Устройство для защиты от тока короткого замыкания фидера контактной сети переменного тока электрических железных дорог

 

Союз Советских

Социалистических

РЕСПУбпиК о»792406

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 270378 (21) 2S94898/24-07 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 3012.80. Бюллетень ¹ 48

Дата опублинования описания. 301280 (51)М. Кл.з

Н 02 Н 3/08

В 60 М 1/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (5З) ЮК 621. 316. .925(088.8) (72) Авторы изобретения

В.Я. Овласюк и В.А. Зимаков!

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно.I исследовательский институт железнодорожного транспорта (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ OT ТОКА КОРОТКОГО

ЗАМЫКАНИЯ ФИДЕРА КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Изобретение относится к релейной защите электрических сетей от токов короткого замыкания, в частности к защите фидеров контактной сети электрических железных дорог переменного тока.

Известно устройство для защиты фидеров контактной сети от токов короткого замыкания, в котором для повышения селективности и надежности отстройки от режимов нагрузки применен принцип искусственного торможения ее исполнительных органов за счет высших гармонических в токе защищаемого фидера. Благодаря такому торможению 15 при нагрузке, когда содержание третьей гармоники велико, защита не срабатывает даже при значительных нагрузках (превышающих минимальный ток короткого замыкания). При возникно- 2Q вении же короткого замыкания содержание гармонических составляющих снижается, торможение исчезает и защита срабатывает (11 .

Однако в настоящее время эта защи- 25 та на железных дорогах не получила ,распространения в основном из-за недостаточной надежности и селективности отстройки от разгрузочных режимов при больших тяговых нагрузках. 30

При удлиненных коротких замыканиях и при наличии большой предшествующей нагрузки защита может не сработать, так как процент гармонических составляющих в этом случае оказывается значительным.

В настоящее время для селективной защиты фидеров контактной сети электрических железных дорог принята защита, содержащая в качестве первой ступени дистанционный ненаправленный элемент с блокировкой по величине протекающего тока и в качестве второй ступени — дистанционный направленный измерительный элемент с выдержкой времени. Укаэанное устройство защиты является прототипом данного (2 .

Однако это устройство защиты имеет недостаточную селективность по oTHGшению к токам нагрузки. Так, в частности, устройство защиты может ложно срабатывать при включении выключателя фидера в случае нахождения на фидерной зоне нагрузок — электровозов с поднятыми токоприемниками. В этом случае суммарный бросок токов намагничивания нескольких электровозов может- существенно превышать уставки измерительных элементов защиты. Отстройка от этого режима по времени

79240б также нежелательна, так как приводит к замедлению защиты и возможным вслед;ствие этого пережогам контактного провода.

Указанное устройство защиты имеет также и другие недостатки, например большое количество развязывающих промежуточных трансформаторов, значительную "мертвую зону" направленного элемента.

Целью изобретения является повышение надежности и селективности защиты.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для защиты от тока короткого замыкания фидера контактной сети переменного тока электрических железных дорог, содержащее блок ненаправленной дистанциойной защиты, включающей в себя измерительный дистанционный пороговый элемент и токовый блокирующий пороговый элемент с резисторами элементов сравнения, выходы которых через инверторы соединены с логическим элементом И, а токовые входы связаны через регулировочные потенциометры уставок защиты и первый выпрямительный мост с промежуточным трансформатором тока, а входы напряжения подключены к промежуточному трансформатору напряжения через второй выпрямительный мост, и блок направленной дистанционной защиты, включающий в себя второй измерительный дистанционный пороговый элемент, токовый вход которого связан через свой регулировочный потенциометр уставки защиты с первым упомянутым выпрямительным мостом, а его вход напряжения — co вторым упомянутым выпрямительным мостом, и фазоограничивающий элемент, токовый вход которого подключен непосредственно к промежуточному трансформатору тока,. а вход напряжения — непосредственно

Ф к трансформатору напряжения, при этом их выходы соединены с входами второго логического элемента И, выход которого подключен к элементу времени, соединенному с первым входом логического элемента ИЛИ, к второму входу которого подключен выход первого логического элемента И блока дистанционной ненаправленной защиты, а выход подключен к исполнительному элементу, дополнительно введены блок отстройки от бросков токов намагничивания трансформаторов электровозов и . два выпрямителя соответственно положительной и отрицательной полуволн броска токов намагничивания, при этом блок отстройки от бросков токов намагничивания выполнен в виде двух порогбвых элементов, вход первого из которых подключен через резистор его элемента сравнения к положительному полюсу источника опорного напряжения, а вход второго через резистор его элемента сравнения — к минусовому полюсу источника опорного напряжения, а оба входа пороговых элементов через объединенные попарно резисторы указанных элементов сравнения подключены к выпрямительным диодам положительной и отрицательной полуволн броска тока намагничивания, а их выходы один непосредственно, другой через инвертор соединены .с входами логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к усилителю, коллектор вы10 ходного транзистора которого через разделительный конденсатор и две параллельные цепи, каждая из которых состоит из диода и резистора, подсоединен к входам пороговых иэмери Я тельных дистанционных элементов блоков направленной и ненаправленной защит. Вторичные обмотки промежуточных трансформаторов тока и напряжения выполнены со средней точкой, к выводам щ которых подключены диоды выпрямительных мостов, а между объединенными средними точками вторичных обмоток этих трансформаторов, подключенных к делителю напряжения и выходам выпрямительного моста, в цепи тока подключены параллельно регулировочные потенциометры уставок защит.

