Средства интеллектуальной релейной защиты тяговых электрических сетей постоянного тока от короткого замыкания

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к способам релейной защиты тяговых сетей и может использоваться в цифровых защитах тяговых сетей железных дорог, промышленных предприятий и метрополитенов от токов короткого замыкания.

Задача - расширение эксплуатационных возможностей системы.

Система интеллектуальной защиты контактной сети в межподстанционной зоне (фиг.1) содержит размещенные на всех объектах одной фидерной зоны тяговой сети - на двух тяговых подстанциях, в пунктах параллельного соединения и в посту секционирования, комплексы 1-5 защиты участка контактной цепи, образуя единую систему из пяти комплексов. При этом каждый из комплексов 1-5 соединен с приемником 6_1-5 GPS, подключен к двухпроводной линии 7 связи через модем 8_1-5 SHDSL и снабжен резервным радиоканалом 9_1-5 связи. Каждый из комплексов 1-5 содержит хотя бы одно устройство 10 первичного преобразования и связанное с ним по шине 11 CAN устройство 12 приема-передачи информации. При этом устройства 10_1-5 первичного преобразования размещены на всех фидерах объектов одной фидерной зоны тяговой сети, которых имеется на 2-х тяговых подстанциях и на посту секционирования по 4 фидера, в пунктах параллельного соединения - по одному фидеру. На каждые одно/два устройства 10_1-5 первичного преобразования в комплексе имеется одно устройство 12_1-5 приема-передачи информации, таким образом, что на каждой из 2-х тяговых подстанций и в посту секционирования расположены по числу фидеров по 4 устройства 10 первичного преобразования и по одному устройству 12 приема-передачи (фиг.2). В 2-х пунктах параллельного соединения размещено по одному устройству 10 первичного преобразования и по одному устройству 12 приема-передачи. В комплексах 1 и 5, установленных в тяговых подстанциях, устройства 12_1-5 приема-передачи дополнительно снабжены серверами 13.

Устройства 10_1-5 (фиг.3) содержат последовательно соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14 сигнала и блок 15 обработки информации, выполненный на микроконтроллере с запоминающим устройством (на чертежах не показано). При этом входы АЦП 14 соединены с датчиками 16-18 соответственно тока, напряжения и состояния коммутационных аппаратов 25, установленными в фидере, а один из выходов блока 15 обработки информации соединен с электронным ключом 19, а второй выход блока 15 обработки через шину 11 CAN связан с входом устройства 12 приема-передачи. Здесь же в устройстве 10 расположен блок 20 питания.

Устройство 12_1-5 приема-передачи информации содержит микроконтроллер 21, снабженный запоминающим устройством 22 и соединенный одним выходом через коммутатор 23 с модемом 8 типа SHDSL. Вход микроконтроллера 21 через шину 11 CAN соединен с выходом блока 15 обработки устройства 10 первичного преобразования, а второй вход микроконтроллера 21 связан с приемником 6 GPS.

Размещение устройств первичного преобразования на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования с возможностью измерения в них токов и напряжений, а также определения с помощью введенных в систему сигналов состояния коммутационных аппаратов тяговой сети в совокупности с выполнением каждого из устройств приема-передачи информации на - микроконтроллере с запоминающим устройством для каждых двух устройств первичного преобразования и коммутатора для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу размещения его на каждом объекте тяговой сети позволяет в итоге совместно с устройствами первичного преобразования создать комплекс, обеспечивающий распределенную зону защиты, охватывающую каждый из объектов тяговой сети. За счет того, что каждый из комплексов соединен с приемником GPS, подключен к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжен резервным радиоканалом связи, а в комплексах, установленных в тяговых подстанциях, устройства приема-передачи дополнительно снабжены серверами, связанными с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL с двухпроводным каналом связи, причем электронный ключ связан с блоком обработки устройства первичного преобразования, обеспечивается проведение оперативного анализа поездной обстановки и анализа состояния сети тягового электроснабжения для оптимального выбора параметров защит и автоматики, расширяя эксплуатационные возможности системы. Применение SHDSL-модемов обеспечивает при этом высокие скорости передачи информации, а также возможность передачи информации в прямом и обратном направлении в дуплексном режиме. Достоинством использования указанных модемов является также возможность использования в качестве линий связи существующие выделенные 2-х проводные линии, что приводит к существенному сокращению расходов при внедрении заявляемой системы. Использование на каждом объекте защиты коммутаторов обеспечивает доступ к информации на самом объекте и сопряжение с модемом SHDSL для ретрансляции информации с соседних объектов.

