Устройство определения расстояния до места короткого замыкания на землю проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 в, расположенных на опорах контактной сети переменного тока

Авторы патента:

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к средствам электрификации железных дорог, содержащих трехфазные линии напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью при их расположении на опорах контактной сети, работающие в условиях воздействия сильного электромагнитного поля контактной сети переменного тока.

Технической задачей полезной модели является создание надежного и, относительно простого устройства для определения расстояния до места короткого замыкания на землю или на металлические поверхности оборвавшегося провода высоковольтной воздушной линии, позволяющего устранить аварийную ситуацию.

Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство определения места короткого замыкания на землю изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока, состоящее из трехфазной высоковольтной воздушной линии с изолированной нейтралью, питающейся от трехфазного трансформатора, вторичная высоковольтная обмотка которого через коммутационный аппарат подключена к воздушным изолированным проводам высоковольтной линии, с установленными на них датчиками тока и измерительными трансформаторами для измерения тока и напряжения отдельных фаз, причем первичные обмотки трансформаторов соединены в звезду, нулевая точка которых через фильтр нулевой последовательности соединена с искусственным заземлителем, а вторичные обмотки их соединены в треугольник, систему телемеханики, вычислительный блок определения расстояния от подстанции до места короткого замыкания с последующим выводом на индикатор, внесены дополнения и изменения,

В него дополнительно между нулевыми точками первичных обмоток обеих трансформаторов и искусственным заземлителем включены параллельно активно - емкостному фильтру датчик тока с измерительным прибором; выходные зажимы которого соединены соответствующими входами вычислительного блока, который по результатам измерения определяет расстояние до места короткого замыкания.

В настоящее время устройство проходит апробацию на Октябрьской железной дороге и после успешного окончания испытаний будет рекомендована для использования службам эксплуатации тяговых подстанций и электроснабжения железных дорог других регионов. 1 н.п.ф., 1 илл.

Известны различные способы (методы) определения места повреждения в электрических сетях и кабелях связи, которые разделяются на две группы: относительные, позволяющие приблизительно определить расстояние от места измерения до места повреждения (импульсный, колебательного разряда, волновой, петлевой, емкостной, высокочастотный), и абсолютные, указывающие место повреждения непосредственно на трассе (акустический, индукционный, индукционно-коммутационный, контактный и др.).

Известны способы определения расстояния до места короткого замыкания в промышленных сетях по параметрам короткого замыкания (величине тока или сопротивлению сети [Патенты РФ 2110075, 2161355]). Однако, эти способы дают неверные результаты, если в цепь короткого замыкания оказывается включенным какое-либо дополнительное переходное сопротивление, например, если короткое замыкание в сети происходит в результате повреждения изоляции на опоре и в цепь тока короткого замыкания оказывается включенным сопротивление растеканию опоры, ограничивающее ток короткого замыкания.

Остановка движения даже по одному из путей ж.д. из-за повреждений или ложной работы устройств автоблокировок влечет за собой огромные экономические потери и напрямую связана с общей безопасностью движения на железнодорожном транспорте. Поэтому отыскание и устранение неисправности в линиях напряжением свыше 1000 В, питающих устройства автоблокировок, должно быть произведено как можно быстрее. Сроки отыскания места короткого замыкания и количество оперативных ремонтных бригад, принимающих участие в поисках, можно было бы значительно снизить, если еще до выезда ремонтных бригад на линию знать достаточно точно зону, где находится место короткого замыкания. Это дало бы возможность выезжать одной бригаде в определенное место и в минимальные сроки устранять повреждение.

Следует отметить, что выполнение и эксплуатация трехфазных высоковольтных (6-10 кВ) линий электропередачи для электроснабжения автоблокировки на железных дорогах имеют некоторые особенности, которые вызваны несимметрией обусловленной подключением к ней через каждые 1-3 км однофазных разной мощности нагрузок и неодинакового их изменения по часам суток.

