Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети электрического транспорта (варианты) Российский патент 2017 года по МПК B60M1/00 G01R31/08 

Вариант 1

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться на контактной сети переменного тока при двухстороннем питании для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания.

Известен способ определения расстояния (удаленности) до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в устройстве [1], при котором в момент короткого замыкания измеряют ток I_ф присоединения контактной сети того пути, на котором произошло ее повреждение, напряжение U_ш на шинах тяговой подстанции и определяют расстояние до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде формулы:

где z_тс - сопротивление 1 км тяговой сети.

Недостатком этого способа является низкая точность из-за переходного сопротивления (сопротивление электрической дуги), возникающей в месте повреждения, и отсутствия указанной зависимости от отношения U_ш/I_ф на многопутных участках [2, стр. 570-579].

Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в [3-8]. Все они основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между ними на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока и его фазового угла присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, и определении расстояния до места повреждения путем реализации соответствующих вычислительных алгоритмов.

Эти способы имеют один и тот же недостаток, заключающийся в том, что использование в вычислительном алгоритме значений тока обуславливает возможность определения искомого расстояния только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки (точки поперечного соединения контактных сетей разных путей между собой). В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования [2, стр. 4-5]. Таким образом, при типовой параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и постом секционирования между ними даже в том случае, если определение осуществлять со стороны каждой из смежных тяговых подстанций, примерно на 1/2 длины межподстанционной зоны (между пунктами параллельного соединения), определение этим способом невозможно.

Известен способ, реализованный в устройстве [9], лишенный этого недостатка и принятый в качестве прототипа. Его сущность заключается в том, что на смежных тяговых подстанциях А и В в момент короткого замыкания контактной сети измеряют токи подстанций I_A, I_B, напряжения U_A, U_B на их шинах, фазовые углы ϕ_A, ϕ_B между соответствующими, определяют для известных значений Х_пА, Х_пВ сопротивлений тяговых подстанций соответственно А и В дополнительные фазовые углы ψ_A и ψ_B путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

определяют дополнительно расчетные величины N и α_N путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Z_тсA, Z_тсB - модули заранее неизвестных комплексных значений сопротивлений тяговой сети на участках от места короткого К замыкания до тяговых подстанций соответственно А и В; α_тсА, α_тсВ - аргументы этих сопротивлений, и определяют расстояние до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

Недостатком этого способа является сложность и снижение точности из-за неопределенности заранее неизвестных значений Z_тсA и Z_тсB, поскольку место короткого замыкания также заранее неизвестно, и необходимости поэтому значения N, α_N, , вычислять методом последовательных приближений. В устройстве [9] такой метод реализован с помощью связей (блоки 14-19).

Техническим результатом является повышение точности и упрощение, достигаемое за счет использования других вычислительных алгоритмов, не требующих применения метода последовательных приближений.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания контактной сети измеряют на смежных тяговых подстанциях А и В, питающих с двух сторон контактную сеть всех электрифицированных путей межподстанционной зоны с коротким замыканием, значения тока I_A, напряжения на шинах U_A и фазового угла ϕ_A между ними на тяговой подстанции А, значения тока I_B, напряжения на шинах U_B и фазового угла ϕ_B между ними на подстанции В и определяют дополнительные фазовые углы ψ_А и ψ_B при известных значениях напряжений холостого хода U_A0, U_B0 и сопротивлений Х_пА, Х_пВ соответствующих подстанций путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

находят дополнительно модули и аргументы сопротивлений схемы замещения тяговой сети путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где r_тс, х_тс - справочные значения активной и индуктивной составляющих погонного сопротивления 1 км тяговой сети; - известное расстояние между смежными тяговыми подстанциями А и В, определяют модуль I_к и аргумент γ_к тока в месте короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

и определяют расстояние от подстанции А до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

где z_тс, α_тс - известные модуль и аргумент погонного сопротивления 1 км тяговой сети при параллельном соединении контактной сети всех путей.

Новыми признаками способа являются вычислительные алгоритмы углов ψ_А, ψ_В, дополнительное определение модуля и аргументов сопротивлений схемы замещения тяговой сети и тока короткого замыкания в месте повреждения, а также новое выражение для определения расстояния .

Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния (не требуется применять метод последовательных приближений).

Вариант 2.

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться на контактной сети переменного тока при двухстороннем питании для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания.