1 п.ф, 3 ил.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к способам релейной защиты тяговых сетей и может использоваться в цифровых защитах тяговых сетей железных дорог, промышленных предприятий и метрополитенов от токов короткого замыкания.

Известна система защиты участков контактной сети от токов короткого замыкания, описанная в п. РФ 2239930 по кл. Н02Н 7/26, з. 13.02.2003, 10.11.2004 г.

Известная система (фиг.3) содержит смежные фидеры тяговой сети постоянного тока, оборудованные быстродействующими выключателями 1, 9 с защитными реле РДШ (2, 10), связанные с реле 5 контроля (реле напряжения), и дополнительные катушки 6 и 8, имеющие одинаковое число витков.

Недостаток известной системы заключается в том, что информация берется только из питающего и смежного с ним фидеров, что не обеспечивает надежной и полной защиты.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является система защиты тяговой сети постоянного тока по приращению тока, описанная в патенте РФ 2161355 «Способ защиты тяговой сети постоянного тока по приращению тока», по кл. Н02Н 3/08, В60М 3/00, з. 15.04.99, oп. 27.12.2000 г., и выбранная в качестве прототипа.

Известная система представляет собой устройство цифровой защиты и автоматики фидера тяговой сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3, которое состоит из высоковольтного устройства (ВВУ), включающего в себя последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок микроконтроллера (БМК1) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и располагающегося непосредственно в ячейке фидера, блока развязки (БР), исключающего попадание высокого напряжения на элементы управления защитой, и низковольтного устройства (НВУ), состоящего из блока микроконтроллера (БМК2), связанного с блоком электронных ключей (БЭК), и блока питания (БП) и служащего для ввода всех значений параметров защиты с клавиатуры, вывода их на дисплей и передачи на высоковольтное устройство по интерфейсу RS-232. Блок развязки через интерфейсы RS-232 связывает высоковольтное и низковольтное устройства. Информация о токе защищаемого фидера и токе фидера, смежного с защищаемым, попадает с последовательно расположенных быстродействующих выключателей (БВ) и шунта на фидере для преобразования в цифровой код на АЦП и затем в блок микроконтроллера. Текущие значения токов запоминаются в ОЗУ и некоторое время хранятся в нем. В блоке микроконтроллера происходит обработка значений токов и, если по алгоритму работы защиты формируется сигнал на отключение БВ с помощью блоков отключения (БО), то он передается по RS-интерфейсу через блок развязки (БР) на низковольтное устройство, где подается команда на органы управления БВ (БЭК, БО).

Недостатки известного устройства заключаются в следующем.

Его концепция защиты основана на принятии решения по обнаружению аварийной ситуации и отключению участка контактной сети на основе информации (ток, напряжение) только с защищаемого и смежного с ним фидеров. При этом в случае обнаружения аварийной ситуации не учитывается информация с других объектов электроснабжения, находящихся на перегоне, и возможные изменения схемы включения фидеров при проведении работ на перегоне, вследствие чего в некоторых случаях принимается неверное решение о наличии или отсутствии аварийной ситуации на фидере аварийного участка.

Кроме того, при возникновении на перегоне короткого замыкания (КЗ) отключения быстродействующих выключателей на поврежденном участке происходит по каскадному принципу: сначала происходит отключение самого ближнего к точке КЗ выключателя, затем после перераспределения тока КЗ, отключается следующий ближайший быстродействующий выключатель и последним отключается быстродействующий выключатель, находящийся дальше всех от точки КЗ. К величине тока КЗ, протекающего по последнему быстродействующему выключателю приближаются рабочие токи ЭПС с весом до 12000 тонн, и уставка, отстроенная от максимального рабочего тока электровоза, в некоторых случаях оказывается нечувствительной к таким удаленным коротким замыканиям. Решение этой проблемы особенно актуально для межподстанционных зон с большой протяженностью и тяжелым профилем пути. Помимо этого, ложное срабатывание быстродействующего выключателя соседнего фидера и наличие нагрузки на перегоне также приводит к уменьшению расчетного минимального тока КЗ, в результате чего защита оказывается не чувствительной.