Кроме того, устройство снабжено вторым дополнительным промежуточным трансформатором напряжения и фаэоЗО сдвигающей R-С цепью, при этом первичная обмотка указанного дополнительного промежуточного трансформатора напряжения подключена к резистору искусственной звезды, подключенной

35 к фазам трансформатора напряжения шин, а вторичная обмотка подключена к R-С цепи, при этом средняя точка вторичной обмотки этого дополнительного промежуточного трансформатора напряжения соединена со средней точкой токового и основного промежуточного трансформатора напряжения, а точка соединения резистора и конденсатора 8-С цепи через дополнительный резистор подключена к входу напря45 жения фазоограничивающего элемента.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства, на-фиг. 2 — временные диаграммы работы, на фиг. 3 векторные диаграммы напряжений фаз

®,контактной сети.

Устройство содержит промежуточный трансформатор 1 тока, промежуточные трансформаторы напряжения — основной 2 и дополнительный 3, выпрямительные мосты 4 тока и напряжения 5, выпрямительные диоды положительной б и отрицательной 7 полуволн броска тока намагничивания трансформаторов электровозов, блок отстройки от бросЯ) ков тока намагничивания трансформаторов 8, состоящий иэ двух пороговых элементов 9, резисторов 10-15 элементов сравнения, конденсаторов сглаживающего фильтра 16, инвертора 17, 65 логического элемента ИЛИ 18, усили792406 теля 19, разделительного конденсатора 20, диодов 21, 22 и резисторов 23

2 4, регулировочные потенциометры усб У тавок защит 25-27, блока ненаправленной дистанционной защиты 28, включающей в себя измерительный дистанционный,пороговый элемент 29 и токовый блокирующий пороговый элемент 30, два инвертора 31, 32, логический элемент

И 33, резисторы 34-37 элементов сравнения, интегрирующие сглаживающие конденсаторы 38, 39, блок направленной дистанционной защиты 40, состоящий иэ дистанционного измерительного порогового элемента 41, интегрирующего сглаживающего конденсатора 42, резисторов 43, 44 элемента сравнения, 15 фазоограничивающего элемента 45, ограничительных резисторов 46-48, логического элемента И 49 и элемента времени 50.

Устройство содержит также логический элемент ИЛИ 51 и исполнительный элемент 52, конденсатор 53 и резистор 54 во вторичной обмотке дополнительного промежуточного трансформатора напряжения 3, резисторы 55 57, образующие искусственную звезду, подключенную к фазам трансформатора напряжения, и два делителя напряжения

58, 59 и 60, 61 на резисторах.

Устройство защиты работает следующим образом. 30

При коротком замыкании увеличивается ток фидера контактной сети, например ток 1, увеличивается также и ток во вторичной обмотке промежуточ-З5 ного трансформатора. Этот ток, проходя через диоды выпрямительного моста 4, вызывает увеличение падения напряжения на параллельно соединенных регулировочных потенциометрах 25-27 уставок защит. 40

Одновременно уменьшается напряжение поврежденного фидера, которое измеряется трансформатором напряжения и подается на промежуточный трансформатор напряжения 2. Уменьшается 45 также выпрямленное двухполупериодное напряжение на выходе этого трансформатора (выпрямительный мост 5.).

Если короткое замыкание происходит в зоне действия ненаправленной защиты 28, то срабатывает пороговый дистанционный измерительный элемент 29, фиксирующий полное сопротивление петли короткого замыкания. Срабатывает также токовый измерительный пороговый элемент 30. Схемы пороговых элементов 29 и 30 аналогичны схеме раскрытого порогового элемента 9. Пороговый элемент срабатывает, когда напряжение на базе его первого транзистора дифференциального каскада d0 сравнивается с напряжением на базе второго транзистора этого же дифференциального каскада, заданного делителем 58, 59. Пульсация выпрям ен. ного напряжения сглаживается инте- Я грирующнми конденсаторами, включен ными в цепь обратной связи усилителя этого порогового элемента. При срабатывании порогового элемента первый транзистор закрывается, а выходной его транзистор открывается. Далее закрываются транзисторы инверторов 31, 32. На выходе логического элемента

И 33 появляется сигнал, который, проходя через логическую схему ИЛИ 51, вызывает срабатывание исполнительного элемента 52 отключения масляного выключателя фидера.

