Способ управления автоматическим повторным включением выключателя Российский патент 2023 года по МПК G01R31/00 

«Область техники, к которой относится изобретение»

Изобретение относится к системной автоматике электрифицированных железных дорог, а именно к способу управления АПВ выключателя питающей линии КС с контролем устойчивого короткого замыкания (КЗ) в отключенной контактной сети (КС) переменного тока двухпутного участка.

«Уровень техники»

Автоматизация тяговой сети переменного тока с АПВ выключателей питающих линий КС рассмотрены в [1], где предложены различные варианты устройств, определяющие, исчезло ли КЗ после отключения выключателя. В [2] предложено АПВ выключателя для двухпутного участка с контролем гармоник наведенного напряжения. Однако при новом подвижном составе с асинхронными двигателями уровень третьей гармоники в отключенной КС не будет отражать реальное наведенное напряжение магнитного влияния, и поэтому становится невозможным гарантировано установить наличие устойчивого КЗ. В [3] предложено АПВ выключателя для двухпутного участка с контролем уровня наведенного напряжения при включенной и отключенной контактной сети смежного (второго) пути, изобретение [3] принимаем за прототип.

«Раскрытие изобретения»

В соответствие с прототипом рассматриваем Способ управления автоматическим повторным включением выключателя питающей линии контактной сети переменного тока тяговой подстанции с двумя питающими линиями двухпутного участка с постом секционирования и с трансформатором напряжения для контроля наведенного напряжения в контактной сети, причем выключатель с трансформатором напряжения установлен на питающей линии контактной сети первого пути, и к трансформатору напряжения подключен блок измерения напряжения через размыкающий блок-контакт выключателя питающей линии первого пути, а по опорам контактной сети проходит линия два провода рельс ДПР.

Покажем недостаток прототипа. После аварийного отключения выключателя [3] измеряют наведенное напряжение U в контактной сети первого пути. Если наведенное напряжение больше установленного значения U*, то дается разрешение АПВ. При определении U* естественно следует принять наибольшее возможное значение. Как указано в [1], экспериментально проверенные максимальные значения наведенного напряжения магнитной составляющей при отсутствии КЗ по расчетам и измерениям в тяговой сети Горьковской ж. д. равны 1,2 -1,7 кВ. Принимаем U*=1,7 кВ. Рассмотрим случай отключения выключателя от КЗ, но в момент измерения напряжения в отключенной к.с. КЗ устранилось (то есть было проходящее КЗ). Учтем [1], что электрическая составляющая в отключенной контактной сети от ДПР (в случае отключенной контактной сети и первого и второго фидеров) равна 1-3,5 кВ. Таким образом, если при уставке U*=1,7 кВ в рассматриваемом устройстве АПВ, произойдет аварийное отключение выключателя 2-ого фидера от КЗ и при этом по каким -то причинам будет отключен смежный фидер 3, то по измерениям в отключенной контактной сети напряжение может быть 1 кВ (или от 1 до 1,7 кВ). Следовательно, при указанном условии U*>U будет дана команда запрета АПВ, однако по исходным данным должно быть разрешение АПВ, так как КЗ исчезло. Итак, представлен возможный случай неправильной работы устройства АПВ по прототипу [3].

Цель изобретения - повысить надежность работы АПВ выключателя, то есть необходимо добиться правильной работы АПВ выключателя при проходящих КЗ. Другими словами, требуется надежно определить: КЗ проходящее (то есть устранилось) или устойчивое, при котором должен быть осуществлен запрет АПВ.

Для реализации цели вводят трансформатор напряжения тяговых шин 27,5 кВ и фазометр и при аварийном отключении выключателя питающей линии контактной сети первого пути измеряют действующее значение напряжения в отключенной контактной сети Uотк, и на шинах 27,5 кВ, Uш, а также разность фаз ϕ между напряжениями, и рассчитывают на комплексной плоскости действительную (вещественную) часть Re(Uотк), и при Re(Uотк)≤200В вводится запрет АПВ, а при Re(Uотк) > 500В дается разрешение АПВ, кроме того, при измеренном напряжении в пределах 500В ≥ Re(Uотк) > 200В также дается запрет АПВ, так как в этом случае повреждение находится на ЭПС, которое устраняется при опускании его токоприемника.

