«Разработка инновационной технологии определения места короткого замыкания тяговой сети переменного тока»

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы дис- сертации, её научное и практическое значение, связанное с повышением точности определения места короткого замыкания в тяговой сети переменного тока, сфор- мулированы цель и задачи исследований, излагаются подходы и методы исследо-
ваний, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приводится анализ известных способов и технических средств определения места короткого замыкания (КЗ) в тяговой сети, проанали-
зированы неоднородности элементов структуры тяговой сети.
Устойчивое КЗ в тяговой сети железной дороги является аварией, которая
вызывает вынужденный простой поездов. Методы определения места КЗ в линиях электропередач высокого напряжения в полной мере не могут быть использованы
из-за специфики тяговых сетей. Наиболее приемлемыми для тяговых сетей пере- менного тока являются дистанционные методы.
На практике при устойчивых КЗ повреждения обнаруживают поочередным отключением продольных разъединителей, которыми контактная сеть разделена на участки (секции), и последующим опробованием контактной сети включением фидерного выключателя. Для снижения износа силового оборудования осуществляется контроль уровня наведённого напряжения в поврежденной отключённой линии от соседнего пути и линии продольного электроснабжения два провода-рельс (ДПР). Точность этого метода зависит от длины секций.
На железных дорогах Австрии (компания Frauscher) для определения места короткого замыкания исследуют технологию распределенного акустического зон- дирования волоконно-оптического кабеля, проложенного параллельно железнодо- рожным путям («Технология DAS»). Эта технология позволяет регистрировать и анализировать деформации волоконно-оптического кабеля, вызванные акустиче- скими сигналами, сопровождающими короткое замыкание. Предполагается, что место короткого замыкания может быть определено этим методом с точностью 10 м. Подобные исследования проводятся и на железных дорогах Германии (FOS – Fiber Optic Sensing), США (BNSF, компания Opta Sense), Японии (компания JR East). Однако на результаты измерений могут влиять более 20 параметров: энерго- емкость короткого замыкания; расстояние от дуги до волоконно-оптического ка- беля; окружающий шум (дождь, ветер, проходящие поезда и т.д.). «Технологию DAS» не выгодно использовать для решения отдельной проблемы. Её реализация будет выгодна лишь при решении комплекса проблем на железной дороге, что свя- зано с большими капитальными вложениями.
Наибольшее распространение в тяговых сетях переменного тока в нашей стране получили дистанционные методы, анализирующие место повреждения по параметрам аварийного режима.
В основу самого раннего метода дистанционного определения места повре- ждения был заложен принцип измерения полного сопротивления петли короткого замыкания и названого «метод Z». На его основе был создан указатель места ко- роткого замыкания (УКЗН), принцип работы которого был использован ВНИИЖТом в серии приборов определения места короткого замыкания ОМП (ОМП-68, ОМП-71, ОМП-73, Лисна), которые были включены в систему телеме- ханики. Однако желаемых результатов не было достигнуто из-за низкой точности определения места повреждения.
С появлением системы электроснабжения 2х25 кВ был предложен метод и устройство, при котором по отношению токов, измеренных на питающих подстан- циях в момент КЗ, можно судить об удалённости места КЗ. Нелинейный характер этих отношений и влияние уравнительного тока создавали значительную погреш- ность. Хороший результат при одностороннем питании контактной сети давал «ме- тод Х», основанный на зависимости индуктивного сопротивления от расстояния до места повреждения. При двустороннем питании на точность этого метода влияет сопротивление дуги.
