Способ определения места короткого замыкания контактной сети электрифицированного транспорта

Изобретение относится к линиям электроснабжения, в частности к определению местоположения электрических повреждений. Способ заключается 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. Технический результат заключается в повышении точности определения места короткого замыкания неоднородной контактной сети и расширении области применения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться на контактной сети систем электроснабжения переменного тока.

Известен способ определения места короткого замыкания, реализованный в устройстве для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока (А.С. СССР 161410, кл. G01r; 21е, 29/10; B61m; 20k, 20. Устройство для определения места короткого замыкания в контактной сети железных дорог переменного тока. / Фигурнов Е.П., Самсонов Ю.Я. (СССР) N 787278/24-7; заявл. 16.07.62. Опубл. 19.03.64. Бюл. N 7). Способ заключается в измерении в момент короткого замыкания напряжения на шинах U_ш, тока I_ф фидера контактной сети и определении расстояния L_к до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде формулы:

,

где z_п - полное удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км.

Достоинство метода в простоте алгоритма и небольшом количестве измеряемых параметров. Основным недостатком такого метода является слишком большая неточность (до 4 км и более) при определении расстояния до места повреждения, если короткое замыкание произошло через дугу или переходное сопротивление (Фигурнов Е.П. Релейная защита сетей тягового электроснабжения переменного тока: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / Е.П. Фигурнов, Ю.И. Жарков, Т.Е. Петрова; под ред. Е.П. Фигурнова. - M.: Маршрут, 2006. - 272 с.).

Известен способ определения удаленности места короткого замыкания, реализованный в патенте 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) - №98110757/28, заявл. 01.06.1998, опубл. 27.04.2002. Бюл. №12. Способ можно описать как реализацию следующей последовательности операций:

а) в момент короткого замыкания измеряются напряжения U_A и U_B на шинах тяговых подстанций, токи I_A, I_B, $$I_1^{\text{'}}$$ , фазовые углы (φ_A, φ_B, φ₁);

б) вычисляют производные от них величины фазовых углов ψ_A, α_K, аргумента α_М, модуля M, причем в состав формулы для вычисления модуля М входят значения погонных сопротивлений тяговой сети z_c, z_вс, x_вс, x_p, которые по всей длине контактной сети и рельсов принимаются неизменными (однородная тяговая сеть);

в) определяется расстояние L_к до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения

,

в которое входят как измеренные, так и производные от них величины.

Известен также способ, реализованный в патенте RU 2189606, МПК 7 G01R 31/08. 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. В этом способе осуществлена следующая последовательность операций:

а) в момент короткого замыкания измеряются напряжения на шинах U_A, ток I′ и фазовый угол между ними φ₁;

б) задаются начальным значением L_к расстояния до места повреждения и вычисляют для него величины, производные от измеренных и других условий N₁, α_N, δ, α_Э;

в) определяют расстояние L_к до места повреждения путем реализации вычислительного алгоритма в виде выражения

,

в которое входят как измеренные величины, так и производные от них величины, а также значение z_э погонного сопротивления тяговой сети, которое по всей длине принимается неизменным (однородная тяговая сеть);

г) сравнивают полученное значение L_к с тем начальным, которым задавались ранее в п. б) и, если эти значения не совпадают, задаются новым начальным значением L_к и повторяют операции б) и в), т.е. используют метод последовательных приближений;

д) операции б) и в) повторяют до тех пор, пока задаваемое значение L_к не совпадет (с заданной погрешностью) с вычисленным по указанному выражению. Такое значение L_к принимается равным расстоянию до места короткого замыкания.

К недостаткам двух последних способов относятся:

- снижение точности из-за предположения, что тяговая сеть однородна, поскольку в действительности из-за наличия станций, число путей на которых больше, чем на перегонах, разъездов, тоннелей, двухпутных вставок на однопутных линиях тяговая сеть существенно неоднородна, т.е. сопротивление 1 км тяговой сети по ее длине неодинаково;

- сужение области применения на двух- и многопутных участках с такими схемами питания контактной сети, которые не содержат пункты параллельного соединения. Пункты параллельного соединения ППС устанавливаются на контактной сети между тяговой подстанцией и постом секционирования ПС, который в свою очередь расположен примерно в середине зоны между смежными тяговыми подстанциями (Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник в 2 ч. ч 2. 3-е изд. перер. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 604 с. Рис.8.7, в). На ПС и ППС контактная сеть разных путей соединяется в узловую точку. Рассмотренные способы могут определять расстояние до места повреждения только на участке от подстанции до ближайшей узловой точки на контактной сети из-за свойств использованных алгоритмов.

