Устройство для защиты тяговой сети электрифицированного транспорта от малых токов короткого замыкания и перегрузки Советский патент 1982 года по МПК H02H3/08 

5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТЯГОДОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОГО ТРАНСПОРТА ОТ МАЛЫХ .ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Изобретение относится к электроте нике, а именно к средствам защиты тя говых сет.ей электрифицированного транспорта от малых токов короткого замыкания. Известны устройства, действующие по принципу максимальной токовой за щиты, (поста секционирования), потен циальной и высокочастотной защит, устройство реагирующее на характер изменения тока короткого замыкания , dl ч ( . ) , токовременные защиты и flP.f . . Недостатком данных устройств является то, что требуются дополнител ные линии связи между устройством защиты устанавливаемым на перегоне, и тяговой.подстанциейJ низкая надеж .ность релейно-контактных элементов из-за частых запусков защиты, большое количество неоправданных отключений сети при неопасных для нее кратковременных бросках тока. И ПЕРЕГРУЗКИ Наиболее близким к изобретению является устройство в которсЗм выполнение схемы с элементом контроля величины и продолжительности тока тяговой сети, является основным органом защиты, с помощью которого осуществляется косвенный контроль теплового состояния контактного провода. Токовременн я защита основана на том, что вследствие резкоизмекяющегося характера тяговых нагрузок их продолжительность, как правило, меньше допустимой продолжительности предельного длительного тока сети. Известное устройство интегральной токовременной защиты содержит, подключенный к шунту питающего фидера, блок гальванической развязки на основе магнитного усилителя, соединенный с моделирующим блоком {RC-цепочкой) , который в свою очередь подключен к релейному элементу, включенному последовательно с исполнительным элементом в цепь отключения линейного быстродействующего выключателя. При коротком звмыкании или длительной перегрузке сигнал, снимаемый с шунта пропорциональный току сети, в блоке гальванической развязки преобразуется в напряжение, которое подается на ре.зистивно-емкостную цепочку, где уровень напряжения на конденсаторе служит показателем нагрева контактного провода, а контроль величины этого напряжения по существу является контролем температуры последнего. Превышение заданной величины напряжения на конденсаторе фиксируется срабатыванием релейного и исполнительная ного элементов соответственно, выдаю щего сигнал на отключение линейного. .быстродействующего выключателя 2. Недостатком, известного устройства интегральной токовременной защиты является его низкая надежность вслед ствие больших погрешностей электрической модели, в основе которой лежит принцип приближенного сопоставле ния решений приближенного уравнения теплового баланса в дифференциальной форме (без учета целого ряда важных электрических и тепловых параметров, зависящих от изменения тем пературы провода) и дифференциаль.ного уравнения, описывающего зарядразряд пассивной RC-цепочки, из-за чего не исключен отжиг контактного провода или неиспользование его максимальной термостойкости. Цель изоб)эетения - повышение наде ности функционирования системы элект роснабжения путем более точной фиксации момента перегрева провода. Указанная цель достигается тем, что в устройство для защиты тяговой сети электрифицированного транспорта от малых токов короткого замыкания и перегрузки, содержащее подключенный к шунту блок гальванической развязки, связанный с блоком электричес кой модели тепловой инерции контактного провода, выход которого подключен через пороговый элемент на вход исполнительного элемента связанного с выключателем, дополнительно введен квадратор, блок коррекции величины удельного сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры . провода и сумматорр при этом выход блока гальванической развязки подключен к входу квадратора, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выход сумматора соединен

с входом блока электрической модели тепловой инерции контактного провода, выход которого соединен с двумя входами блока коррекции величины удельного сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода, на третий вход которого подключен выход квадратора,а три выхода блока коррекции величины удельного :сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода соединены с тремя входами сумматора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема моделированная тепловых процесСОВ в этом устройстве. Схема устройства (фиг. 1) содердит шунт 1 - орган контроля тока сети, блок 2 гальванической развязки, квадратор 3, сумматор k, блок 5 электрической модели тепловой инерции контактного провода, пороговый элемент 6, исполнительный элемент 7, линейный быстродействующий выключатель 8, блок 9 коррекции величин удельных сопротивлений теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода, который, в свою очередь, содержит узел 10 квадратора, узел П коэффициента коррекции по удельному сопротивлению провода, узел 12 дифферен- цирования, узел 13 коэффициента коррекции по теплоемкости провода, узел И умножения и узел 15 коэффициента корекции по теплоотдаче провода .. В основу работы устройства положен принцип моделирования уровнения теплового баланса для провода при протекании через него электрического тока Q(t) Q2.(t) ( где Q(t) мощность, выделяемая в проводе протекающим током , мощность, затраченная на нагрев провода; мощность,, рассеиваемая проводом в окружающую среду. Мгновенные значения мощностей, входящих в уравнение (1), Д/ Q(i)-i (t)(i))pJS/ 6)3, C-fc) Co t-f t(bai))/cf (i; )--Ko6C( + Hz;(t))/F где,GO начальное значение t ) уДельной теплоемкости провода; 5 9 л - коэффициент чувствительности удельной теплоемкости провода к изменению его температуры |) dC/clT ; j - удельный вес провода X(t)- текущее изменение температуры провода, вызванное протекающим током, относительно начальной , oi - оператор дифференцирования i(t)- мгновенное значение тока в проводе; начальное значение удельного сопротивления провода/при площадь поперечного сечения провода 5 коэффициент чувствительности удельного сопротивления провода к изменению его температуры (d - dp jd ) , К - коэффициент удель.ной теплоотдачи провода при ОС, F - площадь поверхности излучения провода;. Е - коэффициент чувствительност коэффициента удельной тепло отдачи провода к изменению его температуры ( - сэ К oi сГ ). Устройство работаете следующим образом.: В рабочем режиме тяговой сети, включен .линейный выключатель 8, через шунт 1 протекает полный ток сети с его зажимов снимается пропорционал ное току напряжение Ц (t) и подается на. вход 3 гальванической развязки. С выходных зажимов этого блока, изол рованных от входных, напряжение поступает на вход квадратора 3, где наряду с возведением в квадрат выпол няется масштабное преобразование сигнала, с коэффициентом К /i/S в -Результате чего выходное напряжение UQ(t) квадратора становится пропЬрциональной мгновенной мощноети Q(t). Мощность Q (t) есть первое слагае мое выражение 2 , представленного в виде . Q,(t) (t)-f AQ(t),(5) и характеризует, ту часть мощности, которая выделяется в проводе при неизменном (начальном) значении О второе слагаемое этого выражения uQ.(t) характеризует дополнительную часть выделяемой мощности, вызванную изменением удельного сопротив Б ления РО на величину jJoo/ пропор циональную температуре провода QioW--iH)po/e; сб) дО,а)-- i i)(.i)lB,() . Напряжение ) , является основной компонентой на входе сумматора t,оно преобразуется линейно в основную составляющую выходного напряжения Urt,(t) , пропорционального эквивалентной мощности Q4o) составляющей мощности 0.4 (t) . Q.4(t) - сумматорная мгновенная мощность, накапливаемая в проводе и рассеиваемая им ц окружающую среду 3(0. Ее слагаемые так же как и Q,((t) , можно представить двумя компонентами о., учитывающими начальные значения коэффициентов теплоемкости и теплоотдачи 4о 2оС Зд,,оШ 00). rrffe из(з) и ( QxoC-t)--Co9t 3tCt)/Jt,) ,Q3oC-t))/F, cu; и изменения этих коэффициентов с температурой провода . AQ4C-t)--AQ2ai AQ3(), СП) гдеиз (3) и (i) AOitt) --Coy(.C4,(t)|dt, СИ Q - b-Ko6€ TCi), us; Полный баланс тепловой мощности, имеющий место в проводе при протекании через него тока, в соответствии с (1) - С) представляется дифференциальным уравнением Coy Ci) рг (i) -- 4t) -|- (i)- -f-titd(.t))ttt), fifc) Решение этого уравнения относительг но температуры провода моделируется структурной схемой (фиг. 2). Напряжение UQ (t) выхода сумматора поступает на ход блока 5 электри- . ческой модели тепловой инерции, реализирующего уравнение ф.