Использование индуктивно развязанных схем замещения тяговой сети, в со- четании с применением вычислительной техники, цифровых методов измерений
токов и напряжений, способствовало появлению новых методов определения ме-
ста короткого замыкания в контактной сети. Существенным успехом в разработке
методов определения места короткого замыкания является появление методов,
учитывающих сопротивление дуги. Эти методы, являющиеся развитием и уточ-
нением «метода Х», получили названия ОМП-Х1 и ОМП-Х2. В методе ОМП-Х1
впервые применено удельное индуктивное сопротивление рельсовой цепи x’ , p,mν
которое вычисляется методом последовательных приближений. Расчётная фор- мула метода ОМП-Х2, в которой учитывается сопротивление дуги RД, имеет сле- дующий вид:
l
К
= UAej(φ1-αэ)-IKRДеj(δA-αЭ-αN) = UA sin (φ1-δA+αN) , I’z I’z sin(α -δ +α )
(1.1)
где UA – напряжение на шинах подстанции А;
IK – ток короткого замыкания;
I’ – ток фидера с повреждённой контактной сетью; 1
φ – угол между током I’ и напряжением U ; 11A
1Э 1ЭЭAN RД= UAsin(φ1-αЭ) ,
IK sin (δА-αЭ-αN)
zЭ и αЭ– модуль и аргумент удельного сопротивления Э петли КЗ; DA, δА – модуль и аргумент комплекса DА ;
N, αN – модуль и аргумент комплекса N.
Для определения lК необходимо в момент КЗ измерить параметры петли короткого замыкания UA, I’ , φ , затем вычислить углы α , δ , α и модуль эквива-
11 ЭАN лентного удельного сопротивления Э.
Недостатками метода являются: зависимость углов αЭ, δА, αN от схемы пи- тания и от искомого расстояния lК , что вызывает необходимость применения ме- тода последовательных приближений.
Среди современных технических средств, имеющих функцию определения места короткого замыкания, следует отметить интеллектуальный терминал питаю- щей линии тяговой сети 27,5 кВ ИнТер-27,5-ФКС, который реализует функцию определения места повреждения (ОМП) в контактной сети по специальной мето- дике. Методикой предусмотрен опыт короткого замыкания без дуги, по результа- там которого вычисляется погонного сопротивления x0 индуктивной составляю- щей параметра петли короткого замыкания по формуле x0 = Z1 sinφ1 / LАВ, где LАВ – длина межподстанционной зоны.
При реальном коротком замыкании терминал измеряет параметры петли ко- роткого замыкании, вычисляет индуктивную составляющую петли ХКЗ и рассчитывает расстояние LКЗ до места короткого замыкания по формуле LКЗ = ХКЗ / х0, где ХКЗ – индуктивная составляющая петли при реальном КЗ.
Недостатками применяемой методики являются: 7

1. Погонное сопротивление x0 представляет среднюю величину, в которой нивелированы реальные места расположения неоднородных элементов тяговой сети вдоль пути.
2. При реальных КЗ с дугой и двустороннем питании расчёты будут давать погрешность, так как дуга при двустороннем питании влияет на х0.
Эти недостатки приводят к тому, что погрешность при определении места КЗ может достигать 1 км. По этой причине функция определения места КЗ в устройствах ИнТер-27,5-ФКС имеет ограниченное применение.
Тяговая сеть железных дорог переменного тока представляет сложную не- однородную электрическую цепь, в которой можно выделить следующие неодно- родности: разнообразие схем питания тяговой сети; неравномерный износ кон- тактных проводов вдоль пути; применение разных типов подвесок контактной сети вдоль пути; наличие тросов группового заземления, имеющих прерывистый характер включения вдоль пути; наличие поперечных соединений проводов кон- тактной сети; наличие рельсовых междупутных перемычек; наличие участков тя- говой сети с различной шириной сближения путей; сезонный характер сопротив- ления системы рельсы-земля; зависимость сопротивления рельсовой цепи от то- ков КЗ; влияние утечки токов на удельное сопротивление тяговой сети; варианты взаимного влияния элементов тяговой сети; неоднородность схемы внешнего электроснабжения. К перечисленному списку можно добавить случайный харак- тер переходного сопротивления дуги в месте короткого замыкания.
