Способ определения характера неисправности в системе электроснабжения электрифицированной железной дороги Российский патент 2025 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к способам обнаружения неисправностей в системе электроснабжения электрифицированной железной дороги.

Известен способ определения места короткого замыкания контактной сети электрифицированного транспорта (RU 2740304, Н02Н 3/38, G01R 31/08, 13.01.2021), состоящий из последовательности операций, когда в момент короткого замыкания измеряют напряжения на шинах одной или смежных тяговых подстанций, токи всех линий, питающих контактные сети путей межподстанционной зоны, фазовые углы, и вычисляют значения производных параметров с учетом дополнительных характеристик цепи короткого замыкания, зависящих от измеренных величин и схемы питания. После этого судят о месте повреждения путем реализации вычислительного алгоритма, определяющего зависимость между расстоянием до места повреждения от измеренных и вычисленных производных параметров. Причем заблаговременно до начала короткого замыкания составляют базу данных рассчитанных значений параметров цепи короткого замыкания для всех возможных вариантов расчетных схем питания и секционирования контактной сети межподстанционной зоны и отмечают возможные точки короткого замыкания внутри каждой схемы, указывают на каждой расчетной схеме направления токов, протекающих по каждому участку схемы между выключателями, и выявляют поврежденный участок с коротким замыканием по признаку встречного направления токов, протекающих в его начале и конце, в момент короткого замыкания фиксируют схему питания и секционирования контактной сети и выбирают из базы рассчитанных значений параметров цепи короткого замыкания сектор и фрагмент, которые соответствуют схеме межподстанционной зоны в момент короткого замыкания. Затем проводят сравнение значений для каждой точки короткого замыкания величин измеренных и рассчитанных по каждому параметру цепи короткого замыкания и определяют относительную разницу между каждым измеренным и рассчитанным значением, а в качестве места короткого замыкания принимают ту точку короткого замыкания, для которой сумма относительных разниц измеренных и рассчитанных значений параметров цепи короткого замыкания является минимальной.

Известен способ определения места короткого замыкания контактной сети электрифицированного транспорта (RU 2566458, В60М 1/00, G01R 31/08, 27.10.2015), заключающийся в том, что в момент короткого замыкания измеряют на одной или смежных тяговых подстанциях напряжение на шинах, токи линий, питающих контактные сети, и фазовые углы токов. Вычисляют значения производных параметров, зависящих от измеренных величин и схемы питания. Схему питания контактной сети между двумя смежными тяговыми подстанциями условно разделяют по длине пути на множество участков. Для каждого участка при расчетных коротких замыканиях в его начале и конце вычисляют расчетные значения величин и производных параметров. Определяют интервалы изменения всех расчетных параметров в пределах каждого из выделенных участков пути и вносят эти интервалы в базу данных. Производят сравнение измеренных величин и производных параметров с интервалами расчетных параметров из базы данных для каждого участка пути и в качестве места короткого замыкания принимают тот участок, для которого число измеренных величин и производных параметров, попавших внутрь интервалов, является наибольшим.

Недостатком обоих способов является то, что позволяют определить только один вид неисправности и место ее возникновения, а именно, короткое замыкание на контактной сети, что определяет область их использования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, и выбранному в качестве прототипа, является способ определения места короткого замыкания на воздушной линии электропередачи при не синхронизированных замерах с двух ее концов (RU 2508556, G01R 31/08, 27.02.2014), имеющей длину активное R и индуктивное сопротивление X_L, соединяющей две питающие системы, в котором измеряют с двух концов линии не синхронизированные по времени фазные токи и напряжения во время короткого замыкания, определяют поврежденные фазы, определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания п и физическое расстояние до места короткого замыкания со стороны конца линии с индексом по выражению измеряют с двух концов линии: мгновенные значения фазных токов i'_A, i'_B, i'_C, и напряжений u'_C, u''_A, u''_B, u''_C во время короткого замыкания с одного конца линии и мгновенные значения фазных токов i''_А, i''_B, i''_C и напряжений u''_A, u''_B, u''_C во время короткого замыкания с другого конца линии, получают осциллограммы токов и напряжений, совмещают осциллограммы с двух концов линии по срезу начала короткого замыкания, выбирают на интервале двух-десяти периодов от начала короткого замыкания сечение на осциллограммах тока и напряжения поврежденной фазы, снимают мгновенные значения токов i', i'' и напряжений u', u'' в сечении и в соседних точках, вычисляют производные от токов по времени di'/dt, di''ldt, определяют относительное значение расстояния до места короткого замыкания по выражению

где n - относительное значение расстояния до места короткого замыкания.

Недостатком данного способа является невозможность определения короткого замыкания непосредственно на тяговой подстанции, что определяет его узкую область применения.

Задача изобретения - расширение области применения способа определения характера неисправности в системе электроснабжения электрифицированной железной дороги.

