Определитель места повреждения тяговой сети

 

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги для определения места короткого замыкания. Определитель места повреждения контактной сети содержит датчики тока и напряжения первой и второй подстанций, датчик тока фидера поврежденной контактной сети, задатчики сигналов, характеризующих расстояние до подстанций или поста секционирования, а также многофункциональные преобразователи. Первый многофункциональный преобразователь выполнен с возможностью формирования на выходе сигнала, соответствующего расстоянию от первой подстанции до места короткого замыкания. Определяется погрешность, обусловленная неучетом фазовых углов токов. Техническим результатом является повышение точности определения места повреждения при коротком замыкании в тяговой сети. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться в системах электроснабжения тяги для определения места короткого замыкания.

Известно устройство, предназначенное для фиксации тока короткого замыкания поврежденной линии [1]. По величине тока судят об удаленности места повреждения линии. Другие конструкции фиксирующих амперметров аналогичного назначения описаны в [2]. Их недостатком является низкая точность, обусловленная тем, что величина тока короткого замыкания зависит не только от удаленности повреждения, но и от уровня напряжения на шинах подстанции и от наличия дуги или переходного сопротивления в месте повреждения [3].

Известен метод двухстороннего измерения токов в тяговой сети для определения удаленности короткого замыкания [4]. При этом методе в момент короткого замыкания измеряют ток I_КА одной подстанции и ток I_КВ второй (смежной) подстанции. Затем вычисляют отношение I_КА/(I_КА+I_КВ) или I_КВ/(I_КА+I_КВ), по значению которого судят об удаленности места короткого замыкания.

Зависимость этого отношения линейна относительно расстояния l_к от подстанции до места повреждения. Линейный характер искажается при расположении точки короткого замыкания вблизи одной из подстанций [4], что вносит погрешность в измерения величины l_к. Самая большая погрешность возникает при различии уровней напряжения на смежных подстанциях. Согласно [4] при различии в уровнях напряжения смежных подстанций 10% погрешность достигает 5%. При расстоянии до поста секционирования 25 км погрешность достигает, таким образом, 1,25 км.

Устройство, реализующее этот метод и принятое как прототип, содержит датчик тока на одной подстанции, датчик тока на другой подстанции, сумматор, делитель и блок регистрации. Недостатком известного метода и устройства на его основании является низкая точность.

Целью изобретения (техническим результатом) является повышение точности определения расстояния до места повреждения при двухстороннем измерении токов смежных подстанций.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее датчик тока I_A первой подстанции, датчик тока I_B второй подстанции, первый сумматор и блок регистрации дополнительно введены датчик тока I'₁ фидера поврежденной контактной сети на первой подстанции, масштабный преобразователь, второй сумматор, задатчик сигнала, характеризующего расстояние l₁ от первой подстанции до поста секционирования или (при его отсутствии) до второй подстанции, умножитель, первый и второй многофункциональные преобразователи, причем выход датчика тока I_A первой подстанции подключен к первому входу первого сумматора, ко второму входу которого подключен выход датчика тока I_В второй подстанции, и к первому входу второго сумматора, ко второму входу которого через масштабный преобразователь присоединен выход датчика тока I'₁ фидера поврежденной контактной сети на первой подстанции, выход второго сумматора подключен к первому входу первого многофункционального преобразователя, второй вход которого присоединен к выходу задатчика расстояния l₁, третий - к выходу умножителя, а выход присоединен к блоку регистрации и первому входу второго многофункционального преобразователя, второй вход которого подключен к выходу задатчика сигнала, характеризующего расстояние l₁, а выход присоединен к первому входу умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, при этом первый многофункциональный преобразователь выполнен с возможностью получения на выходе сигнала l_к, характеризующего расстояние от первой подстанции до места короткого замыкания, путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения а второй многофункциональный преобразователь предназначен для формирования на выходе сигнала с, соответствующего поправочному коэффициенту, уменьшающему погрешность, обусловленную неучетом фазовых углов токов I'₁, I_A, I_B.

Кроме того, второй многофункциональный преобразователь выполнен с возможностью формирования на выходе коэффициента с в виде суммы двух членов, один из которых имеет первое постоянное значение a, а второй является произведением значения сигнала на выходе первого многофункционального преобразователя на отношение второго постоянного значения b к значению сигнала l₁, где a и b для контактной сети, состоящей из одного несущего троса и одного контактного провода равны соответственно a = 0,994, b = 0,006.

Сущность изобретения и его обоснование поясняются на фиг 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства. На фиг. 2 показана схема питания тяговой сети двухпутного участка и схема ее замещения. На фиг 3 приведены графики погрешностей устройства.

