ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

Електротехнически факултет

маг. инж. Иван Колев Ангелов

Преходни процеси в нелинейни вериги на тягови мрежи за променлив ток

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертационния труд за придобиване на образователна и научна степен „Доктор”

Професионално направление: 5.2. Електротехника, електроника и

автоматика Научна специалност: Електрически мрежи и системи

Научен ръководител: доц. д-р инж. Петър Иванов Матов Научно жури:

1. доц. д-р инж. Константин Малчев Малчев 2. доц. д-р инж. Петър Иванов Матов 3. проф. д-р инж. Стоян Делев Стоянов 4. доц. д.т.н. инж. Станимир Трифонов Вичев 5. проф. д-р инж. Иван Костадинов Миленов

София, 2015 г.

2

Дисертационният труд е обсъден и насрочен за защита от разширен катедрен научен съвет на катедра „Електроенергетика“ на Електротехнически факултет към Технически университет – София на 19.01.2015 г. Дисертационният труд съдържа 114 страници със – фигури и – таблици.

Състои се от увод, четири глави, библиография, заключение, списък на публикациите по труда и – страници приложения. Цитирани са 76 литературни източника, от които 43 на латиница и 33 на кирилица. По труда са направени 7 публикации. Защитата на дисертационния труд ще се състои на 22.04.2015 г. от 17:30 ч.

в зала 2140 на заседание на научно жури назначено със заповед на Ректора на Технически университет - София Материалите по защитата са на разположение на интересуващите се в

канцеларията на Електротехнически факултет при Технически университет – София. Автор: Иван Колев Ангелов Заглавие Преходни процеси в нелинейни вериги на тягови мрежи за променлив ток Тираж: 40 бр. Печатна база: Издателство на ТУ - София

3

Въведение Контактната мрежа представлява специална електропреносна мрежа, която

има задача да пренесе електрическата енергия от тяговите подстанции до тяговия електрически подвижен състав и да му я предаде, чрез непосредствен контакт с неговия токоприемник. В България (и в повечето от електрифицираните ж.п. мрежи по света) номиналното напрежение е 25 kV с честота 50Hz. Захранването на контактната мрежа с електрическа енергия се извършва от тяговите подстанции, чрез захранващи фидери. Контактната мрежа, релсовият път, захранващите, обходните и обратните фидери образуват тяговата мрежа на електрифицирания участък. Контактната мрежа се поддържа в 24 часово работно състояние от

енергийните диспечери и аварийно-ремонтен персонал. При настъпване на повреда по контактната мрежа релейната защита и

прекъсвачът изключват съответния извод в тяговата подстанция. Енергийният диспечер трябва да установи мястото на повредата и да изпрати аварийно-ремонтната бригада за отстраняването й на място. За улесняване на локализирането на повредите се използват специализирани указатели или данните от цифровите защити на изводите в тяговата подстанция. При осигуряване на коректна информация за разстоянието до мястото на

повредата се намалява и времето за локализирането на дефектния елемент. Съответно се съкращава общото време за отстраняване на повредата и се намаляват закъсненията на влаковете.

Глава първа - Аварии възникващи в електрическите разпределителни мрежи и начините за тяхното откриване, локализиране и елиминиране.

В първа глава на дисертацията е направен критичен литературен преглед на следните проблеми: възникването на аварийни ситуации по време на експлоатацията на електропреносните системи; за предпазване от щети електрическите повреди трябва да се изключват по най-бързия начин и след това да се локализира повреденият участък и по възможност мястото на аварията; разгледани са разнородните причини за авариите като това може да бъдат прекъсване на проводници, увеличаване на съпротивлението на веригата, отклоняване на електрическият ток по странични пътища (утечки) или рязко влошаване на изолацията (къси съединения); автоматичното установяване на повредата и изключване на повреденият участък; измерване на ток и напрежение по време на аварията с цифрови електронни устройства; наличието на електрическа дъга при част от повредите и влошаване на точността на измерване; На базата на анализите на проблемите разгледани в литературния преглед е

формулирана целта и задачите на дисертацията.

4

Цел и задачи на дисертацията Целта на дисертационния труд е да се създаде алгоритъм за бърза цифрова

обработка на ограничен брой моментни стойности за токове и напрежения при преходни процеси на късо съединение в променливотокови тягови вериги с нелинейности и приложението му в релейните защити на изводите към контактната мрежа и в указателите на мястото на късо съединение в контактната мрежа. Задачи за решаване:

1. Създаване на заместващи схеми на тягови вериги с нелинейности (с електрическа дъга).

2. Създаване на математически модели на веригите с нелинейности. 3. Създаване на компютърни модели на вериги с нелинейности при къси съединения през дъга.

4. Създаване на цифрови изчислителни алгоритми за импеданс и оценка на тяхната точност и бързодействие.

5. Създаване на хардуерно решение и програмно осигуряване за измерване по време на късо съединение и изпълнение на изчислителните алгоритми за импеданс и разстояния

Глава втора - Физически експеримент с къси съединения през електрическа дъга в тягова мрежа за променлив ток

В променливотоковите контактни мрежи с номинално напрежение 25kV възникват сравнително често повреди с къси съединения. В интервала от време между възникване на късото съединение и изключването му от прекъсвача на извода могат да се измерват и записват електрическите параметри на извода в тяговата подстанция. Достъпните електрически параметри са напрежението на шините и тока на съответния извод илюстрирано на фиг. II-1. След преобразуване в цифров вид от определен брой моментни стойности за u и i през интервали от време ∆t се пресмятат ефективни стойности за напрежението Uкс на шините на тяговата подстанция и тока Iкс на съответния извод, по който е настъпила аварията.

Е Xтр К.С.Lk Rk

25kV

Мерене

u, i

фиг. II-1 Еквивалентна схема при измерване по време на късо съединение

5

Използват се устройства [48], [55] или [43], които по пресметнатите и записани данни за Uкс и Iкс, изчисляват импеданса на мрежата до повредата с късо съединение:

кскс

кс

UZI

= [Ω] = [V]/[A] (0.1)

и разстоянието до него:

0

кскс

Zlz

= [km] = [Ω]/[Ω/km], (0.2)

където z0 е импеданс на мрежата за единица дължина. Късото съединение продължава краткотрайно, с незaтихнал преходен

процес в активно-индуктивна електрическа верига, при моментна стойност на тока:

( ) ( )2 sin sint

кскс

кс

Ui t eZ

τω ψ ϕ ψ ϕ−

= + − − −

(0.3)

В iкс има налична незатихнала апериодична компонента:

( )2 sint

ксa кс

кс

Ui eZ

τ ψ ϕ−

= − (0.4)

Съставката iа е със случайна полярност, със случайна начална амплитуда, зависима от фазата ψ на възникване на късото съединение и затихваща във времето с времеконстанта:

кс

кс

LR

τ = , (0.5)

където Lкс , Rкс и cosφкс са параметри на заместващата схема на мрежата. Ефективната стойност Iкс на тока (0.3) с наличие на апериодичната

компонента (0.4) е променлива във времето и също е със случаен характер. По тази причина при изчисляване на разстоянието (0.2) се допуска методична грешка. При използване на изчислителен алгоритъм [52] методичната грешка се минимизира и се постига относително висока точност при определяне на разстоянието lкс (0.2) до късото съединение. Късото съединение може да възникне и през електрическа дъга, която

участва в електрическата верига със собствените си нелинейни напрежение uA съпротивление RA. Дъгата е открита, често между движещи се електроди. Електрическите параметри на дъгата освен че са нелинейни са и променливи във времето, при това в широки граници. Такива дъги възникват при нарушаване на изолационните разстояния между токоприемника на движещ се локомотив и близки предмети – дървета, ледени висулки по сводовете на тунелите или провиснали механични елементи на инфраструктурата. Подобни аварии стават и от електрически пробиви между контактната мрежа и извънгабаритни товари на движещи се влакове. Наличието на електрическа дъга оказва комплексно влияние в сложния

динамичен режим на параметрите на електромагнитните величини при повреди с къси съединения. Променят се стойностите на токовете,

6

напреженията, времеконстантите и апериодичните компоненти. Това води до нарушаване на точността при определяне на разстоянието до мястото на късо съединение особено в случаите на повреди близо до подстанцията, когато изчисляваните разстояния често са по-големи от действителните. Затрудняват се още и действията на цифровите импедансни (дистанционни) релета и релейни защити на изводите. Описаните проблеми не са намерили окончателно решение. Така възниква необходимостта да се направят изследвания за събиране на експериментални данни за къси съединения за влиянието на динамично изменяща се електрическа дъга при реални условия. Тези данни ще бъдат основа за създаване както на алгоритми за устройства, така и за техническата им реализация.