Технический результат достигается тем, что в способе определения характера неисправности в системе электроснабжения электрифицированной железной дороги выходной сигнал анализируется в режиме реального времени в контактной сети постоянного тока с двусторонним питанием, подвергают анализу выделенную восемнадцатую гармонику тока и напряжения в начале и конце контактной линии постоянного тока и обратного тягового тока, в результате которого определяют амплитудно-частотную характеристику сигнала и контролируют уровень амплитуд гармонических составляющих сигнала, а режим аварийного состояния определяют по увеличению амплитуды сигнала в ограниченном временном окне и сравнивают с заведомо известным установленным порогом нагрузки, по изменению угла сдвига фаз определяют место неисправности на контактной сети, дополнительно по изменению угла сдвига фаз определяют место неисправности на тяговых подстанциях, анализируя время прохождения сигнала, определяют расстояние до неисправности.

Заявленный способ поясняется чертежами.

Фиг. 1 Схема подключения измерительных устройств релейной защиты на контактной сети постоянного тока с двухсторонним питанием.

Фиг. 2 Структурная схема обнаружения и распознавания неисправности.

Способ может быть реализован с использованием устройств и датчиков, функциональная схема которых приведена на фиг. 1.

На контактной сети устанавливаются измерительные устройства - датчики d1, d2 в началах и концах контактной провода (КП) (фиг. 1). Данные датчики имеют связь между собой по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), с релейной защитой (РЗА) и выпрямителями-инверторами, расположенными на тяговых подстанциях ТП1 и ТП2. Такая схема подключения датчиков d1, d2 позволяет анализировать информацию и влиять на работу выпрямителей-инверторов на ТП1 и ТП2. С помощью датчиков d1, d2 фиксируется изменение восемнадцатой гармоники тока и напряжения в контактной сети, после чего информация об этом изменении подвергается критериальному отбору по алгоритму, показанному на фиг. 2, путем сравнения с известными установленными значениями параметров.

Датчики d1, d2 в отсутствие каких-либо переходных процессов в контактной сети не фиксируют восемнадцатую гармонику тока. При возникновении короткого замыкания в контактной сети восемнадцатая гармоника тока значительно возрастает.

Проведя анализ восемнадцатой гармоники тока, получают информацию о неисправности и месте ее нахождения, и подают сигнал о неисправности на автоматическое рабочее место (АРМ) энергодиспетчера. Такой способ быстрого и точного определения неисправности, позволяет уменьшить время обнаружения и ремонта неисправности на линии аварийной бригаде, а значит сократить время остановки сообщения на железнодорожной магистрали.

Анализ восемнадцатой гармоники тока осуществляется следующим образом, при возрастании тока на КП датчики d1, d2 это фиксируют. Затем определяется характер сигнала, анализируя переходные процессы, происходящие в контактной сети.

Выразим этот процесс формулой

где N - номер точки дискретизации во временном окне;

n - представляет собой целое число, n=0, 1, 2, 3, …;

I_0mk - зафиксированное значение тока восемнадцатой гармоники при коротком замыкании;

I_Pt - установленный порог тока восемнадцатой гармоники максимальной нагрузки.

Период восемнадцатой гармоники тока Т составляет 1,1 мс, во избежание ошибочного включения защиты, статистика и расчет ведется за четыре периода 4T, a I_Pt установленный порог тока восемнадцатой гармоники максимальной нагрузки, I_0mk является минимумом для короткого замыкания в контактной сети, и максимальным значением для других помех. Этот критерий выбора временного окна в 4T используют для сравнения среднего значения I_0mk с I_Pt по формуле (1), что позволяет избежать ошибочной подачи команд на исполнительный орган (фиг. 2).

Однако перед тем как сделать окончательные выводы о неисправности, важно проанализировать другие параметры и провести дополнительные проверки и диагностику участка контактной сети. Это поможет установить точную причину неисправности и принять соответствующие меры для исправления проблемы.

При возникновении неисправностей в контактной сети разность фаз между восемнадцатой гармоникой напряжения и тока в точках измерения, то есть, в местах установки датчиков ϕ_Pmk, ϕ_Pnk равны -90°, а именно:

ϕ_Pmk, ϕ_Pnk - угол между напряжением и током гармоники в точках измерения m и n т.е. места установки измерительных устройств (начало и конец линии КП).

А более конкретно углы сдвига фаз ϕ_Pmk, ϕ_Pnk во время неисправности могут принимать значения:

или

Из уравнений (2, 3, 4) следует, что независимо от характера сопротивления неисправности и места неисправности на контактной сети, во время внешних неисправностей преобладает индуктивная составляющая. Во время неисправности КС оба ϕ_Р равны -90°. Во время внешних неисправностей на стороне ТП1 ϕ_Pmk>0 или ТП2 ϕ_Pnk>0, из выражений (3), (4) видно измерения угла ϕ_P сильно различаются в условиях внутреннего и внешнего отказа.