Значительными теоретическими достижениями в проблеме определения ме- ста КЗ являются разработанные аналитические методы, в которых учитывается со- противление дуги и переходное сопротивление системы рельсы-земля. Однако про- блема определения места КЗ до сих пор остаётся актуальной, поскольку аналитиче- ские методы требуют сложных, громоздких выводов и измерений значительного количества параметров: напряжений, токов и фазовых углов. При этом неучтенным остаётся большинство перечисленных выше неоднородностей тяговой сети.
Во второй главе выполнен анализ взаимного влияния параметров тяговой сети и дуги на параметры петли короткого замыкания. Дуга является главным де- стабилизирующим фактором при определении места повреждения в тяговой сети, поскольку её параметры меняются в широком диапазоне и имеют случайный ха- рактер. В данной главе изложены результаты аналитических и компьютерных ис- следований условий влияния дуги на параметры петли короткого замыкания. Ис- следования проводились в широком диапазоне значений параметров дуги и рас- стояний до места КЗ. Установлено, что при схеме двустороннего питания дуга создаёт в сопротивлении петли короткого замыкания дополнительную индуктив-
ную составляющую r jIr1Ix2–jIx1Ir2, числитель которой равен нулю только при от- Д I2r,1+I2x,1
сутствии уравнительного тока.
Влияние дуги на другие параметры петли КЗ – Z, R, Х, φ исследовалось на
компьютерной модели при схеме двустороннего питания и сопротивлениях ZД (0-10 Ом) и расстояниях до места КЗ LЗ (0-24 км). Полученные графические зависимости (Z, R, Х, φ)=f(LЗ, ZД ), представлены на рисунке 1.
а) б)
в) г)
Рисунок 1 – Влияние сопротивления дуги на полную (а), активную (б), индуктивную (в) составляющие и фазовый угол (г) сопротивления петли КЗ
при двустороннем питании
На рисунках видно, что при ZД = 0 графики всех параметров петли КЗ ли- нейны, но по мере роста сопротивлений дуги становятся нелинейными (рисунок 1а, б, г). График индуктивной составляющей на рисунке 1в остаётся практически линейным, дуга меняет лишь его ширину.
Дуга существенно влияет на разброс параметров петли КЗ, граница которых составляет: по активному сопротивлению 12,5-20 Ом; по полному сопротивлению 12,5-15 Ом; по индуктивному сопротивлению 0,5-0 Ом; по фазовому углу 60 – 31 градусов. Поскольку фазовый угол является одним из трёх параметров, измеряе- мых в момент короткого замыкания, использование его при разработке нового метода определения места КЗ является актуальным.
Взаимная индуктивность смежных путей является неоднородностью, кото- рую следует учитывать. Влияние этого фактора и дуги на параметры петли КЗ исследовалось при двух схемах питания: консольно-кольцевой и двустороннего питания. Аналитический анализ показал, что при схеме двустороннего питания и уравнительном токе взаимная индукция и дуга изменяют не только индуктивную, но и активную составляющую петли КЗ.
На графических зависимостях (Z, R, Х, φ)=f(LЗ, ZД, ZM), рассчитанных на компьютерной модели, показано, что взаимная индуктивность и дуга придают им нелинейность и разброс. Например, на 24 км при ZД=0 взаимная индуктивность из- меняет параметр Х на 12,5 Ом; R на 7,5 Ом; φ на 5 градусов.
9

Третья глава посвящена компьютерному моделированию тяговой сети переменного тока для решения задач определения места короткого замыкания. Существующие методы определения места короткого замыкания, базируются на аналитических моделях и эквивалентировании элементов тяговой сети с целью упрощения. Определение места короткого замыкания в тяговых сетях связано с расчётом тока короткого замыкания и на этой основе получение параметров петли короткого замыкания. Для повышения точности определения места КЗ, необходимо расчёт токов КЗ производить на моделях с повышенной детализацией структуры тяговой сети. Современные компьютерные технологии позволяют успешно решать подобные задачи.