Структурная схема, показанная на фиг. 1, содержит следующие элементы: 1 - датчик тока I'₁ фидера поврежденной контактной сети; 2 - датчик тока I_A на первой подстанции; 3 - датчик тока I_B на второй подстанции; 4 - масштабный преобразователь; 5 - второй сумматор; 6 - первый сумматор; 7 - задатчик сигнала, характеризующего расстояние l₁ от первой подстанции до поста секционирования или (при его отсутствии) до второй подстанции;
8 - умножитель;
9 - первый многофункциональный преобразователь;
10 - блок регистрации;
11 - второй многофункциональный преобразователь.

Элементы 2, 3, 6, 11 являются известными, используемыми в прототипе. Остальные элементы являются новыми, как и связи между ними.

Выход датчика тока 1 через масштабный преобразователь 4 присоединен ко второму входу второго сумматора 5. Выход датчика тока 2 присоединен к первому входу второго сумматора 5 и первому входу первого сумматора 6, ко второму входу которого подключен выход датчика тока 3. Выход второго сумматора 5 подключен к первому входу первого многофункционального преобразователя 9, ко второму входу которого подключен выход задатчика расстояния 7, а к третьему входу - выход умножителя 8. Выход первого многофункционального преобразователя 9 подключен к блоку регистрации 10 и к первому входу второго многофункционального преобразователя 11, второй вход которого присоединен к выходу задатчика расстояния 7, а выход подключен ко второму входу умножителя 8.

Датчики тока 1, 2, 3 выполнены известным образом, например, на основе измерительных трансформаторов тока. Датчик тока I формирует на выходе сигнал I'₁, датчик тока 2 формирует на выходе сигнал I_A, датчик тока 3 формирует на выходе сигнал I_B.

Масштабный преобразователь 4 может быть выполнен, например, в виде аналогового операционного усилителя с постоянным коэффициентом усиления. На выходе элемента 4 формируется сигнал 2I'₁.

Сумматоры 5 и 6 особенностей по сравнению с известными не имеют и могут быть выполнены, например, на базе операционных усилителей. Сигнал на выходе сумматора 5 равен 2I'₁-I_A. Сигнал на выходе сумматора 6 равен I_A+I_B.

Задатчик расстояния 7 формирует на выходе постоянный сигнал l₁. Он может быть выполнен в виде потенциометра или источника стабильного напряжения.

Умножитель 8 особенностей не имеет и является типовым элементом аналоговой техники. Сигнал на выходе умножителя 8 равен с (I_A+I_B).

Многофункциональный преобразователь 9 выполнен с возможностью получения на выходе сигнала l_к, характеризующего расстояние от первой подстанции до места короткого замыкания, путем реализации вычислительного алгоритма математического выражения:

где с - поправочный коэффициент.

Многофункциональный преобразователь 9 производит операции суммирования, вычитания, умножения и деления, т. е. типовые операции аналоговой техники, поэтому особенностей выполнения не имеет.

Многофункциональный преобразователь 11 предназначен для формирования на выходе сигнала, соответствующего поправочному коэффициенту с, уменьшающему погрешность, обусловленную неучетом фазовых углов токов I'₁, I_A, I_B. Зависимость выходного сигнала c от l_к и l₁ может быть различной. В заявке в качестве зависимого пункта предлагается зависимость вида
c = a + bl_к/l₁, (2)
где a, b - постоянные.

Рекомендуется для контактной сети, состоящей из несущего троса и контактного провода, a = 0,994, b = 0,006.

Эта зависимость может быть реализована с помощью известных элементов аналоговой техники, например операционных усилителей.

Многофункциональный преобразователь 11 включен в цепь обратной связи умножителя 8.

При возникновении короткого замыкания в контактной сети датчики тока 1, 2 и 3 фиксируют значения токов I'₁, I_A, I_B, на основании которых функциональный преобразователь 9 определяет расстояние l_к до места повреждения, фиксируемое в блоке регистрации 10.

Обоснование принципа действия и точности иллюстрируется на фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 2а приведена типичная схема замещения тяговой сети, полностью соответствующая известной [5]. На этой схеме:
U_A,xx, U_B,xx напряжения холостого хода подстанций А и B;
Z_пА, Z_пB - сопротивления подстанций А и В;
Z_pA, Z_pB - сопротивления рельсовой цепи от точки К соответственно до подстанций А и В;
R_д - сопротивление дуги в месте повреждения;
Z'_вс,1, Z''_вс,1 - сопротивления, учитывающие взаимное индуктивное влияние контактных сетей смежных путей на участке l₁;
Z'₁, Z''₁ - сопротивление контактной сети поврежденного пути соответственно на участке l_к и l₁ - l_к;
Z_1q - сопротивление контактной сети неповрежденного (смежного) пути на участке l₁;
Z₂ - сопротивление контактной сети двух путей на участке l₂;
I'₁, I''₁ - токи в контактной сети поврежденного пути соответственно на участке l_к и l₁ - l_к;
I_1q - ток неповрежденного пути на участке l₁.