Согласно уравнениям (2, 3, 4) неисправность КС может быть определена при значениях ϕ_Pmk>0 и ϕ_Pnk>0. Тогда выполняется условие, при котором определяется неисправность в КС

где ϕ_Pmt и ϕ_Pnt - являются пороговыми значениями.

При внешней неисправности КС пороги отключения будут удовлетворять условиям: угол ϕ_Pmt должен быть больше -90°, или угол ϕ_Pnt должен быть больше -90°, что будет трактоваться как обобщенное условие для настройки устройства. Исполнительное устройство должно произвести отключение только на неисправной линии (КС).

Как показано на (фиг. 1), рассматриваемая система имеет два источника питания, и участок КС, состоящий из КП и Р. При замыкании контактной сети на землю ток на поврежденном участке будет отличаться от неповрежденного участка. Исполнительное устройство должно выполнить отключение, только на неисправном участке КС.

При КЗ или неисправности контактной сети ток контактной сети I_кс возрастает до значения 1,42, в сравнении с номинальным режимом. Таким образом, можно сделать регулировку порогового значения I_Pt берем 1,5.

Если критерий пуска релейной защиты (1) выполняется (фиг. 2), то делается вывод о неисправности контактной сети, если нет, то это означает, что система работает исправно. Затем рассчитываем ϕ_Р в точках измерения d1, d2 (фиг. 1) по формулам (2, 3, 4). Если критерий неисправности выполняется, то можно сделать вывод: имеется неисправность контактной сети, ϕ_Р в точках измерения равны -90° (2), в противном случае согласно уравненям (3, 4) внешняя неисправность на ТП1 или ТП2.

В момент принятия решения определения вида неисправности на линии КС, происходит вычисление расстояния до места неисправности. Для этого измеренные данные осциллограммы и вычисленные производные параметры рассчитываются по времени фиксации порогового значения I_0mk(r):

где χ_E - расстояние до места неисправности;

t - расчетное время прибытия сигнала порогового значения соответственно;

v - скорость распространения сигнала, которую можно вычислить:

где λ - длина волны выбранной гармоники тока;

Т - период колебания.

Однако, на практике известно что происходит затухание сигнала при больших растояниях на высоких частотах, поэтому это повлияет на точность обнаружения неисправности. Погрешность расстояния до неисправности определим как:

где χ - погрешность места неисправности;

χ_E1 - расстояние до места неисправности при расчете до перзапуска выпрямителя-инвертора;

χ_E2 - расстояние до места неисправности при расчете после перзапуска выпрямителя-инвертора.

Использование предлогаемого способа по сравнению с прототипом позволяет работать каждому датчику d1, d2 (фиг. 1) самостоятельно или сообща, что даст более точную информацию о неисправности, а также позволяет сравнивать полученные результаты о месте нахождения неисправности. Это дает более точное определение неисправности, и место ее нахождения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам обнаружения неисправностей на контактной сети постоянного тока железнодорожного транспорта. Технический результат - расширение области применения способа определения характера неисправности. Результат достигается тем, что предложен способ определения характера неисправности в системе электроснабжения электрифицированной железной дороги, состоящий в том, что выходной сигнал анализируется в режиме реального времени в контактной сети постоянного тока с двусторонним питанием, подвергают анализу выделенную восемнадцатую гармонику тока и напряжения в начале и конце контактной линии постоянного тока и обратного тягового тока, в результате которого определяют амплитудно-частотную характеристику сигнала и контролируют уровень амплитуд гармонических составляющих сигнала, а режим аварийного состояния определяют по увеличению амплитуды сигнала в ограниченном временном окне и сравнивают с заведомо известным порогом нагрузки, по изменению угла сдвига фаз определяют место неисправности на контактной сети, отличающийся тем, что дополнительно по изменению угла сдвига фаз определяют место неисправности на тяговых подстанциях, анализируя время прохождения сигнала, определяют расстояние до неисправности. 2 ил.

Способ определения характера неисправности в системе электроснабжения электрифицированной железной дороги, состоящий в том, что выходной сигнал анализируется в режиме реального времени в контактной сети постоянного тока с двусторонним питанием, подвергают анализу выделенную восемнадцатую гармонику тока и напряжения в начале и конце контактной линии постоянного тока и обратного тягового тока, в результате которого определяют амплитудно-частотную характеристику сигнала и контролируют уровень амплитуд гармонических составляющих сигнала, а режим аварийного состояния определяют по увеличению амплитуды сигнала в ограниченном временном окне и сравнивают с заведомо известным установленным порогом нагрузки, по изменению угла сдвига фаз определяют место неисправности на контактной сети, отличающийся тем, что дополнительно по изменению угла сдвига фаз определяют место неисправности на тяговых подстанциях, анализируя время прохождения сигнала, определяют расстояние до неисправности.