Одной из особенностей является также то, что на электрифицированных железных дорогах однофазного переменного тока линия электропередачи для электроснабжения автоблокировки проходит близко от контактной сети, а иногда и на опорах последней. Однофазная контактная сеть оказывает сильное электромагнитное влияние на линию электропередачи, т.к. под действием электрического поля, создаваемого тяговой сетью, на провода воздушной линии наводится напряжения, соизмеримые по абсолютному значению с напряжением источника питания упомянутой линии. Через емкости между проводами контактной сети и воздушной линии происходит отекание токов с контактной сети в воздушную линию и далее через емкость между проводами воздушной линии и землей происходит отекание токов с воздушной линии в землю.

Основной причиной короткого замыкания в трехфазной воздушной линии является обрыв проводов одной или нескольких фаз и замыкание на землю или на металлический рельс. В первом случае это замыкание происходит через большое сопротивление, а во - втором - через малое и происходит скачок тока, который может быть измерен пиковым амперметром.

Известно устройство для определения обрыва изолированных проводов воздушных линий (ВЛ) напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока (патент РФ 85410, публ. 10.08.2009 г.). Это устройство повышает надежность работы устройств определения обрыва изолированных проводов ВЛ напряжением свыше 1000 В при учете электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока напряжением 25 кВ.

Устройство состоит из питающего трехфазного трансформатора, вторичная высоковольтная обмотка которого через коммутационный аппарат подключена к воздушным изолированным проводам высоковольтной линии, в начале и конце которой подключены трансформаторы, вторичные обмотки которых соединены в треугольник, а соединенные в звезду первичные обмотки, нулевые точки которых через активно-емкостные фильтры соединены с искусственными заземлителями, причем параллельно фильтру напряжения нулевой последовательности в начале линии подключены пороговый элемент напряжения, выходные зажимы которого соединены со входными зажимами порогового элемента времени, выходные зажимы порогового элемента времени соединены со входными зажимами логического блока схемы «И», при этом на входные зажимы логического блока также подключены выходные зажимы порогового элемента напряжения, а через выходные зажимы логического блока «И» подается сигнал на отключение коммутационного аппарата высоковольтной линии электропередачи с изолированной нейтралью.

Устройство надежно работает и при обрыве неизолированных проводов ВЛ при их падении на землю, когда переходное сопротивление провод-земля существенно выше активно-емкостного сопротивления фаз относительно земли, но хуже при падении оборвавшегося провода на рельсы, т. е. при коротком замыкании.

К недостаткам аналога можно отнести, отключение высоковольтной сети, а не определение места короткого замыкания на землю или на металл (рельсы), для быстрого устранения аварии и снижение материального ущерба.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство определения места замыкания фазы на землю в трехфазных воздушных линиях с изолированной нейтралью, находящихся в условиях интенсивного воздействия электромагнитного поля контактной сети железных дорог, электрифицированных на переменном токе (Патент РФ 2372220, приоритет 28.03 2008 г., опубликованное 30.11.2009 г.)

Устройство состоит из питающего трехфазного трансформатора, вторичная высоковольтная обмотка которого через коммутационный аппарат подключена к воздушным изолированным проводам высоковольтной линии 6-10 кВ, которая снабжена датчиком напряжения, являющимся измерительным трансформатором для измерения напряжения отдельных фаз, причем первичные обмотки трансформатора соединены в звезду и через фильтр нулевой последовательности соединены с землей, вторичная обмотка его соединены в треугольник.

Устройство также содержит, расположенную вблизи, контактную сеть железной дороги, регулируемый источник компенсации электромагнитного поля контактной сети, регулятор фазы, запоминающее устройство, устройство согласования с системой телемеханики, функциональный корректор (вычислительное устройство) и индикатор информации.