II.1 Изпитвателна уредба Изпитвателната уредба трябва да позволява изследването на параметрите на

повреди по тяговата мрежа с къси съединения през електрическа дъга при практически реални условия. Предвижда се късото съединение да възниква с електрическа дъга между раздалечаващи се електроди при хоризонтално придвижване на електрически изолирана, олекотена метална шина със скорости 30÷60 km/h. Принципната кинематична схема на уредбата с подвижен електрод, която

изпълнява описаните условия и изисквания, е показана схематично на фиг. II-2. Контактната система е съставена от два неподвижни електрода (контакта), свързани в електрическия контур на стенда. Единият електрод е свързан към извод от тяговата подстанция, а другият е заземен чрез обратния фидер. Подвижният контакт се пренася от задвижвана чрез падаща тежест каретка (количка) върху два изолирани водача. Когато подвижния контакт преминава между неподвижните електроди, без да се опира в тях, се нарушава изолационното разстояние и се запалва дъга.

ΔH

H0

H1

H2

S0S1S2

ΔSПодвижен електрод

Заземен електрод

Електрод 25kV Извод от ТПС

Задвижващ полиспаст

Задвижваща тежест

фиг. II-2 Кинематична схема на стенд с подвижен електрод

7

Подвижният електрод минава между стационарните електроди S1 със зададената скорост, след което разстоянието между контактите се увеличава. По този начин и дъгата се разтегля със зададената скорост. При изпълнението на стенда са заложени следните параметри:

- Задвижваща маса - 13kg; - Кратност на полиспаста - 8; - Скорост на разтягане на дъгите - до 70 km/h; - Разстояние за ускоряване - ∆S - 10m; - Разстояние от електродите до края (S1 до S2) - 3m; - Обща дължина - 13m.

II.2 Предварителни лабораторни изпитвания на конструкцията

Описаният стенд за къси съединения е изработен в „Електротехнически факултет“, катедра „Електроснабдяване, електрообзавеждане и електротранспорт“ на „Технически университет – София“. На фиг. II-3 е показана, в поглед отгоре, неговата конструкция с реалните размери. За намаляване масата на подвижните елементи за подвижен електрод е използвана шина от алуминиев профил, а носещата рамка на каретката е от леки дървени летви.

1,3m

0,3m

0,3m

13m

Пружини за спиране

ПолиспастНосещи въжета

Теглещо въже

Стартов механизъм

Подвижен електрод

Каретка

фиг. II-3 Размери на стенда в лабораторни условия

Скоростта на преминаване на подвижния електрод бе проверявана с тежест

от 5,7 kg. Усреднената от няколко опита скорост бе 27 km/h.

II.3 Монтиране на уредбата за работа в реални условия

За експерименти с нормално работно напрежение установката бе пренесена и монтирана в двора на подстанция „Илиянци”. За механичното укрепване на носещите въжета и полиспаста се използваха два от железорешетъчните (Ж.Р.) стълбове в района пред подстанцията. На единият от стълбовете беше

8

закрепена дървена греда за неподвижна опора на полиспаста и края на носещите въжета. Натягането на въжетата се извършваше към втория стълб със специални приспособления-обтегачи. От страната на обтегачите бе и стартовия механизъм за освобождаване на каретката. На ¼ преди края на въжения път на каретката с подвижния електрод бяха монтирани два неподвижни електрода. Първият - горещ електрод - бе поставен под напрежение 25kV, а вторият - студен електрод бе свързан със земя (обратния фидер) на подстанцията. Чертежът с разположението на установката за изкуствени къси съединения

с подвижен електрод е показан на фиг. II-4.

фиг. II-4 Разположение на установката за къси съединения през разтегляща се дъга

Експериментите са проведени след обезопасяване на пространството около

монтираната установка.

II.4 Резултати от къси съединения с разтегляща се дъга

Моментните стойности на напрежението и тока по време на контролируемите къси съединения през разтеглящи се дъги бяха заснемани с цифров осцилоскоп, присъединен към вторичните измервателни вериги на „ЦУМКС”, на извод „Ел. депо“ в ТПС"Илиянци". Снимка на измервателната апаратура и ЦУМКС-2 със закачените към него сонди е показана на фиг. II-7.

9

Тъй като късото съединение е непосредствено до подстанцията импедансът на проводниците до дъгата е малък и може да се пренебрегне. Така измерваното напрежение на шините на ТПС е равно на напрежението върху дъгата. При възникване на късото съединение напрежението спада рязко. Появява се ток със значителна амплитуда, със синусоидална и с апериодична съставки. Напрежението е с "трапецовидна" форма, характерна за силно йонизирани, мощни, електрически дъги [56] и [57]. Във всеки следващ полупериод, то нараства вследствие на разтягането на дъгата, апериодичната съставка в тока не успява да затихне за 90-те ms до изключването на извода.

фиг. II-5 Обработена осцилограма I в действителни единици

На фиг. II-5 е показана обработена осцилограма от първото късото

съединение през дъга, като стойностите са в действителни величини. Тук добре се вижда трапецовидната форма на напрежението, по време на късото съединение, характерна при мощни дъги. Съответно след възникване на късото съединение дъгата се разтяга и напрежението върху нея расте. Токът по време на късото съединение е със силно изразена апериодична

съставка (в случая в положителна посока). След първия положителен полупериод се забелязва силно изкривяване на отрицателната вълна. Това се дължи на насищането на магнитната верига на токовия трансформатор от тока с апериодичната съставка. До изключване на късото съединение токовия трансформатор не успява да се възстанови напълно и формата на тока остава изкривена. И при втория запис се вижда апериодична съставка в тока, но тя е по-малка

от първия опит и токовия трансформатор не успява да се подмагнити. Съответно токът е почти синусоидален без наблюдаваните в предишния опит изкривявания. Обработената осцилограма, в приведени към първичната страна величини, е показана на фиг. II-6.

10

фиг. II-6 Обработена осцилограма II в действителни единици

фиг. II-7 Измервателна апаратура в ТПС „Илиянци“

II.5 Компютърна симулация на контактна мрежа с късо съединение през електрическа дъга

При наличие на експериментални данни за къси съединения през електрическа дъга може да се създаде компютърен модел с възможност за адекватни настройки на параметрите на мощната електрическа дъга. С помощта на реалните записи ще може да се верифицират моделите. Импедансите на тягови мрежи с къси съединения през електрически дъги са разглеждани в [54].

11

II.5.1 Заместваща електрическа схема на контактна мрежа с късо съединение.

Във веригата на контактна мрежа с късо съединение участват напрежението uarc(ik) на електрическата дъга и нейното нелинейното съпротивление Rarc(ik). Заместващата схема на контактна мрежа, на късото съединение през дъга и на трансформатора на тяговата подстанция е показана на фиг. II-8.

фиг. II-8 Заместваща електрическа схема със съсредоточени параметри на контактна

мрежа с късо съединение Моментната стойност uK на напрежението на шините на подстанцията се

описва от уравнение (0.6).

( ) ( )кк arc к к arc к

diu L R R i i u idt

= + + + (0.6)

Токът iK на късо съединение се определя от приведеното напрежение u’110 на идеалния източник:

( ) ( )'110

TR кarc к к arc к

X diu L R R i i u idtω

= + + + + (0.7)

където XTR е импеданс на разсейване на тяговия трансформатор и на електропровода към енергийната система, а ω – мрежовата честота. Без участието на дъгата с нейните uarc(ik) и Rarc(ik), диференциалното

уравнение (0.6) има класически вид:

'110

TR кк

X diu L Ridtω

= + +

(0.8)

Елементите на контактната мрежа, чиито големини обикновено се приемат за пропорционални на разстоянието lK до мястото на късо съединение са индуктивното съпротивление X = ωL и активното съпротивление R независимо от наличието или липсата на електрическа дъга. Импедансът ZK на веригата с “глухо” късо съединение, т.е. без дъга, е с големина: ( )2 2

кZ L Rω= + (0.9)

600A/1A

110kV 27,5kV

27,5kV/0,1kVL R

R arc(ik)

ikuk u arc(ik)

12

Еквивалентният импеданс ZKarc на същата верига, но през дъга, се изчислява чрез измерените ефективни стойности на напрежението UK на шините на тяговата подстанция и на тока IK на късо съединение:

кKarc

к

UZI

= [Ohm] (0.10)

Параметрите на дъгата uarc(ik) и Rarc(ik), зависещи от големината и формата на тока, деформират и тока на късо съединение, и напрежението на шините на тяговата подстанция. Деформирани, те имат ефективни стойности на еквивалентните синусоидални величини, които се използват в (0.10). С тези разсъждения, а също така от (0.6) и (0.8) може да се стигне до извода, че в нелинейните вериги при наличие на дъга, напрежението на късо съединение е по-голямо, токът на късо съединение е по-малък, а еквивалентният импеданс - по-голям отколкото при металическо късо съединение. Тоест имаме: Кarc КZ Z> [Ohm] (0.11) С приетия за константа линеен импеданс на контактната мрежа z0=const

[Ohm/km] и получаваното разстояние lKarc [km] до мястото на късо съединение:

0

КarcКarc

Zlz

= (0.12)

ще бъде по-голямо, в сравнение с разстоянието lK [km]

0

КК

Zlz

= (0.13)

при металически къси съединения, случили се на същото място. Търсенето на повредата, при преходните къси съединения, се компрометира, а отстраняването на причината за бъдещи аварии се затруднява.