Предельные значения напряжений 200В и 500В получены в результате многолетних испытаний [1] на Горьковской ж.д., где определились наименьшие напряжения при устойчивом КЗ - до 100В, и поэтому с запасом установили для автоматики предельное значение при устойчивом КЗ -200В. Что касается напряжения, разрешающее АПВ (500В), то здесь учли ЭПС, работающий на большой сортировочной станции с большим количеством путей, увеличивающих суммарную емкостную проводимость контактной сети.

Для пояснения существа предлагаемого изобретения представим Фиг. 1 устройства управления.

«Краткое описание чертежей»

На Фиг. 1 приведены следующие обозначения:

1 - шины 27,5 кВ тяговой подстанции;

2, - выключатель питающей линии КС 1 пути с повреждением;

3. - выключатель питающей линии КС 2 пути без повреждения;

4 - выключатель питающей линии ДПРК;

5 - пост секционирования;

6, 7 - контактная сеть нечетного (первого) и четного (второго) путей;

8 - линия ДПР;

9 - трансформатор напряжения контроля наведенного напряжения Uотк в отключенной контактной сети 1-ого пути;

10 - размыкающий блок-контакт выключателя 2;

11 -трансформатор напряжения Uш контроля тяговых шин 27,5 кВ;

12 - блок измерений напряжений Uотк, Uш и разность их фаз ϕ;

13 - блок расчета Re(Uотк);

14 - блок сравнения Re(Uотк)≤200В?;

15 - блок сравнения Re(Uотк)>500В?;

16 - команда на запрет включения выключателя по АПВ;

17 - команда разрешения на включение выключателя по АПВ.

Рассматривается участок тяговой сети от шин 27,5 кВ тяговой подстанции 1 и контактной сети 6 и 7 до поста секционирования (ПС) 5, причем ПС показан на выключателях, как принято в «классической схеме» питания [1,4]. Контактная сеть 7 и линия ДПР 8 влияют на отключенную контактную сеть 6. Блок измерений 12 измеряет действующее значение наведенного напряжения Uотк в отключенной контактной сети и напряжение тяговых шин Uш, а также разность фаз между ними. Блок расчета 13 рассчитывает на комплексной плоскости действительную (вещественную) часть Re(Uотк), на которой Uш совпадает с действительной осью. Если на выходе блока сравнения 14 Re(Uотк) ≤ 200В будет значение «да», то тогда в блоке 16 формируется команда запрета АПВ. Если же на выходе Re(Uотк) ) ≤ 200В будет значение «нет», то осуществляется переход ко второму блоку сравнения 15 и, если на его выходе Re(Uотк) ) > 500В значение «да», то формируется в блоке 17 разрешение АПВ, которое передается выключателю 2. Если на выходе Re(Uотк) ) > 500В будет команда «нет», то также идет переход на запрет АПВ. На наш взгляд, такая команда (при 500В≥Re(Uотк)>200В) формируется при повреждении в ЭПС, где возможно большое переходное сопротивление цепи КЗ. При опускании токоприемника ЭПС напряжение в пределах 500В≥Re(Uотк)> 200В исчезнет.

«Осуществление изобретения»

Рассмотрим общие положения электромагнитного влияния на отключенную контактную сеть. Электромагнитные процессы будем рассматривать на комплексной плоскости, где действительная (вещественная) ось совпадает с напряжением шин Uш = 27,5 кВ тяговой подстанции, с учетом общей теории электромагнитных влияний в системе тягового электроснабжения переменного тока [1,4,5].