Между тем, такие короткие замыкания должны быть отключены в минимально короткие сроки, поскольку в месте повреждения, как правило, возникает дуга, которая приводит к развитию повреждения, вызывает перегрев и потерю проводами механической прочности. Кроме того, при любых КЗ эксплуатация поврежденного участка контактной сети невозможна.

Все защиты оказываются полностью не чувствительными к коротким замыканиям с большим переходным сопротивлением (например, через разземленную опору) ввиду того, что ток короткого замыкания не может превышать 500 А, напряжение не снижается ниже 2700 В и скорость нарастания тока не выше скорости его нарастания при проходе воздушного промежутка. Небольшие значения тока таких КЗ очень опасны, поскольку вызывают местный нагрев проводов, арматуры, опор и могут привести к значительным разрушениям.

Таким образом, эксплуатационные возможности такого устройства защиты весьма ограничены.

Задачей является расширение эксплуатационных возможностей устройства защиты.

Поставленная задача решается тем, что в системе интеллектуальной защиты тяговой сети постоянного тока, содержащей размещенное на одном питающем фидере устройство цифровой защиты и автоматики фидера тяговой сети постоянного тока, включающее в себя устройство первичного преобразования аналоговых сигналов с датчиков тока и напряжения в фидере в цифровой вид, состоящее из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, блока обработки информации и оперативного запоминающего устройства, и устройство приема-передачи информации, и связанное входом с датчиками, расположенными на защищаемом и смежном с ним фидерами, а выходом через электронный ключ - непосредственно с быстродействующими выключателями с образованием единого комплекса защиты участка контактной сети, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, устройства первичного преобразования размещены на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети, состоящей из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования, а каждое из устройств приема-передачи информации содержит микроконтроллер с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатор для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещено на каждом объекте тяговой сети, образуя в совокупности с устройствами первичного преобразования комплекс защиты каждого из объектов тяговой сети, при этом каждый из комплексов соединен с приемником GPS, подключен к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжен резервным радиоканалом связи, а в комплексах, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, устройства приема-передачи дополнительно снабжены серверами, связанными с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL с двухпроводным каналом связи, причем электронный ключ связан с блоком обработки устройства первичного преобразования.

Размещение устройств первичного преобразования на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования с возможностью измерения в них токов и напряжений, а также анализа введенных в систему сигналов положения их коммутационного оборудования в совокупности с выполнением каждого из устройств приема-передачи информации из микроконтроллера с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатора для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещения его на каждом объекте тяговой сети позволяет в итоге совместно с устройствами первичного преобразования создать комплекс, обеспечивающий распределенную зону защиты, охватывающую каждый из объектов тяговой сети. За счет того, что каждый из комплексов соединен с приемником GPS, подключен к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжен резервным радиоканалом связи, а в комплексах, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, устройства приема-передачи дополнительно снабжены серверами, связанными с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL двухпроводным каналом связи, причем электронный ключ связан с блоком обработки устройства первичного преобразования, обеспечивается проведение оперативного анализа поездной обстановки и анализа состояния сети тягового электроснабжения для оптимального выбора параметров защит и автоматики, расширяя эксплуатационные возможности системы. Применение SHDSL-модемов обеспечивает высокие скорости передачи информации и возможность передачи информации в прямом и обратном направлении в дуплексном режиме. Достоинством использования указанных модемов является также возможность использования в качестве линий связи существующие выделенные 2-проводные линии, что приводит к существенному сокращению расходов при внедрении заявляемой системы. Использование на каждом объекте защиты коммутаторов обеспечивает доступ к информации на самом объекте и сопряжение с модемом SHDSL для ретрансляции информации с соседних объектов.

Технический результат - возможность получения информации с любого участка тяговой сети и своевременного реагирования на аварийные ситуации.