Детализированная компьютерная модель должна отвечать следующим тре- бованиям: максимально учитывать неоднородности тяговой сети; иметь мини- мальную степень эквивалентирования элементов контактной сети, рельсов, бал- ластной призмы; иметь сопряжение блока рельсов с объёмным блоком много- слойной земли с целью приближения к реальным условиям утечки токов вдоль пути; максимально учитывать взаимную индуктивность элементов тяговой сети.
Платформой моделирования был выбран Matlab, а математическим аппара- том – матричный анализ. Это позволило заменить составление сложных расчётных формул, применяемых при аналитических моделях, компьютерным моделирова- нием тяговых сетей, имеющих множество элементов взаимного влияния. Одним из важных преимуществ матричного анализа является то, что алгоритм решения урав- нений не зависит от схемы электроснабжения и степени её детализации, а матрица сопротивлений ветвей достаточно просто учитывает собственные и взаимные со- противления ветвей схемы.
В данной главе исследовалось влияние степени детализации моделей на параметры петли короткого замыкания при различных схемах питания тяговой сети. Моделирование выполнялось поочерёдно для каждой отдельно взятой неоднородности, чтобы оценить эффективность её учёта.
При моделировании неоднородности структуры тяговой сети однопутного участка с односторонним питанием рассмотрено влияние степени детализации элементов тяговой сети на параметры петли короткого замыкания (рисунок 2).
На рисунке 2 представлены три варианта моделей однопутного участка с односторонним питанием, в которых с различной степенью выполнена детализация только элементов системы рельсы-земля, но контактная сеть при этом оставлена эквивалентированной по известным формулам.
На рисунке 2,а представлена модель No 1, в которой рельсовая цепь пред- ставлена эквивалентированным сопротивлением рельсы – земля Р. В модели No 2 (рисунок 2,б) применено размещение переходных сопротивлений системы рельсы-земля по длине участка, т.е. сделана попытка приближения схемы к реаль- ным условиям. Это позволяет учесть неравномерное распределение токов в рель- сах за счёт утечки токов в землю. В модели No 3 (рисунок 2,в), по сравнению с моделью No 2, смоделирована земля с верхним и нижним слоями на глубину 10 метров.
0км 1км 2км 3км 4км 5км 6км 7км 8км 9км 10км 11км 12км 13км 14км 15км 16км 17км 18км 19км 20км 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
ЭК zэк 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
zмэкр КЗ
ТП
Р0 zр 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 22
а)
0км 1км 2км 3км 4км 5км 6км 7км 8км 9км 10км 11км 12км 13км 14км 15км 16км 17км 18км 19км 20км 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
ЭК zэк 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 ТП
41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23
zмэкр 41
КЗ 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 22
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23
Р0 zр З zз
0км 1км 2км 3км 4км 5км 6км 7км 8км 9км 10км 11км 12км 13км 14км 15км 16км 17км 18км 19км 20км 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
ЭК zэк 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 ТП
zмэкр КЗ 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23
Р0 zр 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 22 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61
З zз 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 83 82 81 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64
ГЗ zгз 80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 63
в)
Рисунок 2 – Варианты моделей однопутного участка тяговой сети с
односторонним питанием и различной степенью детализации
Численные значения элементов моделей принимались для следующих условий: рельсы Р65; контактная подвеска ПБСМ70+МФ100; переходное сопротивление рельсы-земля 3 Ом; проводимость земли 5⋅10-3См/м; расстояние
между контактной сетью и рельсами 6,55м.
На рисунке 3,а показано влияние степени детализации на индуктивное
сопротивление петли КЗ, а на рисунке 3,б влияние на фазовые углы петли КЗ.