Известен способ определения расстояния (удаленности) до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в устройстве [1], при котором в момент короткого замыкания измеряют ток I_ф присоединения контактной сети того пути, на котором произошло ее повреждение, напряжение U_ш на шинах тяговой подстанции и определяют расстояние до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде формулы:

где z_тс - сопротивление 1 км тяговой сети.

Недостатком этого способа является низкая точность из-за переходного сопротивления (сопротивление электрической дуги), возникающей в месте повреждения, и отсутствия указанной зависимости от отношения U_ш/I_ф на многопутных участках [2, стр. 570-579].

Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в [3-8]. Все они основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между ними на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока и его фазового угла присоединения контактной сети того пути, на котором произошло повреждение, и определении расстояния до места повреждения путем реализации соответствующих вычислительных алгоритмов.

Эти способы имеют один и тот же недостаток, заключающийся в том, что использование в вычислительном алгоритме значений тока обуславливает возможность определения искомого расстояния только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки (точки поперечного соединения контактных сетей разных путей между собой). В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования [2, стр. 4-5]. Таким образом, при типовой параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и постом секционирования между ними даже в том случае, если определение осуществлять со стороны каждой из смежных тяговых подстанций примерно на 1/2 длины межподстанционной зоны (между пунктами параллельного соединения), определение этим способом невозможно.

Известен способ, реализованный в устройстве [9], лишенный этого недостатка и принятый в качестве прототипа. Его сущность заключается в том, что на смежных тяговых подстанциях А и В в момент короткого замыкания контактной сети измеряют токи подстанций I_A, I_B, напряжения U_A, U_B на их шинах, фазовые углы ϕ_А, ϕ_B между соответствующими, определяют для известных значений Х_пА, Х_пВ сопротивлений тяговых подстанций соответственно А и В дополнительные фазовые углы ψ_А и ψ_B путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

определяют дополнительно расчетные величины N и α_N путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Z_тсA, Z_тсВ - модули заранее неизвестных комплексных значений погонных сопротивлений 1 км тяговой сети на участках от места короткого К замыкания до тяговых подстанций соответственно А и В; α_тсА, α_тсВ - аргументы этих сопротивлений, и определяют расстояние до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

Недостатком этого способа является сложность и снижение точности из-за неопределенности заранее неизвестных значений Z_тсА и Z_тсB, поскольку место короткого замыкания также заранее неизвестно, и необходимости поэтому значения N, α_N, , вычислять методом последовательных приближений. В устройстве [9] такой метод реализован с помощью связей (блоки 14-19).

Техническим результатом является повышение точности и упрощение, достигаемое за счет использования других вычислительных алгоритмов, не требующих применения метода последовательных приближений.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в момент короткого замыкания контактной сети измеряют на смежных тяговых подстанциях А и В, питающих с двух сторон контактную сеть всех электрифицированных путей межподстанционной зоны с коротким замыканием, значения тока I_A, напряжения на шинах U_A и фазового угла ϕ_А между ними на тяговой подстанции А, значения тока I_B, напряжения на шинах U_B и фазового угла ϕ_B между ними на подстанции В и определяют дополнительные фазовые углы ψ_A и ψ_B при известных значениях напряжений холостого хода U_A0, U_B0 и сопротивлений Х_пА, Х_пВ соответствующих подстанций путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

находят дополнительно модули и аргументы , сопротивлений схемы замещения тяговой сети путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где r_тс, х_тс - справочные значения активной и индуктивной составляющих погонного сопротивления 1 км тяговой сети; - известное расстояние между смежными тяговыми подстанциями А и В, определяют модуль I_к и аргумент γ_к тока в месте короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

и определяют расстояние от подстанции А до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

где z_тс, α_тс - известные модуль и аргумент погонного сопротивления 1 км тяговой сети при параллельном соединении контактной сети всех путей.

Новыми признаками способа являются вычислительные алгоритмы углов ψ_A, ψ_B, дополнительное определение модуля и аргументов сопротивлений схемы замещения тяговой сети и тока короткого замыкания в месте повреждения, а также новое выражение для определения расстояния .

Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния (не требуется применять метод последовательных приближений).

Обоснование вариантов способа.

