Способ определения расстояния до места короткого замыкания контактной сети переменного тока (варианты) Российский патент 2017 года по МПК B60M1/00 G01R31/08 

Вариант 1

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на однопутных и многопутных участках с любым числом пунктов параллельного соединения контактной сети разных путей и постов секционирования для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания контактной сети при ее двухстороннем питании.

Известен способ определения расстояния до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в 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. В этом способе 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 возникновения в месте короткого замыкания электрической дуги (переходное сопротивление) и отсутствия указанной зависимости от действительного расстояния на двух- и многопутных участках. Недостатки этого, а также некоторых других известных способов определения удаленности места короткого замыкания описаны в книге: 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. С. 570-579.

Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в патентах на изобретение:

а) RU 2160193, МПК 7 В M 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;

б) RU 2160673, МПК 7 В M 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;

в) RU 2177417, МПК 7 В M 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;

г) RU 2181672, МПК 7 В M 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;

д) RU 2189606, МПК 7 В M 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;

е) RU 2189607, МПК 7 В M 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.

Все указанные в пп. а) - е) патенты основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между напряжением и током на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока и его фазового угла на присоединении 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 определение расстояния оказывается возможным только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки на контактной сети, т.е. до ближайшего поперечного соединения контактных сетей разных путей. В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования (см., например, Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник для вузов ж.д. трансп. - М.: Транспорт, 1982 - 528 с. С. 17-21). Таким образом, при стандартной параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и одним постом секционирования между ними определение по этим способам возможно только на участке длиной примерно в 1/4 расстояния между смежными тяговыми подстанциями. При использовании любого из указанных способов со стороны только одной тяговой подстанции значение на длине, составляющей примерно 3/4 длины межподстанционной зоны (расстояния между смежными тяговыми подстанциями), оказывается невозможным. Если указанные способы использовать на обеих смежных тяговых подстанциях, то определение оказывается возможным только на длине, составляющей около 1/2 длины межподстанционной зоны.

Известен реализованный в устройстве способ определения удаленности короткого замыкания, не зависящий от числа узловых точек на контактной сети, принятый в качестве прототипа, в котором осуществляют двухстороннюю фиксацию напряжений, токов и фазовых углов при коротком замыкании (Патент на изобретение RU 2153426, МПК 7 В М 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). На смежных тяговых подстанциях А и В измеряют токи подстанций I_А, I_В, напряжения U_А, U_B на их шинах, фазовые углы, ϕ_A, ϕ_B между соответствующими напряжениями и токами, определяют дополнительные фазовые углы ψ_A и ψ_B путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Х_пА, Х_пВ - сопротивления соответственно тяговых подстанций А и В, определяют дополнительно расчетные величины N и α_N путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Z_тcA, Z_стВ - модули заранее неизвестных комплексных значений сопротивлений тяговой сети на участках от места короткого 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_тcA и Z_тcB, поскольку место короткого замыкания также заранее неизвестно, и необходимости, поэтому, значения N, α_N, , вычислять методом последовательных приближений. В рассматриваемом устройстве 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 межподстанционной зоны с коротким замыканием на одном из электрифицированных путей, значения тока I_А, напряжения на шинах U_А и фазового угла ϕ_А между ними на тяговой подстанции А, значения тока I_В, напряжения на шинах U_B и фазового угла ϕ_В между ними на тяговой подстанции В, определяют дополнительные фазовые углы ψ_A и ψ_В путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Х_пА, Х_пВ - известные индуктивные сопротивления тяговых подстанций соответственно А и В, отличающийся тем, что дополнительно находят модуль и аргумент сопротивления 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; - 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 дополнительное определение модуля и аргумента сопротивления схемы замещения, определение модуля и аргумента тока в месте короткого замыкания, а также новое выражение для определения расстояния .

Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния .

Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.

Вариант 2

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги переменного тока на однопутных и многопутных участках с любым числом пунктов параллельного соединения контактной сети разных путей и постов секционирования для определения расстояния от тяговой подстанции до места короткого замыкания контактной сети при ее двухстороннем питании.

Известен способ определения расстояния до места короткого замыкания в контактной сети, реализованный в 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. В этом способе 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 возникновения в месте короткого замыкания электрической дуги (переходное сопротивление) и отсутствия указанной зависимости от действительного расстояния на двух- и многопутных участках. Недостатки этого, а также некоторых других известных способов определения удаленности места короткого замыкания, описаны в книге: 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. С. 570-579.

Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания на контактной сети, реализованные в патентах на изобретение:

а) RU 2160193, МПК 7 В M 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;

б) RU 2160673, МПК 7 В M 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;

в) RU 2177417, МПК 7 В M 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;

г) RU 2181672, МПК 7 В M 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;

д) RU 2189606, МПК 7 В M 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;

е) RU 2189607, МПК 7 В M 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.

Все патенты по пп. а) - е) основаны на измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах, тока и фазового угла между напряжением и током на одной или двух смежных тяговых подстанциях, а также тока и его фазового угла на присоединении 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 определение расстояния оказывается возможным только на участке от шин тяговой подстанции до ближайшей узловой точки на контактной сети, т.е. до ближайшего поперечного соединения контактных сетей разных путей. В качестве узловых точек выступают пункты параллельного соединения и посты секционирования (см., например, Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог: Учебник для вузов ж.д. трансп. - М.: Транспорт, 1982 - 528 с. С. 17-21). Таким образом, при стандартной параллельной схеме питания контактной сети с двумя пунктами параллельного соединения и одним постом секционирования между ними, определение по этим способам возможно только на участке длиной примерно в 1/4 расстояния между смежными тяговыми подстанциями. При использовании любого из указанных способов со стороны только одной тяговой подстанции значение на длине, составляющей примерно 3/4 длины межподстанционной зоны (расстояния между смежными тяговыми подстанциями), оказывается невозможным. Если указанные способы использовать на обеих смежных тяговых подстанциях, то определение оказывается возможным только на длине, составляющей около 1/2 длины межподстанционной зоны.

Известен реализованный в устройстве способ определения удаленности короткого замыкания, не зависящий от числа узловых точек на контактной сети, принятый в качестве прототипа, в котором осуществляют двухстороннюю фиксацию напряжений, токов и фазовых углов при коротком замыкании (Патент на изобретение RU 2153426, МПК 7 В М 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). На смежных тяговых подстанциях А и В измеряют токи подстанций I_А, I_В, напряжения U_A, U_B на их шинах, фазовые углы, ϕ_A, ϕ_B между соответствующими напряжениями и токами, определяют дополнительные фазовые углы ψ_А и ψ_B путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Х_пА, Х_пВ - сопротивления соответственно тяговых подстанций А и В, определяют дополнительно расчетные величины N и α_N путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Z_тcA, Z_тcB - модули заранее известных комплексных значений сопротивлений тяговой сети на участках от места короткого 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_тcA и Z_тcВ, поскольку место короткого замыкания также заранее неизвестно и необходимости, поэтому, значения N, α_N, , вычислять методом последовательных приближений. В рассматриваемом устройстве 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 межподстанционной зоны с коротким замыканием на одном из электрифицированных путей, значения тока I_А, напряжения на шинах U_А и фазового угла ϕ_А между ними на тяговой подстанции А, значения тока I_В, напряжения на шинах U_B и фазового угла ϕ_B между ними на тяговой подстанции В, определяют дополнительные фазовые углы ψ_А и ψ_B путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

где Х_пА, X_пВ - известные индуктивные сопротивления тяговых подстанций соответственно А и В, отличающийся тем, что дополнительно находят модуль и аргумент сопротивления 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; - 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 дополнительное определение модуля и аргумента сопротивления схемы замещения, определение модуля и аргумента тока в месте короткого замыкания, а также новые выражения для определения расстояния .

Предложенный способ обеспечивает повышение точности и упрощение вычисления расстояния .

Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.

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, и индуктивно развязанной ее схеме замещения, приведенной на фиг. 1, б (см. Фигурнов Е.П. Сопротивление электротяговой сети однофазного переменного тока. Электричество, 1997, №5. - С. 23-29), 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_тcA - сопротивление участка тяговой сети, по которому протекает ток I_А;

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_В0 - напряжение холостого хода тяговых подстанций соответственно А и В.

Для приведенной на фиг. 1, б схемы имеем:

Для сопротивлений Z_тcA и Z_тcB имеем:

где - погонное сопротивление 1 км тяговой сети.