а) б)
Рисунок 3 – Влияние степени детализации модели на индуктивную
составляющую сопротивлений и фазовые углы 11
43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61
42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62
б)
123 82 Zп 122 83
82 Zп 81
79
Zп
121 84 120 85 119 86 118 87 117 88 116 89 115 90 114 91 113 92 112 93 111 94 110 95 109 96 108 97 107 98 106 99 105 100 104 101 103 102
78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63
Zд 62
Zд Zд

Анализ представленных графиков показывает по каждому отдельному параметру, что детализация элементов рельсовой цепи и земли на модели No 3 уменьшает погрешности в определении места повреждения при глухом КЗ по сравнению с моделью No 1 максимум по активной составляющей на 3,77 %; по индуктивной составляющей на 21,74 %; по полному сопротивлению на 14,06 %; по фазовому углу на 5,87 %.
На модели No 3 было проведено короткое замыкание на 20 км с дугой 3 Ом. Распределение тока КЗ в рельсах, в верхнем и нижнем слоях земли представлены на рисунке 4.
Рисунок 4 – Графики распределения токов в рельсах, в верхнем и нижнем слоях земли при КЗ
Экспериментальные исследования, проведенные в Центре физико-техниче- ских проблем энергетики Севера КНЦ РАН на действующем однопутном участке переменного тока, показали, что доля тока в рельсах составляет 45-65 % от тяго- вого тока. Это качественно соответствует результатам, представленным на ри- сунке 4 и подтверждает адекватное моделирование процессов на модели No 3.
В диссертации приведены фрагменты моделей тяговых сетей, на которых исследовалось влияние троса группового заземления и износа контактного провода параметры петли короткого замыкания.
Учёт троса группового заземления изменяет параметры петли КЗ: по активной составляющей на 7,22 %; по индуктивной составляющей на 1,79 %; по полному сопротивлению на 3,55 %; по фазовому углу на 2,78 %.
Учёт износа проводов изменяет параметры петли КЗ нового контактного провода по отношению к изношенному: по активной составляющей на 2,86 %; по индуктивной составляющей на 4,91 %; по полному сопротивлению на 5,03 %; по фазному углу на 0,93 %.
В диссертации на трёх моделях двухпутного участка с двусторонним пита- нием длиной 54 км выполнены аналогичные исследования влияния степени дета- лизации на параметры петли короткого замыкания. Дополнительно на этом участке исследовалось влияние сезона и уширения междупутья. Например, изме- нение переходного сопротивления с 1 Ом·км на 10 Ом·км влияет на расхождение параметров петли КЗ по активной составляющей на 6,06 %; индуктивной состав- ляющей на 1,92 %; полному сопротивлению на 2,38 %; фазовому углу на 2,04 %.
На рисунке 5 представлен фрагмент модели двухпутного участка двустороннего питания с усиливающим и экранирующим проводом (ЭУП). Взаимные сопротивления элементов показаны стрелками и внесены в соответствующие матричные формы.
0км У1
ЭК1
Э1
Р1
zпр1з1 З1
zпз1гз1 ГЗ1
zгз1гз2 Lкз
1км zу1
zу2
zэк 1
zэк 2 КЗ
zэ1 zэ2
2км zму1у2
zму1эк1 zму1эк2
zму 1
zм
ΔL
zф11 У2
zф12
zтп1 ЭК2 ТП 1
Э2 zоф11
zоф12 Р2
zпр2з2
З2 zпз2гз2
ГЗ2
zр1 zр2 zз1 zз2 zгз1 zгз2
zмз1з2 zмз1гз1
э1 zму2э1
у1э2 zму2э2
zму 1р1 zму 2р1
zму 1р2 zму 2р2
zму1з1
zму1з2
zму1гз1
zму1гз2
zму2эк1
zму2эк2
zмз2гз1
zмз2гз2
zму2з2
zму2гз1
zму2гз2 zмгз1гз2
zмэк1эк2
zму2з1 zмэк1з1
zмэ к1э1
zмэ к1э2
zмэ к1р1
zмэ к1р2
zмэ к2э1
zмэ к1з2 zмэ к2з2
zмэ к2э2
zмэ к1гз1 zмэ к2гз1
zмэк1гз2
zмэ к2р1
zмэ к2р2
zмэк2з1
zмэк2гз2
zмэ1э2
zмэ1р1
zмэ1р2
zмэ1з1
zмэ1з2
zмэ1гз1
zмэ2р1
zмэ2р2
zмэ1гз2 zмэ2гз2
zмэ2з1
zмэ2з2
zмэ2гз1
zмр1р2
zмр1з1
zмр1з2
zмр1гз1
zмр1гз2
zмр2з1
zмр2з2
zмр2гз1
zмр2гз2
zмз1гз2
Рисунок 5 – Фрагмент детализированной модели тяговой сети двухпутного участка двустороннего питания с ЭУП
В тяговой сети с ЭУП основные неоднородности связаны с повышенным количеством поперечных связей. Усиливающий провод соединён с контактной подвеской через каждые 600-800 м. Экранирующий провод заземляется на нулевые точки дроссель трансформаторов на расстоянии не менее 4 км. На схеме (рисунок 5) не показаны поперечные соединения между рельсовыми цепями и экранирующими проводами первого и второго пути. Они учтены в модели и располагаются через каждые 4 км.