II.5.2 Заместваща електрическа схема на мощна електрическа дъга

От литературния преглед [24, 12, 26 и др.] се вижда, че най-често се прилага схема с два идеални диода (VD1, VD2) и два идеални източника (DC1, DC2) на постоянно напрежение, съединени последователно-паралелно - фиг. II-9.

фиг. II-9 Заместваща електрическа схема на маломощна електрическа дъга.

13

Резисторът R1, включен към тази комбинация, е приложим при моделиране на „високо импедансни“ къси съединения. В случаите с мощни дъги (с малко собствено съпротивление), резисторът R1 може да бъде пренебрегнат или да бъде включен като съставка на импеданса на контактната мрежа. От друга страна, напрежението на дъгата Uarc е пропорционално на електрическата напрегнатост Earc и дължината на дъгата larc: arc arc arcU E l= (0.14) За целите на изследването тук е удобно да се избере една от двете

(използвани и в [22]) електрически напрегнатости Earc по дължина на дъгата. Първата е с постоянна големина Earc = 1200÷1500 [V/m], а втората е функция на големината I на протичащия ток Earc = 950+5000/I [V/m]. От формулата се вижда, че влиянието на тока става забележимо едва при стойности под 100 А, т.е. за случаи, които са предмет на други изследвания. Така, за дъгата Uarc между електроди с разстояния от 0,1 до 3 метра, се получава един широк диапазон от напрежения: ( ) ( )950 / 1500 / 0,1 3 95 4500arc arc arcU E l V m V m m m V V= = ÷ ∗ ÷ = ÷ (0.15)

II.5.3 Електрическа схема на модел за компютърна симулация на контактна мрежа с късо съединение през електрическа дъга

Схемата на модела за компютърна симулация на контактна мрежа с късо съединение през електрическа дъга е показана в горната част на фиг. II-10. Симулационният модел е за програмата PSpice. Управляваните чрез генератор на стъпално изменяемо напрежение V5 идеализирани източници DC1 и DC2 (заедно с диодите VD1 и VD2) конкретизират модела на дъгата, отговарящ на идеята от фиг. II-9. С елементите Lcat и Rcat се моделират съставките на импеданса на контактната мрежа, с L1 – индуктивността на разсейване на тяговия трансформатор, а с V1 – приведеното напрежение на енергийната система. Началният момент на късото съединение през дъга се определя от закъснението на включване на контакта U1. За изключване на късото съединение е предвиден контактът U2. Елиминирането на дъгата (равносилно на металическо късо съединение) се получава при нулево напрежение от генератора V5. Останалата част от фиг. II-10 съдържа изолиращи преобразуватели на

напрежение E1 и E2, умножители, интегратори и два блока за коренуване SQRT. Чрез подходящ избор на техните предавателни коефициенти се получават ефективните стойности на тока Aeff и на напрежението kVeff на късо съединение, както и на неговите мощности – активна kW и пълна kVA.

14

фиг. II-10 Схема на модел за компютърна симулация на контактна мрежа с късо

съединение през електрическа дъга

II.5.3.1 Проверка на резултатите от модела за компютърна симулация

Характерните параметри, измервани в модела на фиг. II-10, съответстват на параметрите, с които работят цифровите импедансни защити и цифровите указатели на мястото на късо съединение. Точно количествено сравнение между резултатите от компютърния модел и от цифровата апаратура тук не се прави. Направени са симулации при два от случаите на реални къси съединения, за

които има заснети осцилограми. Първият случай е при близко късо съединение и бързо разтегляща се дъга. Осцилограмата на тока и напрежението от модела, при близко късо съединение, е показана на фиг. II-11. Вторият случай е при недалечно (около 2km) късо съединение.

Осцилограмата на тока и напрежението, от компютърния модел, при недалечно късо съединение през дъга е показана на фиг. II-12.

Rt

0.04R1

0.001R31k

R49999k

Rcat

0.02

Lcat

0.15m

1 2U1

3.8ms1 2

V1 FREQ = 50VAMPL = 35353

0

L122mH

1

2

VD1 VD2

U2

93.5m1 2

-+ +

-

DC2

E

-+

+-

DC1

E

C14u

R250

V5

TX1

0v50

0v50

0

U400

40ms

1 2

0v-50

0

R801k

0

R_kW1k

kW

-+

+-E1 E

-++

-

E2 ESQRT

SQRT

R_A1k

R_kV1k0

0

R_S1k

0

kVA

U402

40ms

1 2

0R821k 0

RkV^21k

kVeff

U401

40ms

1 2

R811k

00

RA^21k

Aeff

V-

V+V-

V+

15

фиг. II-11 Осцилограма получена на модела за компютърна симулация при близко

късо съединение през електрическа дъга

фиг. II-12 Осцилограма получена на модела за компютърна симулация при

недалечно късо съединение през електрическа дъга Предполага се още, че изчислителната част от схемата на компютърния

модел не внася допълнителни грешки и той може да бъде използван за оценка

16

на алгоритми, използващи импеданса по време на аварийния режим за определяне на разстоянието до мястото на късо съединение в тягови мрежи за променлив ток.

II.5.4 Резултати от компютърната симулация и изводи Компютърните симулации на къси съединения са направени с модела на

контактна мрежа от фиг. II-10. Чрез промяна на стойностите на съпротивлението Rcat и индуктивността Lcat на контактната мрежа са моделирани различни разстояния (0,1÷25 km) до късото съединение, а чрез големината на напрежението на източника V5 – дължините и напреженията на електрическите дъги, през които то се реализира. Избраните числа на фигурата съответстват на линеен импеданс със средна стойност z0 = 0,511 Ohm/km и разстояние 0,1 km. Напреженията на дъгите са съответно 500V - за къса (~0,5m), 3000V – за дълга (>2m) и 1800-2000V – за бързо разтягаща се дъга (1~1,5m). Ефективните стойности на тока и напрежението са изчислени за период, започващ в 40-тата милисекунда и завършващ в 60-тата след възникване на късо съединение без апериодична съставка. Големините на отклоненията ( )Кarc К Кl l f l− = (0.16) на изчислените разстояния до местата на късо съединение през дъга спрямо зададените действителни места са показани на фиг. II-13. Задаваните разстояния са от 0,1km до 26km при късо съединение през къса (0,5 kV), средна (2 kV) и дълга (3 kV) електрически дъги.

фиг. II-13 Зависимост на разликата между изчисленото разстояние lКarc до мястото на

късо съединение, през различни електрически дъги, и зададеното разстояние lК≡Lкс≡∆t

Резултатите от количественото изследване на участието на откритата

електрическа дъга върху точността на алгоритъма за определяне на

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0

l Kar

c-

l K[k

m]

lK [km]

3 kV

2 kV

0,5 kV

17

разстоянието до мястото на късо съединение по параметрите на аварийния режим, получени от модела за компютърна симулация водят до следните изводи:

- Отклоненията в получаваните разстояния са незначителни за защитната функция и за действието на цифровите импедансни/дистанционни релета;

- Отклоненията в получаваните разстояния са с големина до 2 километра и, от практическа гледна точка, са съществени за указващи устройства, към които изискването за точност/разделителна способност е максимум 1 km;

- Отклоненията в получаваните разстояния имат минимум при къси съединения, намиращи се в диапазона 1÷3 километра от подстанцията. Въпреки този минимум, разликата не става толкова малка, че да бъде пренебрегвана;

- Грешките могат да бъдат редуцирани, ако за изчисленията се използват данни за напрежението и тока на късо съединение, измерени при къса дъга, веднага след възникването й и преди естественото й разтегляне. Тази възможност е в противоречие с изискването за частично затихване на апериодичната съставка на тока, заради проблемите, създавани от нея както в изчислителния алгоритъм, така и в насищането на измервателните токови трансформатори.