На основании 1-го и 2-го законов Кирхгофа для схемы замещения, показанной на фиг. 2, имеем


В соответствии с [5] известно, что

где Z_к1 - погонное сопротивление 1 км контактной сети;
Z_вс - погонное сопротивление, учитывающее взаимное индуктивное влияние контактных сетей на длине 1 км.

Подставив выражения (5) в (4) и используя (3), получим:

Расчеты показывают, что в выражении (6) вместо комплексных величин можно использовать их абсолютные значения I'₁, I_A, I_B. В этом случае вместо (6) получаем:

Ошибка (погрешность), которая возникает при определении расстояния l_к до места повреждения, равна

На фиг. 3 приведены графики зависимости погрешности Δ l от отношения l_к/l₁. Кривые 1, 2 и 3 соответствуют расстоянию l до поста ПС 20, 25 и 30 км и сопротивлению R_д дуги 0 и 5 Ом. Погрешность определения удаленности повреждения Δ l при этом не превышает 240 м, т. е. в 5 раз меньше, чем у прототипа.

Для дополнительного снижения погрешности Δ l в изобретении предлагается определять расстояние до места повреждения не по формуле (7), а по формуле (1).

Поправочный коэффициент с, формируемый элементом 11 структурной схемы (фиг. 1), включенным в цепь обратной связи, определяется математической зависимостью (2). Графики 4, 5, 6 погрешности Δl = l''_к - l'_к приведены на фиг. 3 для a = 0,994 и b = 0,006.

Кривые 4, 5 и 6 соответствуют тем же предельным условиям, что и кривые 1, 2 и 3. Наибольшая погрешность при этом не превышает 60 м, что в 20 раз меньше, чем у прототипа.

Уровень напряжений на смежных подстанциях не влияет на точность по принципу действия.

Приведенное обоснование подтверждает возможность осуществления изобретения и достижение технического результата, заключающегося в повышении точности.

Источники информации
1. АС СССР 230081. Устройство для фиксации величин тока или напряжения /В.Е. Казанский, В.В. Кузнецов (СССР). Опубл. БИ N 35, 1969.

2. Борухман А.А., Кудрявцев А.А., Кузнецов А.П. Устройства для определения мест повреждения на воздушных линиях электропередачи. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980.

3. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. - М.: Энергоиздат, 1982.

4. Бочев А.С., Кузнецов В.В., Тупченко М.Ю. Методы автоматического определения места короткого замыкания при системе питания 2х25 кВ. В кн: Релейная защита и автоматика устройств электроснабжения железных дорог. Межвуз. сб. науч. тр. Труды РИИЖТ, вып. 144. -Ростов н/Д, 1978. С. 71-75.

5. Фигурнов Е. П. Сопротивления электротяговой сети однофазного переменного тока. Электричество, 1997, N 5. С. 23-29.

Формула изобретения

1. Определитель места повреждения тяговой сети, содержащий датчик тока I_A первой подстанции, датчик тока I_B второй подстанции, первый сумматор и блок регистрации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик тока I'₁ фидера поврежденной контактной сети на первой подстанции, масштабный преобразователь, второй сумматор, задатчик расстояния l₁ от первой подстанции до поста секционирования или (при его отсутствии) до второй подстанции, умножитель, первый и второй многофункциональные преобразователи, причем выход датчика тока I_A первой подстанции подключен к первому входу первого сумматора, ко второму входу которого подключен выход датчика тока I_B второй подстанции, и к первому входу второго сумматора, ко второму входу которого через масштабный преобразователь присоединен выход датчика тока I'₁ фидера поврежденной контактной сети на первой подстанции, выход второго сумматора подключен к первому входу первого многофункционального преобразователя, второй вход которого присоединен к выходу задатчика расстояния l₁, третий - к выходу умножителя, а выход присоединен к блоку регистрации и первому входу второго многофункционального преобразователя, второй вход которого подключен к выходу задатчика расстояния l₁, а выход присоединен к первому входу умножителя, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, при этом первый многофункциональный преобразователь выполнен с возможностью получения на выходе сигнала l_k, соответствующего расстоянию от первой подстанции до места короткого замыкания, путем реализации вычислительного алгоритма в виде математического выражения

а второй многофункциональный преобразователь предназначен для формирования на выходе сигнала с, соответствующего поправочному коэффициенту, уменьшающему погрешность, обусловленную неучетом фазовых углов токов I'₁, I_A, I_B.

2. Устройство по п.1, в котором второй многофункциональный преобразователь выполнен с возможностью формирования коэффициента с в виде суммы двух членов, один из которых имеет первое постоянное значение а, а второй является произведением значения сигнала на выходе первого многофункционального преобразователя на отношение второго постоянного значения b к значению сигнала l₁, где а и b, для контактной сети, состоящей из одного несущего троса и одного контактного провода, равны соответственно 0,994 и 0,006.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3