1.Электромагнитное влияние ДПР. Так как фаза напряжения линии ДПР отличается от фазы контактной сети на ±120° (знаки ± зависят от какой подстанции (от рассматриваемой или от смежной) питается ДПР, то наведенное напряжение электрической составляющей от ДПР в отключенной контактной сети также будет отличаться от Uотк на ±120°. Другими словами, влияние от ДПР будет проявляться как в действительной, так и в мнимой составляющих напряжения в отключенной контактной сети. Но это влияние будет только при отсутствии КЗ. При КЗ влияние электрической составляющей ДПР отсутствует и напряжение влияния - нуль (обычно пренебрегают небольшим током линии ДПР).

2.Электромагнитное влияние контактной сети 2-го пути. При отсутствии КЗ будет влияние на отключенную контактную сеть, как электрическое влияние, так и магнитное. Следует учесть, что электрическое влияние на отключенную контактную сеть от смежной контактной сети в 2-3 раза превышает влияние от ДПР [1]. Если при измерении определить разность фаз ϕ напряжений шин Uш и измеренного напряжения в отключенной контактной сети Uотк, то можно определить в наведенном напряжении электрическую составляющую

Uэ= Re(Uотк) = Uотк·cosφ (1)

3.Таким образом, на основании п.п 1 и 2 при КЗ будет отсутствовать электрическое влияние как от ДПР, так и от смежной контактной сети и остается только магнитное влияние от контактной сети. Поэтому факт отсутствия электрической составляющей наведенного напряжение (при наличии наведенного напряжения) будет определять присутствие КЗ в контактной сети.

4.Окончательно укажем, что при отсутствии КЗ существует влияние и электрическое, и магнитное, как от ДПР, так и от контактной сети. Из всего сказанного определяем критерий проходящего и устойчивого КЗ:

- 4.1. Как было сказано, при КЗ отсутствует электрическая составляющая. Поэтому, если определить в отключенной контактной сети отсутствие электрической составляющей наведенного напряжения, то это подтверждает факт присутствия КЗ в контактной сети. Пусть измеренное напряжение Uотк будет отличаться от Uш на угол ϕ. Тогда электрическую составляющую определим по выражению (1). Если то это указывает на наличие КЗ в контактной сети.

Uэ ≤200В, (2)

Опыты КЗ показали [1] , что напряжение в отключенной контактной сети не превышает 100В, это подтверждает теорию [1,4,5], где при КЗ в контактной сети электрическая составляющая наведенного напряжения в отключенной контактной сети равна нулю. Поэтому можно утверждать, что при малом значении напряжения в отключенной контактной сети подтверждается факт наличия устойчивого КЗ. Предлагается принять критерий (2) признаком устойчивого КЗ в отключенной контактной сети;

- 4.2. При измерении действительной (вещественной) составляющей Re(Uотк) напряжения в отключенной контактной сети измеряется электрическая составляющая напряжения Uэ от смежной контактной сети и часть электрической составляющей напряжения от ДПР. Здесь главный результат измерения в том, что если существует электрическая составляющая в отключенной контактной сети (даже с учетом только части ее от ДПР), то это значит, что отсутствует КЗ. Таким образом, если

Uэ = Re(Uотк)>500В, (3)

то это свидетельствует об отсутствии КЗ в контактной сети, и следовательно, следует разрешить АПВ;

- 4.3. Дополнительно укажем следующее. Если на выходе вещественной составляющей напряжения Re(Uотк) в блоке сравнения 15 Re(Uотк) ) > 500В будет команда «нет», то также следует установить запрет АПВ,16, по следующим причинам. На наш взгляд, такая команда (при 500В≥ Re(Uотк)> 200В) при измерении Uотк формируется при повреждении в ЭПС, когда возможно большое переходное сопротивление цепи КЗ. При опускании токоприемника ЭПС напряжение в пределах 500В≥Re(Uотк)> 200В исчезнет.

Итак, новизна изобретения заключается в следующем:

1. Измеряют действующее значение напряжения в отключенной контактной сети Uотк, и рассчитывают на комплексной плоскости действительную (вещественную) часть Re(Uотк), и при Uотк≤200В вводится запрет АПВ, а при Uотк >500В дается разрешение АПВ. Таким образом, вопрос: устранилось или осталось КЗ в контактной сети определяется по действительной (вещественной) составляющей Re(Uотк) напряжения в отключенной контактной сети;

2. Упрощается предлагаемый алгоритм определения проходящего или устойчивого КЗ для управления АПВ:

- во-первых, исключается расчет магнитного влияния U*, как критерия поставленной задачи в прототипе;

- во-вторых, все расчеты основаны только на электрические соствляющие напряжения в отключенной контактной сети;

- в третьих, нет необходимости специально рассматривать влияние ДПР.

Технико-экономический эффект изобретения определяется снижением числа пережогов и объемов повреждений тяговой сети в аварийных ситуациях, а также снижением износа коммутационной аппаратуры и силовых трансформаторов.

Литература

1. Герман Л.А., Субханвердиев К.С., Герман В.Л. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока. ч.1 . Учебное пособие. М.: УМЦ…Транспорта , 2021. - 224 с.

2. Патент на изобретение №2498328 от 19.04.2012 Способ управления автоматическим повторным включением выключателя фидера с контролем короткого замыкания в контактной сети (Герман Л.А., Герман В.Л.)

3. Патент на изобретение №2744492 от 28.07.2020. Способ управления автоматическим повторным включением выключателя подстанции… (Герман Л.А., Субханвердиев К.С., Карпов И.П.)

4. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / Под редакцией К.Г. Марквардта // М.: «Транспорт», 1980. - 256 с.

5. Ратнер М.П. Индуктивное влияние электрифицированных железных дорог на электрические сети и трубопроводы. М.: Транспорт, 1966 - 164

Изобретение относится к системной автоматике электрифицированных железных дорог, а именно к способу управления автоматическим повторным включением выключателя питающей линии контактной сети (КС) с контролем устойчивого короткого замыкания (КЗ) в отключенной КС переменного тока двухпутного участка. Технический результат: повышение надежности работы автоматического повторного включения (АПВ) выключателя при проходящих КЗ. Сущность: при аварийном отключении выключателя измеряют действующее значение напряжения в отключенной контактной сети Uотк и рассчитывают на комплексной плоскости действительную (вещественную) часть Re(Uотк). При Re(Uотк) ≤ 200 В вводят запрет АПВ, а при Re(Uотк) > 500 В дается разрешение АПВ. При измеренном напряжении в пределах 500 В ≥ Re(Uотк) > 200 В также дается запрет АПВ, так как в этом случае повреждение находится на электроподвижном составе, которое устраняется при опускании его токоприемника. 1 ил.

Способ управления автоматическим повторным включением (АПВ) выключателя питающей линии контактной сети переменного тока тяговой подстанции с двумя питающими линиями двухпутного участка с постом секционирования и с трансформатором напряжения для контроля наведенного напряжения в контактной сети, причем выключатель с трансформатором напряжения установлен на питающей линии контактной сети первого пути, и к трансформатору напряжения подключен блок измерения напряжения через размыкающий блок-контакт выключателя питающей линии первого пути, а по опорам контактной сети проходит линия два провода - рельс ДПР, отличающийся тем, что вводят трансформатор напряжения тяговых шин 27,5 кВ и фазометр, и при аварийном отключении выключателя питающей линии контактной сети первого пути измеряют действующее значение напряжения в отключенной контактной сети - Uотк и на шинах 27,5 кВ - Uш, а также разность фаз между этими напряжениями, и рассчитывают на комплексной плоскости действительную часть - Re (Uотк), и при Re(Uотк) ≤ 200 В вводится запрет АПВ, а при Re(Uотк) > 500 В дается разрешение АПВ, кроме того, при измеренном напряжении в пределах 500 В ≥ Re(Uотк) > 200 В также осуществляется запрет АПВ, так как в этом случае повреждение находится на электроподвижном составе, которое устраняется при опускании его токоприемника.