Если ППС отсутствуют, то можно определять расстояние до места повреждения на участке от подстанции до ПС. Таким образом, если это расстояние определяется на обеих смежных подстанциях (на каждой от своих шин до ПС), то в целом расстояние до места повреждения может быть определено на всей длине контактной сети между смежными подстанциями (во всей межподстанционной зоне). Если же кроме ПС в межподстанционной зоне имеются ППС, то определение расстояния возможно на участке от подстанции до первой узловой точки, т.е. до ППС. На левой тяговой подстанции расстояние может быть определено до левого ППС, на правой - до правого ППС. На участке между левым и правым ППС указанные способы определить расстояние до места повреждения не могут из-за особенностей использованных алгоритмов и, таким образом, на длине, равной примерно половине межподстанционной зоны, указанные способы неработоспособны.

Техническим результатом является повышение точности и расширение области применения. Повышение точности обеспечивается учетом неоднородности тяговой сети по ее длине. Расширение области применения обеспечивается возможностью применения при любых схемах питания контактной сети, в том числе при любом числе постов секционирования и пунктов параллельного соединения.

Сущность предлагаемого способа заключается в измерении в момент короткого замыкания на одной или смежных тяговых подстанциях напряжения, токов линий, питающих межподстанционную зону с поврежденной контактной сетью, и их фазовых углов, вычисляют значения производных параметров, зависящих от измеренных величин, схемы питания и других условий, разделяют условно схему питания контактной сети в межподстанционной зоне между двумя тяговыми подстанциями по длине пути на множество участков, для каждого из которых при коротком замыкании в его начале и конце вычисляют расчетные значения таких же величин и производных параметров, как при реальном коротком замыкании при разных значениях переходного сопротивления в месте короткого замыкания, определяют интервалы изменения всех параметров в пределах каждого из выделенных участков пути, вносят эти интервалы в базу данных, производят сравнение измеренных величин и производных параметров с интервалами аналогичных расчетных величин и производных параметров из базы данных для каждого из выделенных участков пути и в качестве места короткого замыкания принимают тот участок, для которого число измеренных величин и производных параметров, попавших внутрь интервалов аналогичных расчетных величин, является наибольшим.

Процедура определения места короткого замыкания включает следующие операции:

а) измерение в момент короткого замыкания на одной или смежных подстанциях напряжения на шинах, токов линий, питающих контактные сети путей межподстанционной зоны с коротким замыканием, и фазовых углов;

б) определение путем реализации вычислительных алгоритмов значений производных параметров, зависящих от измеренных в операции а) величин, схемы питания и других условий;

в) условное разбиение схемы питания контактной сети в данной межподстанционной зоне между двумя тяговыми подстанциями по длине пути на множество участков;

г) определение путем реализации вычислительных алгоритмов для каждого из вычисленных при операции в) участков при коротком замыкании в его начале и конце расчетных значений величин, аналогичных тем, которые измерялись при операции а), для разных значений переходных сопротивлений в месте короткого замыкания;

д) определение на основании данных, полученных при операции г), путем реализации вычислительных алгоритмов для каждого из выделенных при операции в) участков при коротком замыкании в его начале и конце расчетных значений производных параметров, аналогичных тем, которые определялись при операции б), для разных значений переходного сопротивления в месте короткого замыкания;

е) определение для каждого из выделенных при операции в) участков на основании данных, полученных при операциях г) и д), интервалов изменения значений расчетных величин и производных параметров и внесение этих интервалов в базу данных;

ж) сравнение значений измеренных величин в операции а) и производных величин, определенных в операции б), со значениями интервалов аналогичных расчетных величин по п.е) из базы данных для каждого из выделенных участков пути;

з) определение участка с коротким замыканием, для которого число измеренных по п.а) величин и определенных по п.б) производных параметров, попавших внутрь интервалов аналогичных расчетных величин и производных параметров по п.е), является наибольшим.

Операции а) и б) являются известными и используются в аналогах. Остальные операции являются новыми. В качестве производных параметров могут использоваться функции, зависящие от тех величин, которые измеряют в момент короткого замыкания, например:

и др.,

где U_A, U_B - напряжения на шинах смежных тяговых подстанций А и В;

I_A, I_B - суммарные токи питающих линий на этих подстанциях;

- ток линии, питающей контактную сеть того пути, на котором имеется короткое замыкание;

φ_A - фазовый угол тока I_A.

Длина каждого из выделенных участков схемы питания должна быть настолько малой, чтобы погонное сопротивление тяговой сети в пределах данного участка можно было считать одинаковым, причем на разных участках значения этих сопротивлений могут быть различными. Удобно принимать длину каждого из участков равной длине пикета (100 м), однако это требование не является обязательным и длины разных участков могут быть различными.

Операции в), г), д), е) удобно выполнить один раз, не дожидаясь короткого замыкания, а полученные по ним данные хранить на каком-либо носителе в долговременной памяти ЭВМ. Указанные операции можно выполнить для разных возможных схем питания данной межподстанционной зоны и разных климатических сезонов (сушь, дождь, мороз и т.д.).

Предложенный способ обеспечивает повышение точности определения места короткого замыкания в неоднородной тяговой сети и расширяет область применения на схемы питания двух и многопутных участков с любым числом постов секционирования и пунктов параллельного соединения.

Наиболее удобно реализовать предложенный способ с помощью ЭВМ, однако такую реализацию можно выполнить и вручную. Для иллюстрации способа на фиг.1 приведен один из возможных кластеров (таблиц) на бумажном носителе, с помощью которого определяется место повреждения путем реализации предложенных операций:

а) в момент короткого замыкания измеряется на подстанции напряжение на шинах U_И, ток линии I_И, питающей контактную сеть с коротким замыканием, фазовый угол φ_И между ними;

б) вычисляют производные параметры Z_И, R_И, Х_И по известным формулам:

и заносят полученные численные значения Z_И, Х_И, R_И, φ_И в крайний правый столбец кластера;

в) схему питания вдоль пути условно разбивают на «m» участков с номерами №1, №2, … №к…№m (участки разбиения) и указывают их в шапке кластера, причем начало первого участка обозначено L₀, а его конец - L₁, начало второго участка обозначено L₁, а его конец L₂, начало к-го участка обозначено L_к-1, а его конец - L_К и т.д.;

г) определяют численные значения расчетных величин, аналогичных измеренным в п.a). U_P, I_P, φ_Р известными расчетными методами (Фигурнов Е.П. Релейная защита: Учебник в 2 ч. ч 2. 3-е изд. перер. и доп. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 604 с. §8.2) для расчетных точек L₀, L₁, L₂, … L_К, … L_m, расположенных в начале и конце каждого из участков разбиения, схемы питания для заданных значений переходного сопротивления R_Д0, R_Д1, R_Д2, … R_q в месте повреждения;

д) вычисляют производные параметры, аналогичные использованным в п. б), на основании данных для каждого из участков, полученных в п. г), и заносят их в таблицу. Например, для точек L₀ и L₁ участка №1 при переходном сопротивлении R_Д0 в п. г) были вычислены значения соответственно U_P0,0; I_P0,0; φ_Р0,0 и U_P0,1; I_P0,1; φ_P0,1, на основании которых рассчитаны численные значения производных параметров соответственно Z_0,0; R_0,0; Х_0,0 и Z_0,1; R_0,1; X_0,1, по формулам

Аналогичным образом вычисляют производные параметры для других участков и при других значениях переходного сопротивления R_Д;

е) определяют для каждого из участков интервалы изменения производных параметров и вносят их в таблицу, приведенную на фиг.1. Например, на участке №1 при переходном сопротивлении R_Д0 производный параметр Z_p имеет интервал изменения от Z_0,0 до Z_0,1, производные параметры R_p и Х_р соответственно изменяются в интервале от R_0,0 до R_0,1 и от Х_0,0 до Х_0,1, фазовый угол φ_р изменяется в интервале от φ_0,0 до φ_0,1. Эти данные вносятся в столбец №1 таблицы фиг.1 в строки, соответствующие R_Д0. Аналогичным образом интервалы изменения производных параметров Z_p, R_p, Х_р и фазового угла φ_р включаются в таблицу фиг.1 в столбцы, соответствующие номеру участка, и в строки, соответствующие заданным значениям переходного сопротивления R_Д;