Обоснование основано на известных схеме двухстороннего питания контактной сети многопутного участка с пунктами параллельного соединения ППС1, ППС2 и постом секционирования ПС, приведенной на фиг. 1, а, индуктивно развязанной ее схеме замещения, приведенной на фиг. 1, б [10], а также векторной диаграммы для напряжений и токов подстанции А, приведенной на фиг. 2.

На схеме замещения обозначены:

Х_пА, Х_пВ - сопротивления тяговых подстанций;

Z_тсA - сопротивление участка тяговой сети, по которому протекает ток I_A;

Z_тcB - сопротивление участка тяговой сети, по которому протекает ток I_B;

Z_тcAB - сопротивление эквивалентного участка тяговой сети, по которому протекает ток I_к;

R_д - сопротивление дуги в месте повреждения;

U_А0, U_B0 - напряжение холостого хода тяговых подстанций соответственно А и В.

Для приведенной на фиг. 1, б схемы имеем:

Для сопротивлений Z_тсA и Z_тсB имеем:

где - погонное сопротивление 1 км тяговой сети.

Подставив эти значения в (11) и полагая напряжения холостого хода подстанций А и В одинаковыми, получаем:

где принято:

В приведенных выражениях фазовые углы векторов токов I_A, I_B, I_к, должны отсчитываться от одной оси, в качестве которой принимаем ось, совпадающую по направлению с вектором напряжения холостого хода. На векторной диаграмме для векторов U_A0, U_A, I_A, I_AX_пA подстанции А, приведенной на фиг. 2, вектор I_АХ_пА направлен по отношению к ветру тока I_A под углом 90°, поскольку сопротивление тяговой подстанции X_A является практически чисто индуктивным.

Для треугольника «0ас» на фиг. 2 на основании теоремы косинусов получаем выражение (1). Аналогичным образом для подстанции В получаем выражение (2).

Прибавив и вычтя в числителе выражения (12) член , получим:

Обозначим:

Тогда выражение (15) с учетом (14) примет вид:

Модули и аргументы комплексных чисел и вычисляют по формулам (3), (4), (5), и (6). Модуль и аргумент комплексного числа I_к вычисляют по формулам (7) и (8). Представив комплексные числа, входящие в выражение (17), в экспоненциальной форме, получаем:

Заменив в выражении (18) экспоненциальную форму комплексных чисел на тригонометрическую и приняв мнимую часть полученного выражения равной нулю, поскольку расстояние по определению вещественно и не имеет мнимой части, получаем выражение (9).

Из условия равенства нулю мнимой части выражения имеем:

откуда:

Подставив это выражение в (9) и используя известные формулы сложения тригонометрических функций, получаем выражение (10).

Источники информации

1. А.С. СССР 161410, МКИ³ G01r, В60m. Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока / Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я., (СССР)-. №787278/24-7. Заявл. 16.07.1962. Опубл. 19.03.1964. Бюл. №7.

2. Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник. В 2 ч. Ч. 2 3-е изд. перераб. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. 604 с.

3. Патент RU 2160673, МПК 7 В60М 1/00. Определитель места повреждения контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л. (RU) - №98110428/28. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 20.12.2000. Бюл. №35.

4. Патент RU 2160193, МПК 7 В60М 1/00. Указатель удаленности короткого замыкания в тяговой сети переменного тока / Быкадоров А.Л., Жарков Ю.И., Петров И.П., Фигурнов Е.П. (RU) - №98110434/28. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 10.12.2000 Бюл. №34.

5. Патент RU 2177417, МПК 7 В60М 1/00. Определитель места повреждения тяговой сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л. (RU) - №98110414. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 27.02.2001. Бюл. №36.

6. Патент RU 2181672, МПК 7 В60М 1/00. Устройство для определения удаленности места короткого замыкания в тяговой сети электрифицированного транспорта (варианты) / Быкадоров А.Л., Жарков Ю.И., Петров И.П., Фигурнов Е.П. (RU) - №98110757. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 27.04.2002. Бюл. №12;

7. Патент RU 2189606, МПК 7 В60М 1/00. Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети переменного тока и устройство для его выполнения / Фигурнов Е.П., Жарков Ю.И., Стороженко Д.Е. (RU) - №2001110241/09. Заявл. 16.04.2001. Опубл. 20.09.2002. Бюл. №26;

8. Патент RU 2189607, МПК 7 В60М 1/00. Определитель удаленности повреждения контактной сети (варианты) / Фигурнов Е.П., Жарков Ю.И., Стороженко Д.Е. (RU) - №2001110308/09. Заявл. 16.04.2001. Опубл. 20.09.2002. Бюл. №26.