II.6 Резултати и изводи В тази глава е извършен физически експеримент с къси съединения през

електрическа дъга. За тази цел е изготвена изпитвателна уредба с подвижен електрод. Уредбата е изпитана в лабораторни условия за да се провери и уточни скоростта на движение на електрода. След това системата с подвижен електрод е монтирана в района на тягова подстанция, където са извършени експериментални къси съединения през електрическа дъга. Записани са резултати от къси съединения през електрическа дъга с движещ

се електрод. Уточнени са параметрите на заместващата електрическа схема на контактна

мрежа с късо съединение през електрическа дъга. Уточнена е заместваща електрическа схема на мощна електрическа дъга. Разработена е електрическа схема на модел за компютърна симулация на

контактна мрежа с късо съединение през електрическа дъга. Получените резултати от симулацията са близки до резултатите в записите при реалните експерименти с което се потвърждава точността на компютърния модел. Изследвано е влиянието на мястото на дъгата върху точността на

определяне на мястото на късо съединение.

18

Глава трета - Устройства за мерене на ток и напрежение по време на късо съединение

Експлоатацията на електрифицираната железопътна инфраструктура е

съпроводена и от повреди по контактната мрежа. Една от задачите на енергодиспечерите и аварийните групи е своевременно откриване и отстраняване на възникналите трайни къси съединения. Необходимо е колкото може по-точно да се локализира мястото на аварията. Бързото и точно определяне на мястото на късо съединение се извършва от указатели, монтирани в тяговите подстанции. Обикновено се използват параметрите на аварийния режим - ток Iкс и напрежение Uкс по време на късото съединение. Двете величини се трансформират до подходящи нива и чрез подходяща схемна или програмна обработка в указателите се намира импедансът Zкс на участъка от ТПС до мястото на повредата по (0.1). При допускане, че специфичният линеен импеданс z0, Ohm/km е еднакъв за целия участък, намереният импеданс е пропорционален на разстоянието lx до мястото на късо съединение. Неизвестното разстояние се намира чрез деление по (0.2). Показанията на указателите са полезни също и при преходни къси съединения. Въпреки, че след преходно к.с. изводът в ТПС се задържа във включено състояние, указателя дава информация къде по контактната мрежа има проблем. В ТПС на ДП НКЖИ продължително време се използва указател на мястото

на късо съединение, определящ неизвестното разстояние по модула |Zкс| на импеданса. Участъкът след повредата се показва в умален вид в ТПС като стълб от светещи лампи [47]. На всяка лампа съответства разстояние от около 1,5 километра и при общ брой 20 указателят може да указва повреди в участъци с 30-километрови дължини. По-сложната конфигурация на тяговата мрежа в двупътни участъци, както

и изискването за автоматично предаване на информацията за мястото на к.с. на пулта на енергодиспечера, са довели до създаването на метод за измерване както и нови цифрови устройства за определяне на разстоянието до мястото на к.с.

III.1 Цифрови указатели на мястото на късо съединение в тягови мрежи за променлив ток

III.1.1 Цифров указател тип ЦУМКС-2 Достъпността на микропроцесори (μP) с добри показатели по отношение на

бързодействие, изчислителни възможности и устойчивост на смущения стана предпоставка за създаване на цифров указател от ново поколение ЦУМКС-2, като блоковата му схема е показана на фиг. III-1. Токовият ТТ1 и

19

напреженовият НТ1 трансформатори разделят галванично цифровия указател от веригите за измерване на ТПС. Блоковете 1 и 2 са двупътни токоизправители. В блок 1 токоизправителят е натоварен и с нискоомен резистор, върху който се получава напрежение, пропорционално на тока. Напреженията от двата блока се подават на компаратор К и аналоговоцифров преобразовател АЦП.

фиг. III-1 Блокова схема на цифров указател ЦУМКС-2

Отделно от аналоговата част с компаратора, на изхода на АЦП се получават

числови данни за моментните стойности на тока и напрежението. Работата на ЦУМКС-2 се управлява от μP тип МС68НС11 (блок 7) по

програма, записана в EPROM (блок 8). Резултатите за токове, напрежение и разстояния до мястото на к.с. се визуализират на течнокристален дисплей (блок 9). Стойността на изключения от прекъсвача на извода ток се добавя към сумата от токовете от предишни изключвания и се пази в енергонезависима памет EEPROM (блок 10). Освен на дисплея, разстоянието до мястото на к.с. (от 0 до 31 km) се подава и на 5-битов регистър (блок 11) с пет релета, чиито контакти могат да се свържат с КСАУДВ. За текущо запомняне на моментните стойности на токове и напрежения, както и на междинните резултати при обработката им се използва RAM памет (блок 12). Изключването на прекъсвач от релейната защита се запаметява в регистър

(блок 3), на чийто вход се подава логическа единица при затваряне на нормално отворени контакти на междинни релета на токовата отсечка МТО и на релето с трети хармоник МРТС.

20

За намаляване на броя указатели монтирани в ТПС токовите входове са три, т.е. в един ЦУМКС-2 са монтирани по три броя ТТ1, три блока 1, три компаратора К, три осембитови брояча с памет (блок 5) и еднобитовият регистър (блок 3) е заместен с трибитов. За регистриране на събитията във времето служи часовник за астрономическо време (блок 14). В енергонезависимата памет освен сумата на изключените токове в килоампери се запомнят и резултатите за токове, напрежения и разстояния от последните сто изключвания. В първия вариант на програмното осигуряване, с което са проведени

първите експерименти, ефективните стойности на токовете и напрежението се намират чрез средните стойности на изправените двупътно величини. За тока изразите изглеждат по следния начин:

10

1 1.T n

ср jj

I i dt iT n =

= = ∑∫ (3.1)

от получената средна стойност се пресмята ефективната:

2 2еф срI Iπ

= (3.2)

където n е броят на измерените моментни стойности, а ij е j-тата моментна стойност на тока. В разглежданият случай моментните стойности са 40. При несинусоидални ток и напрежение, както и при наличие на апериодична

съставка, намираните по този начин ефективни стойности може да съдържат грешка, чиято големина има случаен характер. Погрешни биха били и намираните разстояния. Елиминирането на тази грешка е предмет на алгоритъма в следващите варианти на програмното осигуряване. За специфичния импеданс е приета стойност 0,5 Ohm/km, която е

необходима за проверка на работата на указателя. С така реализиран указател (ЦУМКС-2) са проведени изпитвания в реални

експлоатационни условия по двупътен участък в района на ТПС „Вакарел“. Късите съединения са осъществявани в районите на гарите Ихтиман и Мирово със и без напречен паралел в СП „Мирово“ фиг. III-2. Изводите, захранващи път1 и път2, са обозначени като „ИХТ1“ и „ИХТ2“.

17km26km

ТПСВакарел Ихтиман Мирово

ИХТ2

ИХТ1

фиг. III-2 Конфигурация на мрежата за тестване на ЦУККС-2

За проверка на повторяемостта на показанията на едно и също място са правени последователно по две къси съединения. Резултатите от изписаните

21

на дисплея стойности за разстоянието до късото съединение са показани в табл. III-1.

табл. III-1 Резултати за разстояния (km) от изпитвания на ЦУМКС-2 Къде, Час: Условия Опит Из- ЦУМКС No1 ЦУМКС No2 кога мин

N вод чрез ∆t чрез |ZKC| чрез ∆t чрез |ZKC|

Ихти- 10:48 без напр. 1 "Ихт2" 15 16 15 16 ман 10:51 паралел 2 "Ихт2" 13 16 15 16

10:54 с 3 "Ихт1" 36 34 34 35

26.08. напречен

"Ихт2" 18 18 17 18 1993г. 10:57 паралел 4 "Ихт1" 26 33 27 34

в Мирово "Ихт2" 9 19 13 18 Мирово 9:58 без напр. 5 "Ихт2" - - 43 25

10:00 паралел 6 "Ихт2" - - 24 26 29.12. 10:02 с 7 "Ихт1" - - 28 30 1993г.

напречен "Ихт2" - - 29 33

10:04 паралел 8 "Ихт1" - - 28 29

в Мирово

"Ихт2" - - 29 32

От сравнението на получените показания могат да се направят следните

изводи и заключения за работата на първия вариант на ЦУМКС-2 : • При определяне на разстоянието до мястото на късо съединение чрез ∆t, разликите в показанията достигат 19 единици за „Ихт2“ - (43 - 24) = 19 между 5-ти и 6-ти опит и 10 единици - между 3-ти и 4- ти опит за „Ихт1“.

• Напречната връзка увеличава забележимо показанията при по-далечни къси съединения. Това се вижда от табл. III-1, случаи 6 и 7 за извод „Ихт2“. Явлението е известно и при необходимост показанията могат да се коригират или автоматично, или от дежурния диспечер.