М..,«,-1.вд.С„; Выходное напряжение U- (t) посту.пает на первый вход блока коррекции величин удельных сопротивлений,, .теплоемкости и теплоотдачи от темпера.туры провода. Здесь после возведения Э а квадратор в узле 10 напряжение с первого выхода линейно преобразуется в блоке 11 с коэффициентом KH EKoS/F фор -и1руя напряжение AUQ.(t), пропор циональное компаненте Qj(t) f15) поступающее на второй вход сумматора , Со второго выхода узла 10 «апряжение поступает на дифференцирующий узел 12 после чего линейно преобразуется узлом 13 с коэффициентом ;- -l/d -t Ao)Coj 9.напряжение, ( (t) приближенно (с погрещностью в пределах 5) COOTветствущее компоненте A(l2(t)(1 Это напряжение поступает на третий вход сумматора k. Напряжение 0 (t), поступающее на второй вход блока 9 умножается в узле 1 на выходной сигнал квадратора 3 после чего поступает на вход узла 15 выполняющего масштабирование входного напряжения с коэффициен том -oL В результате этих преобразований обеспечивается соответствие выходного напряжения узла ) составляющей AQ; (7). Это напряжение поступает на четвертый вход сумматора V. За счет наличия на входе сумматора напряжений, пропорциональных всем компонентам мощностей, входящих в уравнение баланса мощности для провода, находящегося под током,выходное напряжение его, поданное на блок 5 элeкtpичecкoй модели тепловой .инерции провода, позволяет получить на его выходе напряжени, в значительной степени соответствующее реал ной температуру провода, чем это име ло место в устройстве прототипа. При возникновении в защищаемой сети длительного тока перегрузки нап р(ение U/f(t) на выходе блока 5 изменяется постепенно нарастая в соответствии с инерционностью провода. При достижении Ul..(t) предельно допус тимой величины, заданной уставкой ср батывания релейного блока. 6, произой дет его срабатывание, формируется ре лейный сигнал Up(t) приводящий в дей ствие исполнительный элемент 7, воздействующий на линейный ыстродейст 8вующий выключатель 8, который произведет задитное отключение сети. Использование новых элементовквадратора и блока коррекции величин удельного сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода и связей между ними выгодно отличает данное устройство защиты тйговой сети электрифицированного трансПорта от известных устройств, так так значительно уменьшается составляющая погрешности, обусловленная изменением -тепловых параметров провода от его температуры. В результате повышается надежность защиты тяговой сети от малых токов короткого замыкания и перегрузок, что приводит, в конечном итоге, к увеличению срока службы дорогостоящего медного контакт ОГО провода и улучшению качества электроснабжения в целом. формула изобретения Устройство для защиты тяговой сети электрифицированного транспорта от малых токов короткого замыкания и перегрузки, содержащее подключенный к шунту блок гальванической раз вязки, связанный с блоком электрической модели тепловой инерции контактного провода, выход которого включен через пороговый элемент на вход исполнительного элемента, связанного с выключателем, отли чающеес я тем, что, с целью повышения надежности путем более точной фиксации момента перегрева провода,в него дополнительно введены квадратор, блок коррекции величины удельного сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода и сумматор, при этом выход блока гальванической развязки подключен к ВХОДУ квадратора, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выход сумматора1 соединен с входом блока электрической модели тепловой инерции контактного провода, выход которого соединен с двумя входами блока коррекции, величины удельного сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода, на третий вход которого подключен выход квадратора, а три выхода блока коррекции величины удельного сопротивления, теплоемкости и теплоотдачи от температуры провода соединены с тремя входами сумматора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кучма К.Г. и др. Защита от токов короткого замыкания в контактной сети. М., ТрансжелАор 1(Здат, I960.

%А/ fJttW

UQiW

2. Финкельштейн Б.С. и др. Защита тяговых сетей городского электротранспорта от малых токов короткого замыкания, Электротехнике , W 10, с.50-53, 1971.

М iJpM

IT

и Uejfi)

At/ftz(i}

f5yi /

fO

/Z

e

f