9. Патент RU 2153426, МПК 7 В60М 1/00. Указатель места короткого замыкания контактной сети / Фигурнов Е.П., Петров И.П., Жарков Ю.И., Быкадоров А.Л. (RU) - №98110435/28. Заявл. 01.06.1998. Опубл. 27.07.2000. Бюл. №21.

10. Фигурнов Е.П. Сопротивление электротяговой сети однофазного переменного тока. Электричество, 1997, №5. - С. 23-29.

Группа изобретение относится к линиям электроснабжения транспортных средств на электротяге. Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети заключается в том, что в момент короткого замыкания измеряют на смежных подстанциях значение токов (), напряжений () и фазовых углов () между ними. Определяют дополнительные фазовые углы (), используя параметры напряжения холостого хода () и сопротивлений (). Путем реализации вычислительных алгоритмов находят дополнительные модули () и аргументы () сопротивлений схемы замещения, модуль тока () и аргумент тока () в месте короткого замыкания. Затем определяют расстояния от подстанции А до места короткого замыкания. Технический результат заключается в повышении точности и упрощении способа определения удаленности короткого замыкания 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети электрического транспорта при известных - расстоянии между тяговыми подстанциями А и В, сопротивлениях Х_пА и Х_пВ соответственно тех же тяговых подстанций, активной r_тс и индуктивной х_тс составляющих, а также модуля z_тс и аргумента α_тс погонного сопротивления 1 км тяговой сети, заключающийся в измерении в момент короткого замыкания признаков конкретного режима в виде значений тока I_A, напряжения на шинах U_A и фазового угла ϕ_А между ними на тяговой подстанции А, значений тока I_B, напряжения на шинах U_B и фазового угла ϕ_В между ними на тяговой подстанции В, а также вычислении фазовых углов Ψ_A и Ψ_В и определении удаленности короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов, использующих измеренные признаки конкретного режима и указанные известные параметры тяговых подстанций и тяговой сети, отличающийся тем, что дополнительно используют параметры напряжений холостого хода U_A0, U_B0 соответственно тяговых подстанций А и В и вычисляют фазовые углы Ψ_A и Ψ_В между напряжениями холостого хода U_A0, U_B0 и соответствующими напряжениями U_A, U_B на шинах тяговых подстанций для конкретного режима короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражений:

дополнительно определяют модули , и аргументы , , схемы замещения реальной тяговой сети при известных значениях , Х_пА, Х_пВ, r_тс и х_тс путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

а также модуль I_к и аргумент γ_к результирующего значения тока короткого замыкания в месте короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

и определяют удаленность от тяговой подстанции А до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

2. Способ определения удаленности короткого замыкания контактной сети электрического транспорта при известных - расстоянии между тяговыми подстанциями А и В, сопротивлениях Х_пА и Х_пВ соответственно тех же тяговых подстанций, активной r_тс и индуктивной х_тс составляющих, а также модуля z_тс и аргумента α_тс погонного сопротивления 1 км тяговой сети, заключающийся в измерении в момент короткого замыкания признаков конкретного режима в виде значений тока I_A, напряжения на шинах U_A и фазового угла ϕ_A между ними на тяговой подстанции А, значений тока I_B, напряжения на шинах U_B и фазового угла ϕ_В между ними на тяговой подстанции В, а также вычислении фазовых углов Ψ_A и Ψ_В и определении удаленности короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов, использующих измеренные признаки конкретного режима и указанные известные параметры тяговых подстанций и тяговой сети, отличающийся тем, что дополнительно используют параметры напряжений холостого хода U_A0, U_B0 соответственно тяговых подстанций А и В и вычисляют фазовые углы Ψ_A и Ψ_В между напряжениями холостого хода U_A0, U_B0 и соответствующими напряжениями U_A, U_B на шинах тяговых подстанций для конкретного режима короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражений:

дополнительно определяют модули , и аргументы , , схемы замещения реальной тяговой сети при известных значениях , Х_пА, Х_пВ, r_тс и х_тс путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

а также модуль I_к и аргумент γ_к результирующего значения тока короткого замыкания в месте короткого замыкания путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

и определяют удаленность от тяговой подстанции А до места короткого замыкания путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения: