способ защиты нейтральных вставок контактных сетей переменного тока

Формула изобретения

Способ защиты нейтральной вставки путем измерения напряжения, тока и фазового угла между ними на посту секционирования, отличающийся тем, что на каждом посту секционирования измеряют напряжение между шинами поста секционирования и рельсами, токи справа и слева от шин поста секционирования, а также фазовый угол между этим напряжением и каждым из упомянутых токов, при этом делают заключение о наличии перекрытия нейтральной вставки и необходимость отключения фидеров поста секционирования, направленных в сторону нейтральной вставки, разделяющей рассматриваемую зону и соседнюю межподстанционную зону, питаемую опережающим напряжением, если величина тока фидера превышает заданное значение или входное сопротивление тяговой сети станет ниже заданного значения, а его фазовый угол отстает от напряжения на шинах поста секционирования не менее чем на 70 эл.град. и не более чем на 180 эл.град., или отключения фидеров поста секционирования, направленных в сторону нейтральной вставки, разделяющей рассматриваемую зону и соседнюю межподстанционную зону, питаемую отстающим напряжением, если величина тока фидера превышает заданное значение или входное сопротивление тяговой сети станет ниже заданного значения, а его фазовый угол опережает напряжение на шинах поста секционирования не более чем на 20 эл.град. или отстает не более чем на 15 эл.град.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам, а именно к защите нейтральных вставок контактных сетей переменного тока.

На электрических железных дорогах однофазного переменного тока 25 кВ смежные секции тяговой сети получают питание от разных фаз. Поэтому между секциями устанавливают нейтральные вставки /1/. Конструкция нейтральной вставки представляет собой участок контактной сети длиной 200 м, не подключенный к источнику электрической энергии и изолированный от разнофазных секций воздушными промежутками. Электровозы должны проходить нейтральную вставку при отключенном тяговом токе. Заезд электровоза в режиме тяги на нейтральную вставку приводит к возникновению на ее первом по ходу движения воздушном промежутке электрической дуги. Замыкание полозом токоприемника второго воздушного промежутка нейтральной вставки, при продолжающей гореть дуге на первом, приводит к межфазному короткому замыканию и возникновению дуги на втором воздушном промежутке, что заканчивается пережогом контактного провода /1/. Для разрыва пути тока межфазного короткого замыкания необходимо отключать нейтральную вставку с двух сторон.

Известны защиты тяговой сети переменного тока от коротких замыканий, основанные на контроле тока, напряжения, фазового угла или входного сопротивления /2/. Эти защиты рассчитаны на двухфазное короткое замыкание между фазами "а" и "с" или "в" и "с" (т.е. между контактной сетью и рельсами). Перекрывание нейтральной вставки сопровождается двухфазным коротким замыканием между фазами "а" и "в" разных подстанций, на которые известные защиты тяговой сети не реагируют.

Известно устройство, устанавливаемое на тяговых подстанциях для защиты нейтральных вставок от межфазных коротких замыканий, в котором вырабатывается дополнительный ток, равный по величине максимальному току нагрузки, для компенсации реального тока нагрузки /3/. Конструкция устройства состоит из специально изготовленного суммирующего трансформатора, реле мощности и реле тока. В суммирующем трансформаторе к части обмоток подключен ток от трансформатора тока контактной сети, а к отдельной обмотке -напряжение от трансформатора собственных нужд подстанции, подключаемого к трехфазной системе шин таким образом, чтобы токи в обмотках были сдвинуты на определенный угол.

Способ, реализованный этим техническим решением, принят в качестве прототипа. Данное устройство осуществляет защиту нейтральной вставки с помощью контроля фазового угла между током и напряжением. При этом на одной тяговой подстанции измеряют ток фидера и осуществляют геометрическое сложение этого тока с искусственно образованным током, равным по величине наибольшему возможному току нагрузки и сдвинутым по отношению к нему на 180 электрических градусов, измеряют напряжение в контактной сети и делают заключение о наличии перекрытия нейтральной вставки, если фазовый угол между напряжением и указанной геометрической суммой токов составляет от 90 электрических градусов до 190 электрических градусов, а на другой тяговой подстанции измеряют аналогичную сумму токов и напряжение в контактной сети и делают заключение о наличии перекрытия нейтральной вставки, если вектор тока отстает от вектора напряжения не более чем на 70 электрических градусов или опережает не более чем на 110 электрических градусов.

Данное устройство и реализуемый с его помощью способ имеют следующие недостатки:

сложность, т.к. необходимо создавать специальный искусственно образованный дополнительный ток, сдвинутый относительно питающего напряжения на строго определенный угол и имеющий строго определенную величину;

при межфазном коротком замыкании отключается большая зона питания -две межподстанционные зоны;

возможны ложные срабатывания и неселективная работа системы защиты, что вытекает из следующих объяснений.