Устройство работает следующим образом: получаемый сигнал от датчика напряжения (измерительный трансформатор) б сдвигается в блоке регулятора фазы 5, по фазе на угол 180° эл. по отношению к наведенному напряжению в линии, усиливается по амплитуде до необходимого уровня напряжения компенсации в регулируемом источнике 4 и подается через фильтр нулевой последовательности 3 в трехпроводную линию ВЛ СЦБ 2. В линии 2 наведенное напряжение от контактной сети 1 компенсируется напряжением от источника компенсации 4. Отрегулированная индуктивность регулируемого источника 4 и естественные емкости линии относительно земли в режиме компенсации создают внутреннее сопротивление источника, практически равное бесконечности. При замыкании на линии 2 естественная емкость линии шунтируется и образуется замкнутая цепь для источника компенсации 4: линия, место замыкания (близкого к нулю) и земля. Источник компенсации 4 из разряда источника компенсирующего потенциала переходит в разряд источника напряжения, и по нему, и всему компенсирующему устройству начинает протекать ток, пропорциональный сопротивлению линии до места замыкания фазы на землю. Уровень тока, пропорциональный сопротивлению линии на момент «глухого» замыкания, через малое переходное сопротивление (сопротивление места замыкания близко к нулю) фиксируется пиковым амперметром 8, проходя через автоматический выключатель 7, и затем запоминается в запоминающем устройстве 9. Автоматический выключатель 7 отключает схему от питания, поступающего от датчика напряжения 6. При этом источник 3 переходит в режим холостого хода и линия ВЛ СЦБ продолжает оставаться в работе, питая оборудование СЦБ. Далее с запоминающего устройства 9 снимается сигнал для информации диспетчера через устройство согласования 10 и систему телемеханики. Так же с запоминающего устройства 9 сигнал поступает и на функциональный корректор 11. В функциональном корректоре 11 (вычислительный блок) полученная величина сигнала, пропорциональная величине сопротивления линии от подстанции до места замыкания фазы на землю, по заранее имеющейся программе для данной ВЛ СЦБ переводит величину сопротивления в величину расстояния от подстанции до места замыкания на землю, учитывая при этом продольную неоднородность линии (кабельные вставки, разные типы и диаметры проводов) с дальнейшим выводом на индикатор информации 12.

Это устройство снижает возможность возникновения аварийного режима и получение ложной информации при работе воздушной линии (ВЛ) в условиях воздействия сильного электромагнитного поля контактной сети переменного тока путем снижения его воздействия на оборудование, установленное на ВЛ.

К недостаткам прототипа относится относительная сложность устройства и трудности, связанные с уровнем компенсации электромагнитного поля контактной сети, на величину которого влияет множество факторов и их трудно учесть, поэтому и для каждой конкретной ВЛ надо создавать отдельную программу определения расстояния от подстанции до места короткого замыкания.

Надежная работа этого устройства возможна только при возникновении короткого замыкания и контакте оборвавшегося провода с рельсом.

Технической задачей полезной модели является создание надежного, и, относительно простого устройства для определения расстояния до места короткого замыкания на землю или на металлические поверхности оборвавшегося провода высоковольтной воздушной линии, позволяющего оперативно устранить аварийную ситуацию.

Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство определения места короткого замыкания на землю изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока, состоящее из трехфазной высоковольтной воздушной линии с изолированной нейтралью, питающейся от трехфазного трансформатора, вторичная высоковольтная обмотка которого через коммутационный аппарат подключена к воздушным изолированным проводам высоковольтной линии, с установленным на них измерительным трансформатором для измерения напряжения отдельных фаз, причем первичная обмотка трансформатора соединена в звезду, нулевая точка которых через фильтр нулевой последовательности соединена с искусственным заземлителем, а вторичная обмотка его соединены в треугольник, систему телемеханики, вычислительный блок определения расстояния до места короткого замыкания с последующим выводом информации на индикатор, внесены дополнения и изменения, а именно:

- в конце трехфазной высоковольтной воздушной линии с изолированной нейтралью установлен второй измерительный трансформатор аналогичный первому измерительному трансформатору, снабженный вторым фильтром нулевой последовательности, соединенные аналогичным образом;

- дополнительно между нулевыми точками первичных обмоток обеих измерительных трансформаторов и искусственным заземлителем, включены параллельно фильтру нулевой последовательности датчик тока с измерительным прибором;

- выходные зажимы которого соединены соответствующими входами вычислительного блока, который по результатам измерения тока отекания на землю в начале и конце ВЛ определяет расстояние до места короткого замыкания.