Для того чтобы ненаправленная защита первой ступени не работала ложно при близких коротких замыканиях на смежном фидере контактной сети на логический элемент И 33 заведена блокировка по току от порогового измерительного элемента 30 через инвертор 32. Уставка срабатывания элемента 30 выбирается большей максимального тока подпитки места повреждения контактной сети соседней подстанции.

Если короткое замыкание на контактной сети случается в зоне действия направленной защиты 40, то из-за повышения тока фидера и снижения напряжения срабатывает измерительный пороговый элемент 41 второй ступени, а также фазоограничивающий элемент

45, на входе логического элемента 49 появляется сигнал, запускающий элемент времени 50, который далее через логический элемент ИЛИ 51 вызывает срабатывание исполнительного элемента 52.

Если снижение напряжения происходит нэ-за возрастания тока нагрузки (перегрузка), то фазоограничивающий элемент 45 не срабатывает, так как его срабатывание происходит при углах сдвига тока относительно напряжения, больших 45-55, т.е; индуктивной нагрузке, а токи нагрузки носят активный характер. На логический элемент И 49 поступает запрещающий сигнал, и на его выходе сигнал срабатывания не появляется несмотря на срабатывание измерительного порогового элемента 41.

При включении фидера контактной сети, если на нем находятся нагрузки в виде электровозов с поднятыми пантографами, кроме периодического броска намагничивающего тока трансформаторов электровозов возникает и апериодическая составляющая этого тока, причем апериодическая составляющая броска может быть как положительной, так и отрицательной.

Например, при броске тока намагничивания трансформатора с положительной апериодической составляющей (см. фиг. 2а) на конденсаторе 62 (кривая 63) после диода выпрямителя

6 появляется положительное напряжение, вызывающее срабатывание порого792406 вого элемента 9. Его первый транзистор, нормально закрытый отрицатель ным тохом смещения через резистор 15, открывается (кривая 64), выходной его транзистор закрывается (кривая 65), и далее через логический элемент

ИЗ@ 18 открывается выходной транзистор усилителя 19. При этом на правой .обкладке разделительного конденсато,ра 20 появляется положительное напряжение +U, поступающее через разделительные диоды 21, 22 и резисторы 23, 24 на входы пороговых измерительных элементов 29 и 41 блоков ненаправленной 28 и направленной 40 защит„ загрубляя уставки их срабатывания.

В случае отрицательной полярности апериодической составляющей B токе броска намагничивания (см. фиг. 2б) на конденсаторе 66 (кривая 67) появляется отрицательное напряжение, вызывающее срабатывание верхнего порогового измерительного элемента 9.

его первый транзистор, нормально открытый током положительного смещения через резистор 10 элемента сравнения, на его входе закрывается (кривая 68), выходной транзистор открывается (кривая 69), инвертор 17 закрывается (кривая 70). При этом также открывается выходной транзистор усилителя

19, и на правой обкладке разделительного конденсатора 20 появляется положительное напряжение +U, поступающее через указанные выше разделительные диоды 21, 22 и резисторы 23, 24 на входы пороговых элементов 29 и 41 блоков ненаправленной 28 и направленной 40 защит, загрубляя, как и в первом случае, уставки их срабатывания.

При коротких замыканиях кривая тока фидера симметрична, поэтому срабатывание пороговых измерительных элементов 9 не происходит и уставки защит не загрубляются.

Так как связь блока отстройки от бросков тока намагничивания трансформаторов электровозов: 8 с измерительными пороговыми элементами 29 и 41 защит выполнена динамической через разделительный конденсатор 20, то любое повреждение этого блока не приводит к отказу защит и не изменяет нормальных уставок их срабатывания.

Входное сопротивление пороговых элементов 9,29,30,41 выбрано на два порядка большим, чем сопротивления резисторов регулировки уставок. Это позволяет включить их параллельно в выходную обмотку трансформатора тока и иметь общий выпрямительный мост 4 для всех защит, отказавшись от индивидуальных развязывающих трансформаторов и мостов элементов защит, т.е. общее количество необходимых элементов (трансформаторов, выпрямителей) значительно сокращено по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты от тока короткого замыкания фидера контактной сети переменного тока электричес40 ких железных дорог, содержащее блок ненаправленной дистанционной защиты, включающей в себя измерительный дистанционный пороговый элемент и токовый блокирующий пороговый элемент

