Методы определения удаленности повреждения в электрических сетях

д. т.н., профессор (РГУПС)

д. т.н., профессор (РГУПС)

к. т.н., доцент (РГУПС)

инж. (РГУПС)

Методы определения удаленности повреждения в электрических сетях

1. Тяговые сети переменного тока.

Оперативные сведения об удаленности места короткого замыкания в тяговых сетях наиболее удобно получать на основании параметров аварийного режима (ПАР). Первые публикации, содержащие теоретические и экспериментальные работы в этой области относятся к началу 60-х годов 20 века. Первым методом, получившим широкое распространение на железных дорогах СССР, был так называемый метод Z, обозначенный в таблице как метод 1. Основанная на нем аппаратура (ОМП-68. ОМП-71, УКЗН и др.) около трех десятилетий поставлялась на дороги страны. В этом методе значения I`11 поврежденного фидера и напряжения UА на шинах тяговой подстанции подавались в вычислительное устройство ВУ, в котором определялась их отношение Zк.

На однопутных, а также на двухпутных участках при отключении контактной сети второго пути считалось, что значение Zк практически линейно зависит от расстояния lк. На двухпутных участках (из-за взаимного индуктивного влияния контактных сетей обоих путей) эта зависимость существенно нелинейна.

Длительный опыт эксплуатации подобных указателей был весьма полезен. С их помощью быстро обнаруживались не только поврежения контактной сети, но и выявлялся выпущенный на линию неисправный подвижной состав. Вместе с тем, это опыт выявил такие недостатки, как неверные показания в отдельных случаях и существенную разницу в показаниях до АПВ и после АПВ на двухпутных участках из-за изменения при этом схемы питания участка (отключение выключателей на посту секционирования).

Детальный анализ показал, что на точность определения удаленности места повреждения влияют следующие факторы: переходное сопротивление в месте повреждения, неодинаковое по длине погонное сопротивление тяговой сети из-за шунтирующего влияния земли на сопротивление рельсов, изменение схем питания, наличие троса группового заземления, неодинаковые значения по модулю и углу напряжения холостого хода смежных тяговых подстанций, различие внутренних сопротивлений этих подстанций. При случайных сочетаниях влияющих факторов среднее значение погрешности метода 1 при l1=25 км равно 5.6 км, а в отдельных точках зоны оно может возрастать до 7 км и более. Такие большие погрешности неприемлемы, поэтому применение метода 1 (метода Z) нецелесообразно.

Значительно меньшие погрешности при тех же условиях имеет метод 2 (метод Х). Однако на двухпутном участке зависимость Х от lк так же существенно нелинейна, показания до и после АПВ неодинаковы.

В методе 3 в вычислительное устройство ВУ поступают значения напряжения на шинах UА, и тока I`11 поврежденного фидера и геометрическая сумма тока поврежденного и смежного путей IА. ВУ определяет значение фазового угла φ1, тока I`11, относительно напряжения UА, знчение коэффициента νА, учитывающего шунтирующее влияние земли и дополнительного угла δ. Постоянными параметрами тяговой сети являются индуктивно развязанные погонные индуктивные сопротивления контактной сети одного пути xс,1, рельсового пути хр и взаимного влияния контактных сетей этих путей хвс. Поскольку значения δ и ν зависят от lк, то вычисления осуществляются в ВУ методом итераций. Показания не зависят от изменения схемы питания, поэтому они одинаковы до и после АПВ. Погрешность меньше, чем у метода 2.

Методы 4 и 5 обладают повышенной точностью, однако они не могут применяться на однопутном участке. Метод 4 требует двухсторонних измерний на смежных подстанциях. При операциях с комплексными величинами у него практически нет погрешностей. При операциях с модулями токов необходимо введение в формулу поправочного коэффициента «с». Поскольку значение последнего зависит от lк, то вычисление удаленности повреждения осуществляется методом итераций. Недостатком является необходимость передачи информации от смежной подстанции, что существующими системами телемеханики не предусмотрено.

Метод 5 лишен этого недостатка. Определение тока IВ смежной подстанции в нем осуществляется расчетным путем на основании известных значений сопротивлений смежных тяговых подстанций ХпА, ХпВ, активной r22 и индуктивной х22 составляющих погонного сопротивления тяговой сети двухпутного участка. Расчеты показывают, что изменение коэффициента ν, учитывающего шунтирующее влияние земли, в данном случае мало и его значение может быть принято постоянным.

На однопутных участках целесообразно использовать метод 2 (метод Х) или 3. На двухпутных участках целесообразно ВУ выполнять с использованием одновременно методов 3 и 5. До АПВ используются показания метода 5, после АПВ – метода 3.