Кроме того, фильтры нулевой последовательности выполнены активно-емкостными, а при наличии в системе телемеханики контроллера или ЭВМ в качества индикатора расстояния до места короткого замыкания можно использовать их дисплей.

Введение второго измерительного трансформатора с фильтром нулевой последовательности позволяет замерить ток отекания в конце воздушной линии в случае короткого замыкания Это объясняется тем, что, если воздушная сеть отключена от источников питания, то отекание токов происходит с двух концов ее, в основном, через первичные обмотки трехфазных измерительных трансформаторов, соединенных с землей через активное или активно-емкостное сопротивление, которые режиме короткого замыкания и шунтируются датчиками тока и измеряется амперметром.

По измеренным токам, стекающим в начале и в конце воздушной линии, расстояние до места короткого замыкания их на землю или металл определяется из соотношения:

где X_КЗ - расстояние от источника питания до точки короткого замыкания;

I_Н - ток отекания в начале линии;

I_К - ток отекания в конце линии;

L - длина линии.

Показания датчиков тока с зажимов измерительных приборов (амперметров) вводятся в вычислительное устройство, в котором реализуется указанное соотношение.

При наличии в системе телемеханики котроллера или ЭВМ, в качестве вычислительного устройства, можно их применение, с выводом результата вычисления на дисплей.

В этом случае, при необходимости преобразования сигналов пропорциональных измеренным токам в начале и конце высоковольтной воздушной линии, устанавливают согласующее устройство (аналоге- цифровой преобразователь).

На фигуре 1 приведена электрическая схема устройства, реализующего заявляемую полезную модель, причем общеизвестное оборудование, без которого устройство работать не может и оно не влияет на сущность полезной модели (питающий трансформатор с коммутационным аппаратом и т. п.) на рисунке не показаны.

На фигуре 1 показаны:

1 - трехфазная линия напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью, расположенная на опорах контактной сети переменного тока с полевой стороны, предназначенная для электроснабжения автоблокировки (СЦБ), отключенная от собственного источника питания;

2 - контактная сеть однофазного переменного тока промышленной частоты напряжением 25 кВ;

3 - источник питания контактной сети 25 кВ (тяговая обмотка трехфазного понижающего трансформатора тяговой подстанции переменного тока железных дорог);

4 - место короткого замыкания одной из фаз в линии напряжением свыше 1000 В для электроснабжения автоблокировки;

5, 10 - первичные обмотки, соединенные звездой трехфазных измерительных трансформаторов, установленных соответственно в начале и конце линии напряжением свыше 1000 В;

6, 11 - вторичные обмотки, соединенные треугольников трехфазных трансформаторов, установленных соответственно в начале и конце линии напряжением свыше 1000 В;

7, 12 - активно-емкостные фильтры, установленные соответственно в начале и конце линии напряжением свыше 1000 В;

8, 13 - искусственные заземлители для подключения активно-емкостных фильтров 7 и 12 соответственно;

9, 14 - датчики с измерительньми приборами, установленные параллельно активно-емкостным фильтрам 7 и 12 соответственно;

10 - вычислительный блок для определения расстояния до места короткого замыкания, подключен к выходным зажимам датчиков 9 и 14.

Устройство работает следующим образом. При коротком замыкании одного из проводов (фаз) трехфазной линии напряжением свыше 1000В (1), расположенной на опорах контактной сети переменного тока (2), происходит отключение этой линии от ее источников питания (трансформаторов СЦБ или районных обмоток трехфазных понижающих трансформаторов тяговых подстанций переменного тока железных дорог). За счет электрического влияния контактной сети (2), подключенной к источнику напряжением 25 кВ (3), происходит отекание токов с двух концов ее через первичные обмотки трехфазных трансформаторов (5) и (10), соединенных с искусственными заземлителями (8) и (13) через активно-емкостные фильтры (7) и (12). Датчики тока (9) и (10), установленные параллельно активно-емкостным фильтрам (7) и (12), включаются и шунтируют указанные фильтры. Измеренные значения токов поступают в вычислительный блок (10), который выполняет расчет расстояния от источника питания (3) до места короткого замыкания (4).