ж) сравнивают значения измеренных величин и производных параметров, полученных на основе измеренных величин, со значением аналогичных величин и параметров, полученных расчетным путем, и отмечают те участки, на которых измеренные величины и полученные на их основе производные параметры попадают внутрь интервалов аналогичных расчетных величин. Например, в таблице на фиг.1 численное значение измеренного параметра φ_И попадает в расчетный интервал [φ_1,к-1, φ_1,к] участка № к при переходном сопротивлении R_Д1 и в расчетный интервал [φ_2,к+1, φ_2,к+2] участка № (к+2) при переходном сопротивлении R_Д2. В этой же таблице численные значения производного параметра Хи, полученного на основе измерений, попадают внутрь расчетных интервалов аналогичного расчетного параметра Хр участка №2 [X_0,1;X_0,2] при R_Д0, участка № к [Х_0,К-1, Х_0,К] при сопротивлении R_Д0 и [Х_1,К-1, Х_1,К] при R_Д1 и участка № (к+1) [Х_2,К, Х_2,К+1] при сопротивлении R_Д2.

Интервалы расчетных величин, внутрь которых попадают численные значения измеренных величин (в нашем случае Z_И, φ_И) и численные значения полученных на их основе производных параметров (в нашем случае (R_И, Х_И), выделены на фиг.1 жирными клетками.

з) определяют столбец (номер участка), для которого число выделенных жирных клеток является наибольшим. Например, на фиг.1 участку №1 соответствует одна выделенная жирная клетка, на участке №2 таких клеток две. На участке №к выделенных жирных клеток пять - это значение, больше которого ни на одном из «т» участков не встречается.

Следовательно, короткое замыкание произошло на участке №к.

Последовательность приведенных операций допускает следующие изменения: операции в), г), д), е) выполняют предварительно и заготавливают шаблоны таблиц, приведенных на фиг.1. При коротком замыкании выполняют операции а) и б) и их результаты вносят в указанную таблицу, после чего выполняют операции ж) и з).

1. Способ определения места короткого замыкания неоднородной контактной сети электрифицированного транспорта, при котором в момент короткого замыкания измеряют на одной или смежных тяговых подстанциях напряжение на шинах, токи линий, питающих контактные сети путей межподстанционной зоны с коротким замыканием, и фазовые углы токов, вычисляют значения производных параметров, зависящих от измеренных величин и схемы питания, и судят о месте повреждения путем реализации вычислительного алгоритма, определяющего зависимость между расстоянием до места повреждения от измеренных и вычисленных производных параметров, отличающийся тем, что схему питания контактной сети в данной межподстанционной зоне между двумя смежными тяговыми подстанциями условно разделяют по длине пути на множество участков, для каждого из которых при расчетных коротких замыканиях в его начале и конце вычисляют расчетные значения величин и производных параметров, аналогичных тем, которые определены по результатам измерений при коротком замыкании, при разных заданных значениях переходного сопротивления в месте короткого замыкания, определяют интервалы изменения всех расчетных параметров в пределах каждого из выделенных участков пути, вносят эти интервалы в базу данных, производят сравнение измеренных величин и производных параметров с интервалами расчетных параметров аналогичных величин из базы данных для каждого из выделенных участков пути и в качестве места короткого замыкания принимают тот участок, для которого число измеренных величин и производных параметров, попавших внутрь интервалов аналогичных расчетных величин, является наибольшим.

2. Способ по п.1, в котором разделена схема питания контактной сети в данной межподстанционной зоне между двумя смежными тяговыми подстанциями по длине пути на множество участков, для каждого из которых при расчетах короткого замыкания в их начале и конце следует вычислять расчетные значения величин и производных параметров, аналогичных тем, которые будут определены по результатам измерений при реальном коротком замыкании, при разных заданных значениях переходного сопротивления в месте короткого замыкания, определение интервалов всех расчетных параметров в пределах каждого из выделенных участков пути и внесение этих параметров в базу данных осуществляется заблаговременно до возникновения короткого замыкания в контактной сети.