойчивого короткого замыкания, подключается к «+»- «-» источника питания. Устройство работает следующим образом.

При наличии электроподвижного состава и в случае проходящего КЗ отключаются выключатели 3, 4, 5, 6, запускается от защиты выключателя 3 (замыкаются контакты 15 и 16) реле запуска 12 и от трансформатора остаточного напряжения через контакт 14 подается напряжение на фильтр 17 (остаточное напряжение генерируется в контактную сеть фазорасщепителями ЭПС). Далее фильтр 18 ФНЧ определяет, что частота остаточного напряжения ниже 48 Гц и через усилитель 19 включает выходное реле 20 с замыкающим контактом 30, которое осуществляет быстродействующее автоматическое включение (БАПВ) выключателя 3 через контакт 29 (вкл).

Однако в этой же ситуации при отсутствии ЭПС на отключенном участке контактной сети остаточное напряжение будет равно нулю и тогда не ясно, или это результат устойчивого КЗ или отсутствия ЭПС.

В этом случае в изобретении используется эффект наведенного напряжения от линии продольного электроснабжения 27,5 кВ «Два провода-рельс (ДПР)» [2], расположенной на опорах контактной сети (с полевой стороны). Указанная линия предназначена для электроснабжения нетяговых потребителей сравнительно небольшой мощности, расположенных вдоль железной дороги. Поэтому наведенное напряжение определяется в основном электрическим влиянием, наведенное напряжение от магнитного влияния ДПР по опытным данным в 10…30 раз меньше, чем от электрического.

По опытным данным наведенное напряжение, замеренное трансформатором напряжения на различных участках контактной сети системы 25 и 2×5 кВ равно 2,6…7,1 кВ (при отсутствии устойчивого КЗ), а при КЗ на контактной сети не превышало 80…350 В (как результат магнитного влияния).

Таким образом, если после отключения выключателей 3, 4, 5, 6 остаточное напряжение отсутствует, то устройство работает следующим образом.

При отключенном выключателе 3 замыкается контакт 22 реле-повторителя отключенного состояния выключателя 3, катушка 21 реле времени подключается к источнику питания «+» и «-», реле времени срабатывает и замыкается его контакт 24. Таким образом, напряжение от трансформатора напряжения 11, который в этом случае контролирует наведенное напряжение в контактной сети от ДПР 9, через контакт 14, фильтр 17 и контакт 24 подается на компаратор 23. Компаратор должен определить: измеряемое напряжение больше указанного 80…350 В (с запасом принимается Uo=500 B)? Если - да, то КЗ отсутствует. В противном случае КЗ - устойчивое.

Итак, если напряжение U от трансформатора напряжения 11 больше Uo, то подается команда на выходное реле 20 через усилитель 19 и далее происходит включение выключателя 3 через контакты 30 и 29.

Если же U меньше Uo, то это значит К3 - устойчивое, и включение выключателя не произойдет.

Уставка реле времени на замыкание контакта 24 должна превышать время отключения выключателей 3, 4, 5, 6 от защит (с учетом их каскадного действия) и с запасом составляет 0,8…1 сек.

При устойчивом КЗ начинается поиск места КЗ. В этом случае остается отключенным участок от фидера с выключателем 3 и до поста секционирования, так как принимаем, что на этом участке устойчивое КЗ, остальные участки (от других выключателей 4, 5, 6 и до поста секционирования) включены в работу. Если устойчивое КЗ на другом участке, то процесс поиска не изменится (предполагается, что и на других выключателях будут установлены трансформаторы остаточного напряжения).

Последовательность поиска КЗ следующая.

Нажимают кнопку 31 (кнопка с западанием, то есть после нажатия она остается во включенном положении), срабатывает реле 25. Далее замыкается контакт 28, сработает реле 13 и при замкнутом контакте 22 сработает реле 21, замыкаются контакты 14, 24 и напряжение от трансформатора остаточного напряжения 11 подается на компаратор 23.

По команде энергодиспетчера по порядку отключаются продольные разъединители контактной сети от поста секционирования 2 в сторону выключателя 3, который остается отключенным [2, 3].

Если после отключения очередного разъединителя устойчивое КЗ не исчезает, то на входе компаратора нулевое напряжение, контакт 30 остается в отключенном положении и после контакта 27 отсутствует команда на сигнализацию. Напомним [2, 3], что при КЗ на контактной сети электрическая составляющая наведенного напряжения равна нулю, а магнитная составляющая наведенного напряжения от контактной сети смежного пути «гасится» фильтром 17.

Если после отключения очередного разъединителя КЗ исчезает, то это значит, что найдено место КЗ. В этом случае от наведенного напряжения срабатывает компаратор 23, далее выходное реле 20 замыкает контакт 30 и через замкнутый контакт 27 подается команда на схему срабатывания сигнализации, которая свидетельствует об отсутствии КЗ.

После ликвидации повреждения отключают кнопку 31.

Таким образом, окончательно алгоритм работы устройства следующий.

1 этап. 1. После отключения выключателей 3, 4, 5, 6 включаются в работу фильтры 17 и 18 и при наличии остаточного напряжения срабатывает выходное реле 20 и включается выключатель 3 по БАПВ.