Рассмотрим определение расстояние до места короткого замыкания на конкретном примере трехфазной воздушной линии длиной 48 км напряжением 10 кВ, провода которой размещены в горизонтальной плоскости на опорах контактной сети напряжением 25 кВ, т.е. находятся под электромагнитным воздействием данной контактной сети. К началу и концу линии подключены устройства с трехфазными трансформаторами типа ТС-25/10 мощностью 25 кВА. Значение емкости провод линии - земля составляет 7 нф/км, между проводами линии - 1 нф/км, между контактной сетью и землей - 12,5 нф/км, между контактной сетью и проводами линии - 2 нф/км.

Учитывая то, что амперметр шунтирующий активно - емкостный фильтр измеряет ток отекания всех трех фаз, то для определения значения тока отекания фазы, в которой произошло короткое замыкания, необходимо определить ток отекания, приходящийся на каждую фазу при нормально работающей сети, поэтому такое измерение производят предварительно.

Ток стекания со всех трех фаз неповрежденной линии составлял 1322,7 мА, тогда для одной фазы он составит 1322,7/3=440,9 мА. При коротком замыкании провода фазы С линии на землю, ток всех трех фаз измеренный датчиком (9) составил 985,5 мА, тогда ток I_H можно определить вычитая из измеренного значения токи двух неповрежденных фаз, т.е. ток составит I_H 985,5-2·440,9=103,7 мА. Ток, измеренный датчиком (10) составит 1193,0 мА, соответственно, ток I_К1193,0-2·440,9=311,2 мА. Таким образом, расстояние до места короткого замыкания составит:

Полученный результат был сообщен ремонтной бригаде, выезжавшей для устранения аварии. Точность определения фактического расстояния до короткого замыкания составила порядка 150-200 м, т.е. порядка 1,2%.

В случае применения в качестве вычислительного устройства котроллера или ЭВМ, а в качестве индикатора их дисплей, токи измеренные датчиками 9,14 сподаются на вход аналогоцифрового преобразователя (на рис. 1 не показан, т. к. это один из вариантов выполнения полезной модели.

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и известными методами расчета по схемам замещения аварийного режима короткого замыкания или других известных методов очевидна.

Главным отличием его является не стремление исключить влияние электромагнитного поля контактной сети, а использовать его для определения места короткого замыкания воздушной линии.

Устройство просто по конструкции, обладает достоверностью, а вычисление не требует сложных дополнительных устройств и может быть выполнено самим оператором сети по показаниям приборов или средств автоматики.

1. Устройство определения места короткого замыкания на землю изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока, состоящее из контактной сети переменного тока, трехфазной высоковольтной воздушной линии с изолированной нейтралью, питающейся от трехфазного трансформатора, вторичная высоковольтная обмотка которого через коммутационный аппарат подключена к воздушным изолированным проводам высоковольтной линии, с установленным на ней измерительным трансформатором для измерения напряжения отдельных фаз, причем первичные обмотки трансформатора соединены в звезду, нулевая точка которых через фильтр нулевой последовательности соединена с искусственным заземлителем, а вторичные обмотки его соединены в треугольник, систему телемеханики, вычислительный блок определения расстояния от подстанции до места короткого замыкания с последующим выводом информации на индикатор, отличающееся тем, что в него дополнительно - в конце трехфазной высоковольтной воздушной линии с изолированной нейтралью установлен второй измерительный трансформатор, аналогичный первому измерительному трансформатору, снабженный вторым фильтром нулевой последовательности, соединенные аналогичным образом, а между нулевыми точками первичных обмоток обоих измерительных трансформаторов и искусственными заземлителями дополнительно включены, параллельно фильтру нулевой последовательности, датчики тока с измерительными приборами, причем выходные зажимы их соединены с соответствующими входами вычислительного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтр нулевой последовательности выполнен активно-емкостным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве вычислительного блока и индикатора, при наличии в системе телемеханики контроллера или персонального компьютера, может быть использован их процессор и дисплей.