Заявляемая система обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как размещение устройств первичного преобразования на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети, состоящей из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования, выполнение каждого из устройств приема-передачи информации на микроконтроллере с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатора для связи их с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещение его на каждом объекте тяговой сети, с образованием в совокупности с устройствами первичного преобразования комплекса защиты каждого из объектов тяговой сети, соединение каждого из комплексов с приемником GPS, подключение их к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжение резервным радиоканалом связи, введение в комплексах, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, в устройства приема-передачи дополнительно серверов, связанных с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL с двухпроводным каналом связи, соединение каждого электронного ключа с блоком обработки устройства первичного преобразования, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявляемая система может найти широкое использование в цифровых защитах тяговых сетей железных дорог, промышленных предприятий и метрополитенов от токов короткого замыкания, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:

- фиг.1 - структурная схема системы интеллектуальной защиты тяговой сети постоянного тока;

- фиг.2 - функциональная схема комплекса защиты тяговой подстанции;

- фиг.3 - функциональная схема комплекса защиты на посту секционирования и в пунктах параллельного соединения.

Система интеллектуальной защиты контактной сети (КС) в межподстанционной зоне (фиг.1) содержит размещенные на всех объектах одной фидерной зоны тяговой сети - на двух тяговых подстанциях (ТП), в пунктах параллельного соединения (ППС) и в посту секционирования (ПС), комплексы 1-5 защиты участка контактной цепи, образуя единую систему из пяти комплексов. При этом каждый из комплексов 1-5 соединен с приемником 6_1-5 GPS, подключен к двухпроводной линии 7 связи через модем 8_1-5 SHDSL и снабжен резервным радиоканалом 9_1-5 связи. Каждый из комплексов 1-5 содержит хотя бы одно устройство 10 первичного преобразования и связанное с ним по шине 11 CAN устройство 12 приема-передачи информации.

При этом устройства 10_1-5 первичного преобразования размещены на всех фидерах объектов одной фидерной зоны тяговой сети, которых имеется на 2-х тяговых подстанциях и в посту секционирования по 4 фидера, в пунктах параллельного соединения - по одному фидеру. На каждые одно/два устройства 10_1-5 первичного преобразования в комплексе имеется одно устройство 12_1-5 приема-передачи информации, таким образом, что на каждой из 2-х тяговых подстанций и в пункте секционирования расположены по числу фидеров по 4 устройства 10 первичного преобразования и по 2 устройства 12 приема передачи (фиг.2). В 2-х пунктах параллельного соединения размещено по одному устройству 10 первичного преобразования и по одному устройству 12 приема-передачи.

В комплексах 1, 3 и 5, установленных в тяговых подстанциях и в посту секционирования, устройства 12 _1-5 приема-передачи дополнительно снабжены серверами 13.

Устройства 10_1-5 (фиг.3) содержат последовательно соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14 сигнала и блок 15 обработки информации, выполненные на микроконтроллере с запоминающим устройством (на чертежах не показано). При этом входы АЦП 14 соединены с установленными в фидере датчиками 16, 17 соответственно тока, напряжения, а датчик 18 состояния коммутационных аппаратов подключен к входу блока 15 обработки информации, один из выходов которого соединен с электронным ключом 19, а второй выход блока 15 обработки через шину 11 CAN связан с входом устройства 12 приема-передачи. Здесь же в устройстве 10 расположен блок 20 питания.

Устройство 12_1-5 приема-передачи информации содержит микроконтроллер 21, снабженный запоминающим устройством 22 и соединенный одним выходом через коммутатор 23 с модемом 8 типа SHDSL. Вход микроконтроллера 21 через шину 11 CAN соединен с выходом блока 15 обработки устройства 10 первичного преобразования, а второй вход микроконтроллера 21 связан с приемником 6 GPS. Радиоканал 9_1-5 служит для обеспечения при необходимости резервной связи. В устройстве 12 также имеется блок 24 питания.

Система работает следующим образом.