На межподстанционной зоне с отстающей питающей фазой при коротком замыкании на контактной сети за постом секционирования результирующий вектор у дополнительного тока и тока короткого замыкания через фидер тяговой подстанции окажется в зоне срабатывания устройства защиты нейтральной вставки, а так как это устройство работает без выдержки времени, то вместо локализации места повреждения постом секционирования тяговая подстанция отключит всю межподстанционную зону. На этой же зоне при увеличении фазового угла вектора тока нагрузки при транзите мощности через контактную сеть или при пуске электровоза или рекуперации энергии электровозом сумма вектора тока нагрузки с дополнительным током может оказаться в зоне срабатывания устройства защиты нейтральной вставки и произойдет ложное срабатывание.

На зоне с опережающей питающей фазой при отсутствии тяговой нагрузки транзит мощности по контактной сети может изменить фазовый угол вектора тока межфазного короткого замыкания и перевести его в четвертый квадрант комплексной плоскости. В результате дополнительный ток скомпенсирует ток короткого замыкания и произойдет отказ устройства защиты.

В предлагаемом способе отключение контактной сети предлагается осуществлять не на смежных тяговых подстанциях, а на смежных постах секционирования, между которыми находится поврежденная нейтральная вставка. При этом отключаемая зона питания на однопутном участке сокращается в два раза, а на двухпутном в четыре раза. Известное устройство (прототип) невозможно применить на постах секционирования, т.к. к его суммирующему трансформатору требуется подключить специально выбранные фазы трехфазной системы питающих напряжений, которой на постах секционирования нет.

Целью изобретения является упрощение и сокращение числа операций, сокращение отключаемой зоны и повышение надежности за счет исключения случаев ложных срабатываний.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

На каждом посту секционирования измеряют напряжение на шинах и токи справа и слева от шин поста секционирования, а также фазовый угол между этим напряжением и каждым из упомянутых токов. При этом делают заключение о возникновении короткого замыкания на нейтральной вставке и необходимости отключения фидеров поста секционирования, направленных в сторону нейтральной вставки, разделяющей рассматриваемую зону и соседнюю межподстанционную зону, питаемую опережающим напряжением, если величина тока превышает заданное значение (или входное сопротивление тяговой сети станет ниже заданного значения), а его фазовый угол отстает от напряжения на шинах поста секционирования не менее чем на 70 электрических градусов и не более чем на 180 электрических градусов, или отключения фидеров поста секционирования, направленных в сторону нейтральной вставки, разделяющей рассматриваемую зону и соседнюю межподстанционную зону, питаемую отстающим напряжением, если величина тока превышает заданное значение (или входное сопротивление тяговой сети станет ниже заданного значения), а его фазовый угол опережает напряжение на шинах поста секционирования не более чем на 20 электрических градусов или отстает не более чем на 15 электрических градусов. Заданное значение тока фидера или входное сопротивление тяговой сети для фидера определяется необходимостью отстройки от возможных перетоков мощности по контактной сети из-за неравенства напряжений и их фазовых углов на смежных тяговых подстанциях в нормальном режиме электроснабжения. Величина тока при перетоках значительно меньше, а входное сопротивление тяговой сети значительно больше, чем при перекрытии нейтральной вставки.

Сущность предложенного решения поясняется на фиг.1, фиг.2 и фиг.3. На фиг.1 изображена схема питания двухпутного участка тяговой сети переменного тока, где

ТП1, ТП2, ТП3 - тяговые подстанции;

ПС1,ПС2 - посты секционирования;

НВ1¹, НВ1² - нейтральные вставки контактной сети первого и второго пути у подстанции ТП1;

НВ2¹, НВ2² - нейтральные вставки у подстанции ТП2;

НВ3¹, НВ3² - нейтральные вставки у подстанции ТПЗ.

Для симметрирования тяговой нагрузки первичные обмотки трансформаторов тяговых подстанций подключаются к фазам сети внешнего электроснабжения согласно фиг.1. /Марквардт, с.38/. При этом вектор питающего напряжения на зоне между ТП2 и ТП3 опережает вектор питающего напряжения на зоне между ТП1 и ТП2 на 60 эл. град.

При коротких замыканиях на контактной сети происходит нарушение изоляции между фазами "а" и "с" или "в" и "с". Такие короткие замыкания отключат защиты, установленные на тяговых подстанциях или постах секционирования.