Подставив эти значения в (9) и полагая напряжения холостого хода подстанций А и В одинаковыми, получаем:

где принято:

В приведенных выражениях фазовые углы векторов токов I_А, I_В, 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_АХ_пА подстанции A, приведенной на фиг. 2, вектор I_АХ_пА направлен по отношению к ветру тока I_А под углом 90°, поскольку сопротивление тяговой подстанции X_А является практически чисто индуктивным. Опустим из точки «а» на направление вектора U_А перпендикуляр. При этом получаем:

Для треугольника «0аb» по теореме косинусов имеем:

а по теореме синусов получаем:

Подставив в (14) выражение (13) и решив его относительно ψ_А,получим формулу (1). Аналогичным образом выводится формула (2) для подстанции В.

Комплексное число , состоящее согласно выражению (12) из суммы двух комплексных чисел, может быть представлено в виде , где модуль и аргумент определяются известными выражениями (3) и (4).

Комплексное число , состоящее согласно выражению (11) из суммы двух комплексных чисел, может быть представлено в виде , где модуль I_к и аргумент γ_к определяются известными выражениями (5) и (6) с учетом принятого требования отсчета аргументов всех токов относительно одной и той же оси.

Используя экспоненциальную форму комплексных чисел, получим вместо (10):

Заменим экспоненциальную запись комплексных чисел на тригонометрическую:

Поскольку расстояние по определению является вещественным и не имеет мнимой части, то мнимая часть выражения (15) равна нулю, а действительная часть совпадает с выражением (7).

Из условия равенства нулю мнимой части выражения (15) следует:

Отсюда:

Подставив выражение (16) в формулу (7), получаем выражение (8).

Группа изобретений относится к линиям электроснабжения транспортных средств на электротяге. Способ определения расстояния до места 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 фазовые углы () сдвига между напряжением холостого хода и соответственно напряжениями (). Дополнительно определяют расстояние () между тяговыми подстанциями. Путем реализации вычислительных алгоритмов находят модуль () и аргумент () сопротивлений схемы замещения, модуль тока () и аргумент тока () в месте короткого замыкания. Затем определяют расстояние 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 расстояния до места короткого замыкания контактной сети переменного тока, расположенной между смежными тяговыми подстанциями А и В, питающими с двух сторон контактную сеть однопутного или многопутного участка, на которой возникло короткое замыкание, при известных значениях сопротивлений Х_пА, и Х_пВ тяговых подстанций, активной r_тс и реактивной х_тс составляющих полного сопротивления тяговой сети, его модуля z_тс и аргумента α_тс при параллельном соединении контактных сетей всех путей, при наличии или отсутствии на ней узловых точек в виде постов секционирования и пунктов параллельного соединения, при котором в момент короткого замыкания измеряют значение 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 тяговой подстанции В, определяют углы ψ_А и ψ_B сдвига между напряжением холостого хода и соответственно напряжениями U_A и U_B, отличающийся тем, что дополнительно определяют расстояние между тяговыми подстанциями А и В, находят модуль и аргумент части сопротивления тяговой сети, включающей сопротивление тяговой подстанции В и сопротивление этой сети на участке , путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

,

,

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 непосредственной реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

.

2. Способ определения расстояния до места короткого замыкания контактной сети переменного тока, расположенной между смежными тяговыми подстанциями А и В, питающими с двух сторон контактную сеть однопутного или многопутного участка, на которой возникло короткое замыкание, при известных значениях сопротивлений Х_пА, и Х_пВ тяговых подстанций, активной r_тс и реактивной х_тс составляющих полного сопротивления тяговой сети, его модуля z_тс и аргумента α_тс при параллельном соединении контактных сетей всех путей, при наличии или отсутствии на ней узловых точек в виде постов секционирования и пунктов параллельного соединения, при котором в момент короткого замыкания измеряют значение 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 тяговой подстанции В, определяют углы ψ_А и ψ_B сдвига между напряжением холостого хода и соответственно напряжениями U_A и U_B, отличающийся тем, что дополнительно определяют расстояние между тяговыми подстанциями А и В, находят модуль и аргумент части сопротивления тяговой сети, включающей сопротивление тяговой подстанции В и сопротивление этой сети на участке , путем реализации вычислительных алгоритмов в виде выражений:

,

,

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 непосредственной реализации вычислительного алгоритма в виде выражения:

.