определитель места повреждения тяговой сети

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.

Описание изобретения к патенту

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 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 l при этом не превышает 240 м, т. е. в 5 раз меньше, чем у прототипа.

Для дополнительного снижения погрешности 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 l = 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.