Аналоговые сигналы с выхода датчиков 16, 17 в каждом фидере объекта тяговой сети поступают на АЦП 14 в устройства 10_1-5 первичного преобразования сигнала, где преобразуются в цифровой вид. Результаты АЦП, полученные в течение 1 мс в 16-ти выборках измеряемого сигнала, усредняются в блоке 15 обработки информации, и вместе с миллисекундной меткой времени, поступающей с приемника 6 GPS и преобразованными в цифровой вид сигналами от датчиков 18 запоминаются в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) блока 15 обработки информации. В блоках 10_1-5 обработки информации происходит анализ сигналов с датчиков (16-18) _1-5 каждого фидера объекта тяговой сети, и если по алгоритму работы защиты требуется отключение коммутационного аппарата 25 (быстродействующего выключателя фидера данного объекта), то блок 15 обработки информации формирует сигнал на ключ 19_1-5 для отключения коммутационного аппарата 25. Таким образом, осуществляются защиты, критичные к времени их срабатывания, такие как максимальная токовая защита и защита фидера по минимальному напряжению.

Кроме того, по запросу с циклом 1 мс от микроконтроллеров 21 устройства 12 приема-передачи информации из ОЗУ блока 15 обработки информации по шине 11 CAN передается информация в микроконтроллеры 21 устройства 12 приема-передачи информации, где она хранится в ОЗУ 22 микроконтроллера и выдается по запросу через коммутатор 23 на серверы 13_{1, 3, 5}. Микроконтроллер 21 устройства 12 приема-передачи информации в объектах 2, 4 тоже передает информацию в серверы 13_{1, 3, 5} по их запросам через модемы 8 SHDSL и проводную линию 7.

Сервер 13_{1, 3, 5}, таким образом, собирает информацию об измеряемых параметрах и состоянии всех фидеров объекта, на котором он установлен, и обеспечивает ее сохранение в течение одного часа, а также по запросу другого сервера передает ему хранимую информацию по проводной линии 7.

Если по результатам выполняемых сервером 13_{1, 3, 5} алгоритмов защиты, требуется отключение какого-либо коммутационного аппарата 25 на объекте фидерной зоны, сервер 13_{1, 3, 5} формирует команду, которая поступает с него через коммутатор 23 и модем 8 в проводной канал 7.

Обработка информации на верхнем уровне системы по разработанным алгоритмам позволяет решать следующие задачи: определить места неисправностей (короткого замыкания, ложного отключения фидерных быстродействующих выключателей, их отказов), провести оперативный анализ поездной обстановки и сопоставление ее с надежностью тягового электроснабжения для оптимального выбора параметров защит и автоматики.

В сравнении с прототипом заявляемая система имеет более широкие эксплуатационные возможности.

Система интеллектуальной защиты тяговой сети постоянного тока, содержащая размещенное на одном питающем фидере устройство цифровой защиты и автоматики фидера тяговой сети постоянного тока, включающее в себя устройство первичного преобразования аналоговых сигналов с датчиков тока и напряжения в фидере в цифровой вид, состоящее из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, блока обработки информации и оперативного запоминающего устройства, и устройство приема-передачи информации, и связанное входом с датчиками, расположенными на защищаемом и смежном с ним фидерах, а выходом через электронные ключи - непосредственно с быстродействующими выключателями с образованием единого комплекта защиты участка контактной сети, отличающаяся тем, что устройства первичного преобразования размещены на всех фидерах одной фидерной зоны тяговой сети, состоящей из следующих объектов: двух тяговых подстанций, двух пунктов параллельного соединения и поста секционирования, а каждое из устройств приема-передачи информации содержит микроконтроллер с запоминающим устройством для каждых одного/двух устройств первичного преобразования и коммутатор для связи микроконтроллеров с модемом SHDSL по сетевому интерфейсу и размещено на каждом объекте тяговой сети, образуя в совокупности с устройствами первичного преобразования комплекс защиты каждого из объектов тяговой сети, при этом каждый из комплексов соединен с приемником GPS, подключен к двухпроводной линии связи через модем SHDSL и снабжен резервным радиоканалом связи, в комплексах, установленных в тяговых подстанциях, устройства приема-передачи дополнительно снабжены серверами, связанными с их микроконтроллерами через коммутатор внутренней сети, а с устройствами приема-передачи информации в других объектах тяговой сети - через модем SHDSL с двухпроводным каналом связи, причем электронный ключ связан с блоком обработки устройства первичного преобразования.