На схеме также не показан пост секционирования. Он учтен в модели и располагается на 27 км. Взаимные сопротивления всех элементов тяговой сети показаны стрелками и внесены в соответствующие матричные формы.
На модели с ЭУП исследовалось влияние неоднородности тяговой сети в виде поперечных связей контактного и усиливающего проводов, а также экранирующего провода и рельсов на параметры петли КЗ.
Неоднородность тяговой сети, вызванная поперечными связями проводов в системе с ЭУП, создаёт волновые пульсации на графиках параметров петли КЗ.
Рисунок 6 – Влияние удаленности места КЗ на фазовый угол сопротивления петли КЗ при схеме двустороннего питания двухпутного участка с ЭУП
В диссертации рассмотрен вопрос о влиянии токов короткого замыкания на удельное сопротивление рельсовой цепи. В нормальных режимах работы принимают допущение о том, что сопротивление рельсов zР не зависит от протекающего тока. Это создаёт допустимые погрешности в поставленных
Zд

задачах. При коротких замыканиях ток в рельсах может принимать значение нескольких сотен и тысяч ампер на одну рельсовую нить (рисунок 7), что значительно превышает ток рабочего режима, а напряжённость магнитного поля может превышать порог насыщения рельсовой стали Н=10–12А/см.
Рисунок 7 – Распределение тока близкого короткого замыкания в тяговой сети при схеме двустороннего питания
Величина тока КЗ в рельсах зависит от места короткого замыкания. Ток распределяется неравномерно в рельсах вдоль пути за счёт утечки в землю. Эту неоднородность достаточно сложно учесть аналитически. Компьютерное моделирование позволяет схемным путём учесть распределение тока в рельсах с учётом свойств балластной призмы и земли. Компьютерная модель позволяет разбить участок рельсовой цепи на отрезки длиной Δх и определять сопротивление каждого такого отрезка с учётом протекающего по нему тока.
Существуют методики, которые позволяют по известному току рассчитать соответствующее сопротивление рельсов. По фактической напряжённости магнитного поля вычисляют заранее полное сопротивление отдельных отрезков рельсов Δх. Полученные сопротивления ̃Р заменяют в матрицах справочное сопротивление Р, по которому выполнялся первый расчёт. Затем выполняется повторный расчёт параметров петли короткого замыкания.
В таблице 1 приведены для сравнения значения сопротивлений петли КЗ при значениях сопротивлений Р и ̃Р.