• В програмното осигуряване за ЦУМКС по-нататък се приема определянето на разстоянието до мястото на к.с. да става само чрез модула на импеданса, намиран от тока и напрежението на късо съединение.

След тези успешни изпитвания на първия вариант на указателя е разработено подобрено хардуерно решение и ново програмно осигуряване.

III.1.2 Цифров указател тип ЦУМКС-2-3 В по-новия вариант на цифровия указател са заложени редица подобрения.

Аналоговите входове имат възможност за превключване според преводното отношение на измервателните токови и напреженов трансформатори в конкретна подстанция. Аналогово – цифровият преобразувател е 8-битов с опорно напрежение

5.00V. Максималната измервана стойност е 5 волта като максималният брой на стъпките на преобразуване е 255. Така се получава предавателно отношение 19.6 mV на стъпка. Приема се, че при използване на максималния диапазон на АЦП ще може да се измерва максимална ефективна стойност 3.53 V. Прието е също така за напреженовия вход това да отговаря на 28 kVeff на първичната

22

страна. По подобен начин е прието диапазона на токовите входове да бъде 7071 Aeff в първичната верига. Избраните стойности са независими от използваните в тяговата подстанция токови и напреженови трансформатори и се определят основно от мощността на тяговия трансформатор в ТПС. Примерна илюстрация при използване на токов трансформатор 800/5 А и напреженов 27.5/0.1 kV е показана на фиг. III-3. За изчисленията в софтуера е заложена аритметика с плаваща запетая [1].

Така всички алгебрични пресмятания се извършват с необходимата точност.

фиг. III-3 Входни вериги на ЦУМКС-2-3

Софтуерът на указателя измерва и проверява непрекъснато тока на

съответния извод. Ако средната стойност надвиши 500А се стартира измерването на тока и на напрежението за пресмятане на разстоянието до късото съединение. Измерват се и се запомнят по 40 моментни стойности за тока и напрежението през интервал от 1 ms, тоест измерването продължава два периода (40 ms), по време на евентуалното късо съединение, преди да го е изключила релейната защита. Ако има апериодична съставка в тока тя няма да е затихнала и ще окаже влияние върху точността [52]. Пресмятат се средноквадратичните (ефективни) стойности за тока и напрежението:

402

2 1

0

140

T kk

E

iI i dt

T== =

∑∫ (3.3)

402

2 1

0

140

T kk

E

uU u dt

T== =

∑∫ (3.4)

При определяне на ефективната стойност на напрежението грешката от апериодична съставка в него е незначителна и по тази причина се пренебрегва.

23

При пресмятането на тока е наложително да се приложат мерки за елиминиране на грешката от апериодичната съставка. Може да се предположи, че грешката в определянето на ефективната

стойност на тока се дължи на експоненциалния член 2. .t

ксI e τ−

в моментните

стойности (0.3), като съответно кскс

кс

UIZ

= .

Тази грешка може да се компенсира чрез прилагане на обратна функция (натурален логаритъм) върху интегралните резултати за IE, I1 и I2. Тук IE се определя съгласно (3.3) за целия интервал от 40 моментни стойности. Токове I1 (за първите 1 до 20 моментни стойности) и I2 (за вторите 21 до 40 моментни стойности) - от следните изрази:

202

11 20

kk

iI ==

∑ (3.5)

402

212 20

kk

iI ==

∑ (3.6)

Всяка от тези три различни ефективни стойности IE, I1 и I2 за тока съдържа в себе си някаква грешка от апериодичната съставка, както и скрита информация за дефазирането и времеконстантата [52]. Чрез подходяща нелинейна обработка може да се получи ток I=f(IE, I1, I2) с по-малка грешка. В програмното осигуряване на ЦУМКС-2 се използва израз съдържащ първите членове от разлагането на логаритмичната функция във функционален ред:

1 21

2

2

1. 1 . 2.

1

E

E EE

II II I II

I

− ≈ − +

(3.7)

използват се резултати за IE, I1 и I2 пресметнати съответно по (3.3), (3.5) и (3.6) Грешката в стойностите на така коригирания ток става по-малка от ±1% за

разстояния от 3.5 до 30km [52] независимо от знака и големината на апериодичната съставка.

III.2 Изчислителен алгоритъм при късо съединение през електрическа дъга

Релейните защити на фидерите към контактната мрежа 25kV/50Hz изключват сравнително често и поради нетрайни къси съединения през електрическа дъга. Локализацията на мястото им е наложителна. Определянето на разстоянието lкс дотам чрез ефективните стойности на първите хармоници на напрежението Uкс и на тока Iкс на аварийния режим по:

24

кскс

кс

UZI

= [Ohm] (3.8)

0

кскс

Zlz

= [km] (3.9)

е неточно [53]. Очевидна е невъзможността да се използва импеданса Zкс на веригата с късо съединение, тъй като в него участва нелинейното и непостоянно съпротивление на дъгата Rarc. ( )22

кс кс кс arcZ X R R= + + (3.10) Сравнително трудно може да се използва и импеданса Хкс поради

несинусоидалната форма на напрежението, а също така и поради наличието на апериодична съставка в тока. Те изискват обемиста предварителна обработка за намиране на първите им хармоници. Погледнато по различен начин - дъгата не променя съществено

геометричната конфигурация на токовата верига, т.е. индуктивността й Lкс е приблизително една и съща както при металическо късо съединение, така и при късо съединение през дъга. Тази особеност е основание да се предположи, че ако в алгоритъма за определяне на разстоянието се използва връзката:

0

кскс

L lL

= [km] (3.11)

показанията на указателите на мястото на късо съединение няма да се влияят от характера (метал/дъга) на късото съединение. Със L0 в (3.11) е означена предварително известна стойност на специфичната линейна индуктивност на тяговата мрежа. Познати са алгоритми за цифрови дистанционни релейни защити,

основаващи се на измерване на Lкс, но при отсъствие на дъга [50]. Известни са и цифрови указатели, използващи (3.11), например [48]. Те се основават на решение на диференциалното уравнение, описващо тока във всеки момент от времето, във верига със съсредоточени параметри Lкс и Rкс:

. .кскс кс кс кс

diL R i udt

+ = (3.12)

Цифровите дистанционни релейни защити използват дискрети un, in (n = 1, 2, 3, ...) за тока и за напрежението, получени от АЦП през интервали от време ∆t фиг. III-4.

25

фиг. III-4 Дискрети за u и i през интервал ∆t

В някои от известните варианти за приблизително решение [50, 2] на (3.12)

се преминава през система от две уравнения, в които участват по три дискрети за напрежението и тока un = u0; u1; u2 и in = i0; i1; i2. За два съседни интервала c големина ∆t и граници, обозначени с 0, 1 и 2, двете уравнения на системата изглеждат по следния начин:

0 1 0 1 1 0

01 01

1 2 1 2 2 112 12

2 2

2 2

кс кс

кс кс

u u i i i iR Lt

u u i i i iR Lt

+ + −= +

∆+ + −

= +∆

(3.13)

където Rкс01, Lкс01 и Rкс12, Lкс12 са моментни стойности на активното съпротивление и индуктивността на веригата съответно за интервалите 0-1 и 1-2. Системата има единствено решение за неизвестните съпротивление и

индуктивност само при условие че Rкс01=Rкс12=Rкс и Lкс01=Lкс12=Lкс, т.е. само в случай на металическо късо съединение. Предложеното тук решение на (3.13) се основава на допускането, че при

мощни електрически дъги съпротивлението на дъгата не се изменя съществено в два съседни достатъчно малки интервала от време ∆t. Тогава системата (3.13) може да бъде записана по следния начин:

0 1 0 1 1 0

1

1 2 1 2 2 11

2 2

2 2

кс кс

кс кс

u u i i i iR Lt

u u i i i iR Lt

+ + −= +

∆+ + −

= +∆

(3.14)

като тук Rкс1 е стойността на активното съпротивление на веригата, включително и на дъгата, на границата между двата интервала. Сега (3.14) може да бъде решена спрямо Lкс

26

( ) ( ) ( )

( )0 1 2 1 0 2 2 0 1

21 0 2

.2 2кс

u i i u i i u i itLi i i

+ − − − +∆=

− (3.15)

Намерената стойност за Lкс може да бъде използвана в (3.11). Интерполациите на тока и на напрежението в (3.14) увеличават броя на

изчислителните процедури и намаляват бързодействието и точността. За отстраняване на тези недостатъци се предлага системата от уравнения (3.14) да се състави с моментни стойности за ток и за напрежение от три съседни интервала ∆t

2 01 1 1

1

3 12 1 2

1

кс кс

кс кс

i iu R i Lt

i iu R i Lt

−= +

∆−

= +∆

(3.16)

Тук ∆t, трябва да бъде интервал от време между две несъседни през една дискрети, т.е. ∆t1 = 2∆t. От всеки три съседни дискрети (например i0, i1, i2) да се взима средната дискрета i1 и с нея да се замества съответната средно аритметична стойност в (3.14). Така ще се избягва пресмятането на средно аритметично и ще се използва по-точната моментна стойност, получена от измерване. Решението за Lкс от (3.16) е:

( )( ) ( )

1 2 2 1 1

2 0 2 3 1 1кс

u i u i tL

i i i i i i− ∆

=− − −

(3.17)

Съответно уравнението (3.17) може да се запише в по-общ вид:

( )

( ) ( )1 2 2 1 1

2 2 3 1 1

n n n nкс

n n n n n n

u i u i tL

i i i i i i+ + + +

+ + + + +

− ∆=

− − − (3.18)

Приложимостта на предложения изчислителен алгоритъм (3.18) в цифров указател на мястото на късо съединение (ЦУМКС) е проверявана в продължение на повече от година в реалните условия на тягова подстанция „Кръстец“.