4 с резисторами элементов сравнения, выходы которых через инверторы соединены с логическим элементом И, а токовые входы связаны через регулировочные потенциометры уставок защиты и первый выпрямительный мост с про межуточным трансформатором тока, а входы напряжения подключены к промежуточному трансформатору напряжения через второй выпрямительный мост, и блок направленной дистанционной .защиты, включающий в себя второй измерительный дистанционный пороговый элемент, токовый вход которого связан через свой регулировочный потенциометр уставки защиты с первым упомянутым выпрямительным мостом, а его вход напряжения — со вторым упомянутым вы5

При близких коротких замыканиях фазоограничивающий элемент 45 имеет

"мертвую зону", т.е. перестает работать, так как напряжение на его входе уменьшается до нуля. Поэтому при близких коротких замыканиях направленный узел защиты может работать ложно. Чтобы этого не происходило, на вход напряжения фазоограничивающего элемента 45 подано дополнительное не исчезающее при близких коротких замыканиях напряжение через резистор 47. Таким напряжением является повернутое на 90 при помощи трансформатора 3 и R-С цепи в его вторичной обмотке фазовое напряжение. Причем при двухфазном коротком замыкании и на контактной сети, например между фазами A и С, берется фазовое напряжение ОВ, при коротких замыканиях между фазами В и С берется фазовое напряжение OA (см. фиг. 3).

Фазовые необходимые напряжения подаются на дополнительный промежуточный трансформатор 3 с резисторов 55-57 искусственной звезды.

Таким образом, такое выполнение устройства повышает селективность защиты фидеров контактной сети по отношению к возможным нагрузочным режимам и надежность работы как за счет сокращения числа необходимых элементов, так и за счет исключения "мертвой зоны" дистанционного направленного элемента. прямительным мостом и фазоограничивающий элемент, токовый вход которого подключен непосредственно к промежуточному трансформатору тока, а вход

792406

10 напряжения — непосредственно к трансформатору напряжения, при этом их . выходы соединены с входами второго логического элемента И, выход которого подключен к элементу времени, соединенному с первым входом логического элемента ИЛИ, к второму входу которого подключен выход первого логического элемента И блока дистанционной ненаправленной защиты, а выход подклю.чен к исполнительному элементу, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с (О целью повышения надежности и селективности, в него дополнительно введены блок отстройки от бросков токов намагничивания трансформаторов электровозов и два выпрямителя соответст- 15 венно положительной и отрицательной полуволн броска токов намагничивания, при этом блок отстройки от бросков токов намагничивания выполнен в виде двух пороговых элементов, вход щ первого из которых подключен через резистор его элемента сравнения к положительному полюсу источника опорного напряжения, а вход второго через резистор его элемента сраэнения— к минусовому полюсу источника опорного напряжения, а оба входа пороговых элементов через объединенные попарно резисторы укаэанных элементов сравнения подключены к выпрямительным диодам положительной и отрицатель-ЗО ной полуволн броска тока намагничивания, а их выходы один непосредственно, другой через инвертор соединены с входами логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к усилителю, ЗЗ коллектор выходного транзистора последнего через разделительный конденI сатор и две параллельные цепи, каждая из которых состоит из диода,и резистора, подсоединен к входам измери- 4О тельных дистанционных пороговых элементов блоков направленной и ненаправленной защит.

2. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения числа развязывающих трансформаторов в цепи тока и напряжения, вторичные обмотки промежуточных трансформаторов тока и напряжения выполнены со средней точкой, к выводам которых подключены диоды выпрямительных мостов, а между объединенными средними точками вторичных обмоток этих трансформаторов, подключенных к делителю напряжения и выходам выпрямительного моста, в цепи тока подключены параллельно регулировочные rio.тенциометры уставок защит.

3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью исключения "мертвой зоны" дистанционного направленного блока защиты при близких коротких завыканиях, оно снабжено вторым допОлнительным промежуточным трансформатором напряжения и фазосдвигающей R-С цепью, при этом первичная обмотка укаэанного дополнительного промежуточного трансформатора напряжения подключена к резистору искусственной звезды, подключенной к фазам трансформатора напряжения шин, а вторичная обмотка подключена к R-С цепи, при этом средняя точка вторичной обмотки дополнительного промежуточного трансформатора напряжения соединена со средней точкой токового и основного промежуточного трансформатора напряжения, а точка соединения резистора и конденсатора R-С цепи через дополнительный резистор подключена по входу напряжения фазоограничивающего элемента.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Кучма К.Г. и др. Защита от токов короткого замыкания в контактной ети. И., "Транспорт", 1960, гл. Vill.

g 1.

2 ° Электронные устройства релейной защити и автоматики в системах тягового энергоснабжения. Под ред.

В.Я. Овласюка. И., "Транспорт", 1974, рис. 114.

792406 бХ

Фи а.S

Тираж 783 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 9591/56

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Л. Васькова

Редактор Д. Павлова Техред И.Вабурка Корректор Н. Швыдкая