2. Если же остаточное напряжение отсутствует, то через 0,6…1 сек подается напряжение на компаратор 23.

3. При U больше Uo через усилитель 19 дается команда на срабатывание выходного реле 20 и далее на включение выключателя 3.

2 этап. 4. При U меньше (или равно) Uo команда на включение выключателя 3 не подается (так как определен признак устойчивого КЗ в контактной сети). Если по БАПВ команда на включение выключателя подается через 0,5 сек, то при отсутствии ЭПС и проходящих КЗ команда на включение выключателя 3 будет подана несколько позже - через 0,8…1 сек. Но это не существенно - так как в этом случае нет потребителя - ЭПС в контактной сети.

3 этап. 5. После определения устойчивого КЗ, включается кнопка 31 и начинается процесс поиска и ликвидации КЗ. Срабатывание сигнализации свидетельствует об отсутствии КЗ в контактной сети.

6. По окончанию работы отключается кнопка 31 и восстанавливается нормальная схема питания.

Источники информации

1. Заявка на изобретение №2008111210. Устройство контроля короткого замыкания в контактной сети переменного тока (авторы Герман Л.А. и др.). Положительное решение от 11.03.2009.

2. Патент на изобретение №2339961 от 27.03.2007. Устройство контроля короткого замыкания в контактной сети (Герман Л.А. и др.).

3. Патент на полезную модель №77447 от 26.03.2008. Устройство контроля короткого замыкания в контактной сети переменного тока (Герман Л.А. и др.).

4. Герман Л.А., Герман В.Л. Диагностика аварийных ситуаций контактной сети переменного тока железных дорог. Электроника и электрооборудование транспорта. - 2008 г., №3, с.41-47.

5. Герман Л.А., Демидов С.В., Попов Д.С., Якунин Д.В. Простой способ поиска повреждения на контактной сети переменного тока. Локомотив. - 2008 г., №4. с.45 -46.

Изобретение относится к системе автоматизации электроснабжения электрических железных дорог, а именно к устройствам контроля короткого замыкания в контактной сети переменного тока. Технический результат: расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения поиска повреждения с использованием эффекта наведенного напряжения. Сущность: устройство содержит трансформатор остаточного напряжения, подключенный к контактной сети с постом секционирования. Выключатели подключают контактную сеть и линию «два провода-рельс» к шинам тяговой подстанции. Реле запуска с катушкой и замыкающим с задержкой контактом и реле времени подключаются к источнику питания через последовательно включенные замыкающие контакты реле-повторителей защит выключателя. Фильтр снижает уровень высших гармонических составляющих в кривой остаточного напряжения, поступающего на вход фильтра низкой частоты (ФНЧ) с областью пропускания 0…48 Гц и на вход компаратора через замыкающий с замедлением контакт реле времени. Выходы ФНЧ и компаратора подключены к входу усилителя, который своим выходом подключен к выходному реле. Дополнительная кнопка переключает устройство в режим поиска устойчивого КЗ. 1 ил.

Устройство контроля короткого замыкания в контактной сети переменного тока, содержащее выходное реле с замыкающим контактом, контактную сеть и линию продольного электроснабжения 27,5 кВ «Два провода-рельс», подключенные через выключатели контактной сети к шинам тяговых подстанций, пост секционирования контактной сети, трансформатор остаточного напряжения, подключенный к одному из выключателей контактной сети, реле запуска, у которого первый вход катушки подключен через последовательно соединенные замыкающие контакты реле-повторителей защит к «-» источника питания, а второй вход - непосредственно к «+» источника питания, фильтр высших гармонических составляющих остаточного напряжения, вход которого подключен ко вторичной обмотке трансформатора остаточного напряжения через замыкающий с задержкой контакт реле запуска, фильтр низкой частоты (ФНЧ) с областью пропускания 0-40 Гц и усилитель, причем вход ФНЧ подключен к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических составляющих остаточного напряжения, а выход ФНЧ - к входу усилителя, при этом выход усилителя подсоединен к входу выходного реле, компаратор, реле времени и замыкающий контакт реле-повторителя отключенного состояния выключателя контактной сети, к которому подключен трансформатор остаточного напряжения, причем цепь из последовательно соединенных катушки реле времени и замыкающего контакта реле-повторителя отключенного состояния выключателя подключается параллельно катушке реле запуска, а вход компаратора через замыкающий с замедлением контакт реле времени подключается к выходу фильтра для фильтрации высших гармонических составляющих, и выход компаратора подключается к входу усилителя, отличающийся тем, что введена цепь с последовательно соединенными катушкой промежуточного реле с тремя контактами и кнопкой контроля устойчивого короткого замыкания, подключенная к «+» - «-» источника питания, причем первый замыкающий контакт промежуточного реле шунтирует последовательно соединенные замыкающие контакты реле-повторителей защит, первые выводы второго замыкающего и третьего размыкающего контактов промежуточного реле через замыкающий контакт выходного реле подключены к «+» источника питания, а второй вывод второго замыкающего контакта подключен к схеме сигнализации устойчивого короткого замыкания, и второй вывод третьего размыкающего контакта подключен к схеме включения выключателя контактной сети, который соединен с трансформатором остаточного напряжения.