III.3 Реле импедансно специално RIS-2 Съвременните локомотиви използват силови електронни преобразуватели с

корекция на фактора на мощността (PFC). Използваните до скоро защити реагират според големината на третия хармоник в тока на извода. При липса или малка големина на третия хармоник тези защити изключват от големите товарни токове на локомотивите с PFC. Така необходимата селективност работен / авариен режим изисква въвеждането на импедансна защита. Разработеното цифрово импедансно реле съвместява в себе си както защита

за извод в тягова подстанция така и указател на разстоянието до късото съединение. Включва се към измервателните напреженова – 100V и токова – 5(1) A вериги в тяговите подстанции [43].

27

Реле импедансно специално RIS-2 е конструирано като изделие за монтаж в тяговите подстанции на ДП НКЖИ. В този си вид носи наименованието „RIS-2 ЦИФРОВА ИМПЕДАНСНА ЗАЩИТА“. Снимка на защитата е показана на фиг. III-5.

фиг. III-5 Външен вид на „RIS-2 ЦИФРОВА ИМПЕДАНСНА ЗАЩИТА“

Блоковата схема на импедансно реле RIS-2 е показана на фиг. III-6.

Микрокомпютър

АЦП10 бита

RAM

EEPROM

RTC

Захранване220V DC

Дисплей4 x 16

Бутони

4 релейниизхода

4 цифровивхода

ИнтерфейсSCADA

фиг. III-6 Блокова схема на импедансно реле RIS-2

28

Микрокомпютърът е с вградени: 10 битов аналогово цифров преобразувател (АЦП), оперативна памет (RAM), часовник за реално време (RTC) и памет за записване на архив от събития (EEPROM). Другите модули са външни за микрокомпютъра и се свързват с него през входно – изходни портове. Измерването на моментни стойности за ток и напрежение се извършват

точно през времеви интервали от 1.25 ms или с честота 800 Hz. Аналогово цифровия преобразувател е 10-битов при което преобразува

входните еднополярни сигнали в 1024 нива или 210. Най-голямата измервана стойност е равна на опорното напрежение Uref на АЦП. Ако X е напрежението

на входа, то цифровата стойност D на изхода ще бъде: 1024.

ref

D XU

= [69]. В

разглежданото импедансно реле трябва да се измерват както положителни така и отрицателни нива на входните величини. При двуполярен вход сигналът се преобразува отнесено към „нулата“ на нива -512 – 0 – +512. Най-старшият бит дава информация за знака на числото а информацията се кодира в 9 бита или 512 нива. При осигуряване на входа на АЦП на „нулево“ ниво равно точно на ½.Uref това като числена стойност след преобразуването ще бъде точно 512. Принципна схема на входните измервателни вериги на импедансното реле е показана на фиг. III-7.

фиг. III-7 Аналогови входове на импедансно реле RIS-2

Опорното напрежение Uref = 3.072V, като при 1024 стъпки на преобразуване

е по 3 mV на стъпка. Максималното входно напрежение, което може да се

29

измерва е ±1.536V или Uref/2. Числовият резултат от измерваното по гореописания начин входно напрежение се получава по следния начин:

( ) 10241.536 . 5123.072

D X VV

= + − (3.19)

където D е числовият резултат, а X е измерваното входно напрежение. Оттук следва, че при входно напрежение X=0 от (3.19) се получава D=0.

При двете гранични стойности на входното напрежение X=±1.536V резултатът от (3.19) за D ще бъде ±512. След преобразуването на двуполярни аналогови сигнали резултатите са 9-битови. Един бит се „загубва“ за указване на знака за полярност. За измерване на ток се използва специален токов трансформатор TT1 с два

входа за 5A и 1A (фиг. III-7), като и при двата входа преводното отношение е 1000. Големината на товарния резистор RТТ зависи от преводното отношение на токовия трансформатор в тяговата подстанция, като при ток на извода 7071Aeff върху RТТ се получава 1Veff (пиково 1.414V). По подобен начин се настройва делителят на напрежение R1НТ и R2НТ.

Според преводното отношение на напреженовия трансформатор, на шините в ТПС, се променя R2НТ така че върху него да има 1Veff – еквивалентно на 27500V на шините.

III.3.1 Алгоритъм на работа на импедансно реле RIS-2 Обобщеният алгоритъм по който работи импедансно реле RIS-2 е показан

на фиг. III-8 [41]. Постоянно във времето t през равни интервали от 1.25 ms чрез АЦП се

измерват моментни стойности за напрежението u1 и за тока i1 (входове AIN 1 и AIN 2). Последните 20 измерени моментни стойности, необходими за изчисленията, се помнят в буфери в паметта. Процесът на мерене и запомняне на моментните стойности (семпли) в буферите е илюстриран на фиг. III-9. След всяко поредно измерване стойностите влизат в буферите в първата

клетка като „избутват“ останалите стойности назад в буфера. Най-стария 20-ти семпъл отпада и се замества от 19-тия по ред. По този начин при всяко поредно измерване са налице последните 20 стойности за 25ms назад. С буферираните 20 стойности за напрежението и тока, на всеки интервал от

1.25ms, се изчисляват [41]: средноквадратичният ток

162

1

16

kk

iI ==

∑ (3.20)

средноквадратичното напрежение

162

1

16

kk

uU ==

∑ (3.21)

30

СТАРТ

Проверка на хардуера, нулиране на клетки в паметта, установяване на изходи в началното

състояние и стартиране на програмата.

ИЗМЕРВАНЕ на моментни стойности на uкм и iкм през интервал от 1.25ms. Запис в буфер на последните

20 измерени моментни стойности.

ИЗЧИСЛЕНИЯUкм; Iкм; P; Q; Q/P; Zкс.

Q/P > aa=1

Zкс < cc=15 Ohm

Zкс < bb=60 Ohm

ИЗКЛЮЧИ прекъсвач извод

ТО

ИЗКЛЮЧИ прекъсвач извод МТЗ + t(I)

ДА

ДА НЕ

ДА

НЕНЕ

Изчаква 0.5s

прекъсвач извод OFF?

ДА НЕ

Сигнал аларма за 1s

ПОКАЗВА на дисплея резултати;

Запис в архив;

фиг. III-8 Обобщен алгоритъм на работа на импедансно реле RIS-2

u1

i1

Буфери20 семпъла

uс

iс

t

1 20

фиг. III-9 Мерене и запомняне на моментни стойности на u и i

31

активна мощност

16

1.

16

k kk

u iP ==

∑ (3.22)

и реактивна мощност

16

41

.

16

k kk

u iQ

+==

∑ (3.23)

Токът пресметнат по (3.20) всеки път се проверява дали е по-голям от 500A. Това е пусковият орган на релейната защита. След настъпване на късо съединение и в зависимост от големините на т.к.с. още първите 2 до 5 измервания задействат пусковия орган. По-старите стойности в буферите са от измерванията преди аварията. За да се запълнят буферите със стойности измерени по време на късото съединение, след задействане на пусковия орган, измерването продължава още 20ms и тогава се стартира изчислителният орган. С допълнителния интервал от 20ms измерванията протичат по време на преходния процес със значително затихнала апериодична съставка. При задействане на изчислителния орган, от запомнените в буферите

моментни стойности, се пресмятат (3.20) до (3.23), както и: пълната мощност пресметната по P и Q 2 2

1S P Q= + (3.24) пълната мощност пресметната по U и I 2S U I= ∗ (3.25) коригиран ток за намаляване на грешката от апериодична съставка

1

2кор кор

SI I kS

= ∗ ∗ (3.26)

тук е въведен коригираш коефициент kкор, стойността на който ще се уточни след компютърни симулации. Очакваният диапазон е от 0.8 до 1.2, като първоначално е заложена стойност 0.95. Сега вече има необходимите данни и се пресмята импеданса до мястото на

късо съединение

кскор

UZI

= (3.27)

Пресмята се и дефазирането на вектора на тока спрямо напрежението на к.с.