Таблица 1. Методы ОМП в тяговой сети переменного тока

Номер метода	Схема	Расчетные формулы	Погреш-ность, км
1 2			5,6-7,0 0,4-1,3
3			0,33-0,8
4	l1		0,03-0,05
5			0,05-0,06

Формулы для определения lк имеют строгое аналитическое обоснование на основе индуктивно развязанной схемы замещения контактной сети и уравнений Кирхгофа для выбранных контуров и узловых точек. Решение задачи выполняется в комплексной форме с использованием формул Эйлера и с учетом того обстоятельства, что значение lк по определению вещественно.

Параметры аварийного режима следует измерять на ранее 30 мс после момента возникновения короткого замыкания, чтобы исключить апериодическую составляющую тока, или же устанавливать во входной цепи тока полосовой фильтр. Процесс измерений (или запоминания измеряемых параметров) должен заканчиваться до момента начала расхождения контактов высоковольтного выключателя фидера. Разработанные алгоритмы определения удаленности короткого замыкания, учитывающие влияние всех описанных факторов, имеют погрешность на участке до поста секционирования в пределах до двух-трех пролетов контактной сети, т. е. являются намного более точными, чем другие известные методы.

Особо следует остановиться на влиянии электроподвижного состава, который в момент короткого замыкания может находиться как на поврежденном пути, так и на смежном. Установлено, что запирание силовой цепи электровоза происходит в том случае, если напряжение на токоприемнике снижается более, чем в два раза по сравнению с предыдущим режимом. В таком положении оказываются электровозы, находящиеся не далее 12 километров от места глухого короткого замыкания. При наличии дуги в месте повреждения это расстояние сокращается. Если переходное сопротивление в месте короткого замыкания составит 5 Ом, то не запираются большинство электровозов. Из-за скачкообразного снижения напряжения на токоприемнике локомотивов при коротком замыкании в контактной сети значения их переходных токов существенно снижаются, а фазовый угол увеличивается до 50-55 градусов. Наложение этих токов на ток короткого замыкания фидеров смежных путей может вызвать погрешность при определении удаленности места повреждения любым из методов, достигающую в худшем случае нескольких километров. Для исключения этой погрешности в случае неуспешного АПВ необходимо произвести повторное включение контактной сети после того, как силовые цепи всех электровозов будут автоматически отключены своей защитой (десятки секунд).

2. Сети с изолированной нейтралью

Высоковольтная линия сигнализации, централизации и блокировки (ВЛ СЦБ) является потребителем первой категории перерыв в работе которого не допустим. Поэтому при возникновении повреждения в линии необходимо как можно быстрее и возможно точно определить его удалённость для последующего устранения.

Существующие на сегодняшний день дистанционные методы определения места повреждения (ОМП) не обеспечивают требуемую точность, поскольку подвержены влиянию совокупности различных дестабилизирующих факторов, наиболее значимыми из которых являются: нагрузка линии и создаваемая ею несимметрия, переходное сопротивление в месте повреждения и электромагнитное влияние контактной сети.

Схема предложенного метода ОМП показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема, поясняющая принцип нового метода ОМП

На схеме приняты следующие обозначения:

1,2,3 – провода (фазы) трёхфазной линии; 4 – трёхфазный источник питания линии; 5,6 - трёхфазный выключатель и разъединитель; 7 – первая перемычка, замыкающая накоротко все три фазы в начале линии; 8 – вторая перемычка, замыкающая накоротко все три фазы в конце линии; 9 – испытательный источник переменного напряжения; 10 – коммутационный аппарат; 11 – сопротивление, ограничивающее токи при близких КЗ. – токи в первой, второй и третьей фазах в начале линии; Iс – суммарный ток трёх фаз в начале линии.

Расстояние до места повреждения при ОМП новым методом определяется по формуле:

где L – расстояние от первой перемычки трёх фаз в начале линии до второй перемычки трёх фаз в конце этой линии; – значения токов соответственно первой, второй и третьей фаз в начале линии; – наибольшее из значений .

Для исследования нового метода ОМП было проведено его компьютерное моделирование с учетом влияния различных дестабилизирующих факторов. На рисунках 2, и 3 показана абсолютная погрешность ОМП с учётом влияния нагрузки линии и электромагнитного влияния контактной сети соответственно.

Рисунок 2 – Погрешность ОМП известными и новым методами с учётом влияния нагрузки линии

Рисунок 3 – Погрешность ОМП известными и новым методами с учётом электромагнитного влияния контактной сети

Проведённые исследования показали, что новый метод практически не зависит от дестабилизирующих факторов, оказывающих влияние на точность ОМП в ВЛ СЦБ. Данные компьютерного моделирования подтвердились результатами натурных испытаний на реальных участках ВЛ СЦБ СКЖД.

На основании нового метода было разработано опытное устройство ОМП, которое прошло испытание и успешно эксплуатируется на различных участках ВЛ СЦБ ПЖД.