При перекрытии нейтральной вставки НВ2¹ возникает короткое замыкание между фазами "а" и "в" соседних зон питания и начинает протекать ток I^K. Существующие защиты такие короткие замыкания не чувствуют. Аварийный режим создается на двух соседних межподстанционных зонах для трех подстанций ТП1, ТП2, ТПЗ и двух постов секционирования ПС1, ПС2. На ТП2 фидеры Ф9 и Ф11, непосредственно запитывающие перекрытую нейтральную вставку, мгновенно отключатся максимальной токовой защитой.

Теперь аварийная нейтральная вставка питается фидерами Ф7 на ПС1 и Ф13 на ПС2. На ПС1 фидеры Ф7 и Ф8 направлены в сторону соседней межподстанционной зоны с опережающим напряжением, поэтому на этих фидерах устройства защиты должны иметь характеристики срабатывания в области отставания вектора тока фидера на 70... 180 электрических градусов от вектора питающего напряжения Uac. На ПС2 фидеры Ф13 и Ф14 направлены в сторону соседней межподстанционной зоны с отстающим напряжением, поэтому на этих фидерах устройства защиты должны иметь характеристики срабатывания в области опережения вектора тока фидера на 20 электрических градусов или отставания на 15 электрических градусов от вектора питающего напряжения Ubc.

Так как условия для срабатывания создаются для фидеров Ф7 на ПС1 и Ф 13 на ПС2, то выключатели этих фидеров отключат ток короткого замыкания на нейтральной вставке.

На фиг.2 приведены области комплексной плоскости токов фидеров Ф7 и Ф8 поста ПС1, в которых могут оказаться концы векторов тока при нормальном режиме работы и при коротком замыкании на рельс на участке от ПС1 до ТП2 (левая комплексная плоскость) и концы векторов тока при перекрытии нейтральной вставки НВ2¹ или НВ2 ² (правая комплексная плоскость). На фиг.2 приняты следующие обозначения секторов комплексной плоскости:

HP - сектор токов нормального режима электроснабжения;

КЗ - сектор токов короткого замыкания на рельс между фазами "а" и "с";

КЗ НВ - сектор токов короткого замыкания на нейтральной вставке между фазами "а" и" в".

На фиг.3 приведены области комплексной плоскости токов фидеров Ф13 и Ф14 поста ПС2, в которых могут оказаться концы векторов тока при нормальном режиме работы и при коротком замыкании на рельс на участке от ПС2 до ТП2 (левая комплексная плоскость) и концы векторов тока при перекрытии нейтральных вставок НВ2 ¹ или НВ2² (правая комплексная плоскость). На фиг.2 секторы построены относительно вектора питающего напряжения межподстанционной зоны Uac, расположенного на положительной части действительной оси. Аналогично расположен на положительной части действительной оси вектор питающего напряжения Ubc соседней межподстанционной зоны на фиг.3. На фиг.3 обозначения секторов приняты аналогично фиг.2.

При сравнении левых и правых комплексных плоскостей токов на фиг.2 и фиг.3 видно, что области, соответствующие аварийному режиму при перекрытии нейтральной вставки, не пересекаются с областями нормального режима и короткого замыкания на рельс, поэтому защиты, выполненные по предложенному способу, ложно работать не будут.

Способ может быть реализован известными техническими средствами с помощью реле тока и фазоограничивающих органов /4/. Диаграммы, приведенные на фиг.2 и фиг.3, получены авторами с помощью математической модели тяговой сети двухпутного участка переменного тока с электровозами /5/, кроме того, такие исследования были выполнены на действующей нейтральной вставке электрифицированной железной дороги.

Положительный эффект изобретения заключается в том, что предложенный способ реализуется с помощью более простых технических средств, чем известный (не надо создавать специального дополнительного тока и его фазового угла) и можно осуществить защиту нейтральной вставки от тяжелых повреждений путем отключения контактной сети на значительно более короткой зоне, чем при известном решении. При этом повышается надежность электроснабжения тяги.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. -М.: Транспорт, 1982, 528 с.

2. Фигурнов Е.П. Релейная защита устройств электроснабжения железных дорог. -М.: Транспорт, 1981, 215 с.

3. Камлык В.И. Защита нейтральных вставок тяговых подстанций переменного тока. "Электрификация и энергетическое хозяйство" (ЦНИИТЭИ МГТС), экспресс-информация, 1986, выпуск 4.

4. Овласюк В.Я., Быков В.А. Направленное электронное реле полного сопротивления с раздельными уставками по модулю и углу. Сб. научн. тр., вып.276. -М.: ВНИИЖТ, 1964.

5. Быкадоров А.Л., Жуков А.В. Гибридная математическая модель динамических процессов в тяговой сети. Межвуз. сб. научн. тр. -Ростов н/Д: РГУПС, 1995.С.33-38.