Таблица1 – Сравнительная оценка параметров петли КЗ при сопротивле-
ниях ̃Р и Р
Наименование параметров петли КЗ rКЗ, Ом
xКЗ, Ом
ZКЗ, Ом
φКЗ, град
Значения параметров петли КЗ
при Р 7,55 8,66 11,49 48,92
при ̃Р 8,20 8,84 12,06 47,16
Учёт влияния токов на сопротивление рельсов позволяет существенно уменьшить погрешность при определении места КЗ. Предлагается при составлении базы данных кластеров (глава 4), содержащих расчётные параметры петель КЗ, расчёты производить в два этапа: сначала производить расчёт токов КЗ
без учёта влияния его на сопротивление рельсов, а затем по величине тока КЗ уточнять сопротивление рельсов и производить окончательный расчёт параметров петли короткого замыкания. Эти расчёты должны производиться при разных значениях сопротивлений дуги.
В четвёртой главе рассматривается предлагаемый метод определения ме- ста короткого замыкания – метод «С», основанный на сравнительном анализе рас- считанных и измеренных параметров петель коротких замыканий.
Приведены теоретическое и математическое обоснования метода. Пока- зано, что каждое место короткого замыкания имеет некоторый образ в виде мно- жества параметров петли короткого замыкания, характерных для этого места. Предлагается определять место короткого замыкания по результатам сравнения множества {Х}, содержащего измеренные параметры петли КЗ, которые полу- чены техническими средствами в момент КЗ, с рассчитанными заранее множе- ствами {х} параметров петель КЗ на множестве заданных вектором [L] мест ко- роткого замыкания.
Показано, что методология такого сравнения аналогична «Методу сравне- ния эталонов» в теории распознавания образов. При выполнении идентифика- ции образов важным моментом является оценка степени соответствия числен- ных значений измеренных и рассчитанных параметров петель КЗ. Параметры {х} рассчитываются на границах интервалов ∆Lk = Lk – Lk-1, на которые условно разделяется тяговая сеть (∆хk = хk – хk-1). Элементы Х и х считаются совпадающими, если хk ≽Х ≼хk-1. Количество совпадений [Y], при сравнении рассчитанных эле- ментов {х} с измеренными {Х}, суммируется. Столбец, в котором Y имеет наибольшее значение, указывает на место короткого замыкания.
Множества {х}в виде векторов-столбцов образуют матрицу [Мj]. Расчёты параметров {х} в составе матрицы [Мj] должны производиться при конкретных значениях сопротивлений дуги RД. Поскольку RД заранее не известно, предлага- ется расчёты {х} выполнять для множества значений дуги, заданных с опреде- лённым шагом в соответствии с элементами вектора-столбца [RД]. Это означает, что количество матриц [Мj] должно быть равно количеству элементов вектора- столбца [RД]. Множество матриц [Мj] образуют сводную матрицу [М]. Резуль- таты расчётов [М] сохраняются в базах данных присоединений.
Метод определения места повреждения контактной сети, основанный на сравнительном анализе измеренных и рассчитанных параметров петель коротких замыканий, предложено назвать метод «С».
Порядок формирования сводной матрицы [М] показан на примере двухпут- ного участка, представленного на рисунке 8.
ТПА
Ф1 Ф3 Iкз
Ф2 КЗ ПС Ф4 … …
ТПВ
L1L2 Lк Lm L
Рисунок 8 – Схема двухпутного участка с двусторонним питанием тяговой сети 15

Каждый участок тяговой сети L от подстанции до поста секционирования разбивается на «m» условных участков. Протяжённость каждого условного участка определяется разностью ∆Lk = Lk – Lk-1. Удобно принимать длину услов- ного участка равной длине пикета – 100 м. На границах выделенных участков [L0, L1, L2,…LК,…Lm] производится расчёт токов короткого замыкания при значе- ниях вектора сопротивлений дуги [Rд]. В результате получают множества расчёт- ных величин токов короткого замыкания {IР} и фазовых углов { Р}, по которым вычисляют производные параметры петель КЗ: RР – активное, XР – индуктивное и ZР – полное сопротивления. Численные значения этих параметров вместе с чис- ленным значениями фазового угла Р являются элементами (R0, X0, Z0, 0) век- торов-столбцов на множестве {х} матрицы [Мj]. Результаты расчётов {х} мат- риц [Мj] объединены в сводную матрицу [М] (рисунок 9), которая является од- ной из частей информационной базы конкретного присоединения.