Q

tgP

ϕ = (3.28)

След получаване на резултати от пресмятанията се определя къде според диаграмата на изключване, показана на фиг. III-10 попада късото съединение.

32

фиг. III-10 R-X диаграма на импедансно реле RIS-2

Ако пресметнатият по (3.27) импеданс се намира в зона c (Z<=25Ohm) то

извода се изключва незабавно (токова отсечка). При попадане на импеданса в зоните b, изводът се изключва със зависимо от тока времезакъснение, което за ТПС според [68] е:

( )32000.5 lns

кс

tI

δ

= ∗

(3.29)

За илюстрация на казаното до тук на табл. III-2 са показани времезакъснения, при няколко стойности на тока, пресметнати по (3.29).

табл. III-2 Времезакъснение според големината на тока на късо Iкс A 500 1000 1500 2000 2500 3000 δt s 0.928 0.582 0.379 0.235 0.123 0.032

Закъсненията при попадане на импеданса в зона b са ограничени в интервал

от 0s до 0.9s. Ако тези времезакъснения се нанесат на R-X диаграмата се получава триизмерната R-X-t диаграма показана на фиг. III-11.

33

фиг. III-11 R-X-t диаграма на импедансно реле RIS-2

III.3.2 Специфични особености на импедансно реле RIS-2 За нормална работа на импедансните защити е необходимо да се сфазират

напрежението и тока за работа в 1-ви квадрант на R-X диаграмата. При повечето импедансни защити зоните на задействане са несиметрични и са с максимална площ в 1-ви квадрант [32]. Тук е избрана симетрична диаграма в четирите квадранта по две основни

причини: - Защитата да работи нормално и при несфазирани входни сигнали; - При използване на импедансно реле RIS-2 в релейните защити на секционните постове, аварийният импеданс може да попада както в 1-ви, така и във 2-ри квадрант в зависимост от коя страна на секционния пост е късото съединение.

III.4 Резултати и изводи В тази глава са конструирани устройства за мерене по време на късо

съединение. Създаден е цифров указател за мястото на късо съединение в контактни

мрежи за променлив ток.

34

Разработен е алгоритъм и софтуер за елиминиране на апериодичната съставка в тока. Разработен е изчислителен алгоритъм при късо съединение през

електрическа дъга. Създадено е реле импедансно специално - RIS-2. Разработен е алгоритъм и съответният софтуер за RIS-2 за работа като

дистанционна релейна защита на изводи в тягови подстанции. Разработен е алгоритъм и софтуер за указател на разстоянието до повредата. Разработен е изчислителен алгоритъм за намаляване на грешките, при

определяне на разстоянието, от апериодичната съставка в тока.

Компютърни симулации на измервания в тягови мрежи с нелинейности

Извършването на контролирани и повтарящи се къси съединение в контактните мрежи при реални условия е тежка за изпълнение задача. При изкуствени къси съединения е доста сложно да се постигне повторяемост на експеримента особено ако късото трябва да бъде през нелинейност (електрическа дъга). Проблемът може да се реши чрез програми за работа с математически

симулационни модели на съоръжения, процеси и други. Изследваният процес може да се повтаря по един и същи начин колкото пъти е необходимо.

IV.1 Компютърен модел за изследване на тягова мрежа с нелинейности

IV.1.1 Компютърен модел на тягова мрежа с нелинейности Разработеният компютърен модел е в среда Matlab с използване на

библиотеките на Simulink. Моделирани са: захранващ тягов трансформатор, тягова мрежа, токов измервателен трансформатор и нелинейна верига за късо съединение [44]. Схемата на модела е показана на фиг. IV-1. В правоъгълник е оградена частта от схемата на нелинейната верига в мястото на късо съединение. Чрез задаване на различни параметри на елементите в нелинейната верига може да се симулират различни видове къси съединения. Ако UДЪГА=0 късото съединение е металическо. Ако късото съединение е през електрическа дъга то нейното начално напрежение се задава от VНАЧАЛНО. Елементът KV определя колко бързо да се разтегля дъгата (да се увеличава напрежението й) във времето. Моментът на възникване на късото съединение и неговата продължителност

се управляват от елемента „прекъсвач“. Импедансът на тяговата мрежа се задава като индуктивност и активно съпротивление на елемента „LR мрежа“. Стойностите се определят според дължината на участъка и специфичните стойности l0 и r0 за километър. Токът в тяговата мрежа се измерва през токов трансформатор TT с блока „Мерене I”. Стойностите се привеждат към първичната страна с блок „х800“ и се измерват на моментни стойности

35

(семпли) през 1.25mS от блок „семпли I”. Напрежението на шините в тяговата подстанция се измерва също през 1.25mS от блок „семпли U”.

фиг. IV-1 Модел за компютърна симулация на контактна мрежа с късо съединение и

измерване на ток и напрежение

Тъй като се симулират мощни електрически дъги се пренебрегва възможният диоден ефект в зоната анод-катод. Приема се, че дъгата е симетрична и в двете посоки на тока. Силно йонизирани електрически дъги с ток над 1000A могат да се класифицират като мощни. Активното вътрешно съпротивление на дъгата RД може да се задава от нула до необходимите за опита стойности. Обобщена заместваща схема на електрическа дъга е показана на фиг. IV-2.

UДЪГА

RД

фиг. IV-2 Обобщена заместваща схема на мощна симетрична дъга

Задачата тук е да се провери работата на разработеният модел и

достоверността на резултатите получавани от него. Направени са следните опростявания за условията при симулация и пресмятане на резултатите:

- Моментът на настъпване на късо съединение е подбран за да има малка апериодична съставка в тока при близките къси съединения;

- Токът и напрежението се пресмятат по (3.20) и (3.21);

36

- Импедансът до мястото на късо съединение ксUZI

= се изчислява без

да е коригирана апериодичната съставка в тока. С разработеният модел са направени симулации за четири различни

варианта на къси съединения на разстояние от 0,1 до 25,6 километра. Пресметнато е разстоянието до късото съединение по измерените и изчислени стойности, като е сравнено с действителното задаваното разстояние. Четири варианта за симулация с по девет дистанции до късото съединение са показани в табл. IV-1. При вар.1 късите са без дъга – металически. В останалите три варианта са през дъга с различно напрежение, като вар.3 е през „разтегляща“ се дъга, т.е. с нарастващо напрежение по време на късото съединение. Вътрешното съпротивление на еквивалента на електрическа дъга е 1 mOhm.

табл. IV-1 Симулация на къси съединения през нелинейности Lкс km.

0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 12,8 25,6

вар.1 Uдъга = 0 V; Rдъга = 0,001 Ohm вар.2 Uдъга = 500 V; Rдъга = 0,001 Ohm вар.3 Uдъга = 1800 – 2000 V; Rдъга = 0,001 Ohm вар.4 Uдъга = 3000 V; Rдъга = 0,001 Ohm Графични резултати при две от симулациите са показани по-долу.

Осцилограма при металическо късо съединение на разстояние 0,1km е показана на фиг. IV-3. На същото разстояние, но през нарастваща дъга - фиг. IV-4. От показаните осцилограми се вижда, че разработения модел работи добре. Формата на тока и на напрежението при късо съединение през дъга са близки до получените от измервания в реални условия [42].

фиг. IV-3 Металическо късо съединение на разстояние 0.1 km

37

фиг. IV-4 Късо съединение през удължаваща се дъга на разстояние 0.1 km

На разработения компютърен модел са изпълнени симулации на 4-те

варианта, за всеки от тях по 9 разстояния, с изходните данни от табл. IV-1. Разликите между пресметнатото чрез модела разстояние до късото съединение Lк arc и зададеното реално Lк са показани в графичен вид на фиг. IV-5. За основа при сравненията е варианта с металическо късо съединение.

фиг. IV-5 Разлики между изчислени и зададени разстояния при различни варианти

на къси съединения

38

И при четирите варианта има грешка в пресметнатото разстояние до късото. Най-малка е тя при металическо късо. При този вариант за близките къси съединения грешката е почти нулева. След това нараства до около 400 метра при разстояние 25.6 km. В останалите случаи има една постоянна съставка на грешката, която зависи от напрежението на дъгата. Един от основните източници на грешка и при това непостоянен е апериодичната съставка в тока. Големината и знака й зависи от момента на настъпване на късото съединение и от дължината на контактната мрежа. За да могат да се провеждат виртуални експерименти с къси съединения при

които да се проверява действието и резултата от работата на коригиращи алгоритми е наложително да се разработи модел с по-голяма функционалност.

IV.1.2 Компютърен модел на устройство за измерване в тягова мрежа с нелинейности

Като цяло компютърният модел е подобен на фиг. IV-1. Добавен е товар (Локомотив) с мощност като на средно натоварен локомотив. По този начин в интервалите от време преди и след късото съединение има товарен ток. Схемата на модела е показана на фиг. IV-6. Елементите за симулация и мерене са същите като на модела разгледан по-

горе. С по-плътна линия е ограден моделът на електрическа дъга. За задаване на начални параметри, запомняне на резултатите от симулации,

пресмятания и емулиране работата на устройство за измерване е написана програма в средата на Matlab.

фиг. IV-6 Модел за компютърна симулация на устройство за измерване в тягова

мрежа с нелинейности В модул от програмния код в Matlab се стартира Simulink с модела на

контактна мрежа, предават му се стойности на елементите за всеки от вариантите и се стартира симулацията. Това в случая става 36 пъти (4 варианта к.с. с по 9 дължини). Получените моментни стойности, през интервали от 1.25ms, за напрежението и тока се запомнят в два масива. След това може да се извършват пресмятания и сравнения на получените резултати.

39

Показаният на фиг. IV-7 модул е програмна емулация на устройство за мерене по време на къси съединения. Тук е емулиран алгоритъма на работа на реле импедансно специално „RIS-2”. Пусковият орган на защитата следи кога токът ще надвиши 500A и стартира

изчислителния орган. Премятанията се извършват според алгоритъма на работа на RIS-2 по формули (3.20) до (3.28). Вариантите за симулация на работата на RIS-2 с модела са показани в табл. IV-2.

табл. IV-2 Симулации на работата на RIS-2 Lкс km.

0,1 3,0 6,0 10,0 13,0 16,0 20,0 24,0 26,0

вар.1 Uдъга = 0 V; Rдъга = 0,05 Ohm вар.2 Uдъга = 500 V; Rдъга = 0,05 Ohm вар.3 Uдъга = 1800 – 2000 V; Rдъга = 0,05 Ohm вар.4 Uдъга = 3000 V; Rдъга = 0,05 Ohm

фиг. IV-7 Пресмятания по алгоритъма на устройство за мерене

40

От резултатите след симулации за четирите варианта от табл. IV-2 ще разгледам по-подробно само тези за вар.1 и за вар.3. Това са най-често случващите се къси съединения в тяговите мрежи – металическо и през удължаваща се дъга. За проверка на влиянието на апериодичната съставка в тока и на алгоритъма

за нейното коригиране са направени симулации при четири начални момента на късото съединение съответно с различна начална големина и посока на апериодичната съставяща. За запознаване с резултатите тук ще покажа два от изследваните варианта.

1. Късото съединение става 0.025s след началото – в тока почти няма апериодична съставка.

фиг. IV-8 Близко късо съединение през дъга без апериодична съставка – 0.025s

фиг. IV-9 Грешка при определяне на разстоянието без апериодична съставка

41

Грешката при определяне на разстоянието с коригиран ток Iкор е отрицателна, като в края на участъка достига до -5km. При липса на апериодична съставка в тока, коригирането на I1 увеличава грешката но в правилната отрицателна посока.

2. Късото съединение става 0.020s след началото – в тока има голяма апериодична съставка в положителна посока.

фиг. IV-10 Близко късо съединение през дъга с голяма положителна апериодична

съставка – 0.020s

фиг. IV-11 Грешка при определяне на разстоянието при голяма положителна

апериодична съставка При голяма апериодична съставка в тока, корекцията намалява

чувствително грешката най-вече в края на участъка.

42

IV.2 Резултати и изводи В тази глава са направени компютърни модели на тягова мрежа с къси

съединения през нелинеен елемент. В средата на Matlab е разработена програма за емулиране работата на

цифрова импедансна защита RIS-2. След симулации при различни варианти на к.с. са получени резултати от

работата на RIS-2. От резултатите може да се видят грешките при определяне на разстоянието до мястото на късо съединение. Разработените модели могат да се използват за изследване на нови

алгоритми за коригиране на грешки.

Заключение Основните резултати, получени в дисертационният труд, помагат за

усъвършенстване на устройствата за измерване и защита в тяговите подстанции за еднофазен променлив ток с промишлена честота. Те са обобщени както следва:

Научни приноси 1. Разработен е симулационен модел на мощна електрическа дъга с възможност за динамична промяна на дължината й;

2. Разработен е компютърен симулационен модел в среда Matlab на импедансно реле и тягова мрежа с нелинейности; Научноприложни приноси

3. Извършени са физически експерименти с къси съединения през електрическа дъга;

4. Разработен е микропроцесорен цифров указател на мястото на късо съединение за контактни мрежи 25kV;

5. Създаден е изчислителен алгоритъм за елиминиране на влиянието на апериодичната съставка в тока за цифрови указатели на мястото на късо съединение;

6. Изпробван е в реални условия изчислителен алгоритъм за пресмятане на разстоянието до късото съединение при наличие на електрическа дъга;

7. Разработено е микрокомпютърно импедансно реле за защита на изводи в тягови подстанции за променлив ток;

8. Разработен е алгоритъм и програмно осигуряване за осъществяването му в импедансно реле RIS-2; Приложни приноси

9. Изработена е изпитвателна уредба за къси съединения през принудително разтегляни електрически дъги;

10. Произведени са и се намират в експлоатация 67бр. ЦУМКС, покриващи 90% от изводите на всички ТПС в България;

11. Произведени са и се намират в експлоатация 46бр. RIS-2, покриващи нуждите от импедансни защити по ж.п. линиите в България с нова локомотивна тяга.

43

В заключение поставените цели в глава I на дисертацията са реализирани. Разработените алгоритми и симулационни модели са полезни за практиката в етапа на проектиране на устройства с приложимост в тяговите подстанции за променлив ток.

Публикации свързани с дисертационната работа 1. Матов П.И., И.К. Ангелов, „Изчислителен алгоритъм за указатели на

мястото на късо съединение през електрическа дъга”, сп. „Железопътен транспорт”, брой 3, стр. 29-30, 2000.

2. Ангелов И.К., П.И. Матов „Установка за контролируемо разтегляне на открити електрически дъги в контактни мрежи 25kV“. Годишник на ТУ-София, том 59, книга 1, 2009г., страница 144 – 150.

3. Ангелов И.К. „Хардуерна реализация на импедансно реле за тягови мрежи 25kV”. Годишник на Техническия Университет - София, том 60, книга 2, 2010г., страница 193 – 198.

4. Ангелов И.К. „Алгоритъм на работа на импедансно реле за тягови мрежи 25kV”. Годишник на Техническия Университет - София, том 60, книга 2, 2010г., страница 199 – 203.

5. Ангелов И.К., П. Матов. „Импеданси на 25kV тягови мрежи с къси съединение през електрически дъги”, IV научна конференция, ЕФ 2012, том 1, стр. 11-20, Созопол, 28 септември – 1 октомври, 2012.

6. Ангелов И.А., Н.С. Матанов „Изследване работата на импедансно реле RIS-2 в тягови мрежи при къси съединения“. Годишник на Техническия Университет - София, том 63, книга 5, 2013г., страница 383 – 388.

7. Ангелов И.К. Н.С. Матанов „Софтуерен симулатор на импедансно реле RIS-2 и тягова мрежа 25kV“. Годишник на Техническия Университет - София, том 64, книга 3, 2014г.

44

Abstract

When damage occurs in the overhead contact line the relay protection switch off this conclusion in traction substation. In providing accurate information about the distance to the fault, has reduces the time to locate the defective item.

This thesis examines problems in the event of an emergency during the operation of electricity traction systems.

Addressed are diverse causes of accidents which may be interrupted wires, increasing the resistance of the circuit, deviation of electric current on side roads (leakage) or a sharp deterioration of insulation (short circuits);

The first chapter is a critical literature review and has set the objective to solve the tasks in the thesis.

Physical experiment with short circuits by electric arcs is made in the second chapter. Made a computer simulation of short circuit through an electric arc.

In the third chapter are developed measuring device during short circuits. Made a numerical indicator of the location of a short circuit. And digital impedance protection relay.

In the fourth chapter are developed computer models of the measuring device in traction networks with non-linearity. Modeling is a powerful electric arc. Development model can check the operation and algorithms for digital protection relays.

Theсе results can be used in future studies and for practical verification of algorithms for distance protection.