Рисунок 9 – Структура матрицы [М]
Степень дискретности элементов вектора [Rд] влияет на точность определе- ния места КЗ. Изменяя шаг дискретности, можно свести до минимума фактор слу- чайности переходного сопротивления дуги.
Разработана структурная схема определения места короткого замыкания ме- тодом «С» (рисунок 10). На схеме изображены: место энергодиспетчера (2); интел- лектуальный терминал ИнТер-27,5-ФКС (1); блок передачи данных (1); блок по- иска баз данных (3), связанный с энергодиспетчером; кластер баз данных пара- метров коротких замыканий (4); блок передачи конкретной базы данных (5); опе- рационный блок поиска места КЗ (6), который связан с рабочим местом энерго- диспетчера. Существующая автоматизированная система управления электро- снабжением (АСУЭ) обеспечивает связь рабочего места энергодиспетчера с ин- теллектуальными терминалами ИнТер-27,5-ФКС тяговых подстанций.
Центральным местом схемы является кластер (4), в котором размещены базы данных расчетных параметров петель КЗ. Каждая такая база содержит ин- формацию по конкретной питающей линии: номер аварийной зоны, схему пита- ния, сезон, рассчитанные заранее блоки параметров петель КЗ в заданных точках зоны: сопротивления RР, XР, ZР и фазовых углов φР при разных значениях сопро- тивлений дуги.
от других присоединений
Поиск базы данных
Кластер Баз данных параметров петли короткого замыкания 4
Блок передачи найденной базы данных с параметрами петли короткого замыкания 5
Операционный блок
Рисунок 10 – Структурная схема определения места короткого замыкания методом «С»
В момент реального устойчивого КЗ интеллектуальный терминал фикси- рует измеренные параметры КЗ UИ, IИ, соsφР и передаёт их производные сопро- тивления ZИ, RИ, ХИ и фазовый угол φИ в операционный блок 6 (рисунок 10).
Одновременно из терминала ИнТер-27,5-ФКС диспетчеру поступает информация о номерах аварийной тяговой подстанции и аварийной питающей линии (фи- дера).
Диспетчер, убедившись, что КЗ является устойчивым, вводит в поисковую систему запрос, содержащий номер аварийной зоны, номер аварийного присо- единения (фидера), схему питания, погодные условия (сезон).
Поисковая система автоматически выбирает из кластера требуемую базу данных и отправляет ее в операционный блок. В операционном блоке происхо- дит совмещение измеренных параметров петли короткого замыкания с парамет- рами из базы данных по аварийной зоне (рисунок 9).
Определение места короткого замыкания в операционном блоке сводится к процедуре сравнения значений измеренных элементов множеств {RИ, XИ, ZИ, φИ} со значениями множеств {R0, X0, Z0, φ0} на участках [∆Lk], из которых состоит матрица рассчитанных производных параметров короткого замыкания (рисунок 9). При каждом сравнении производится суммирование количества попаданий значений элементов множеств {RИ, XИ, ZИ, φИ} в интервалы значений множества
Терминал интеллектуальный присоединений 27,5 кВ ИнТер- 27,5-ФКС
Блок передачи измеренных данных
U, I, cosφ 1
Энергодиспетчер
Условия поиска:
-No аварийной зоны
-No тяговой подстанции -No присоединения -схема питания
-сезон
Поиск места 6 повреждения
База данных No8
-аварийная зона No5 -параметры петли КЗ
присоединения No1 -сезон: Зима
База данных No1
-схема питания No3
-аварийная зона No5 -параметры петли КЗ
присоединения No1 -сезон: Зима
-схема питания No4

{R0, X0, Z0, φ0} в границах участков Lk+1…Lk при определенном значении дуги Rд. Участок ∆Lk с наибольшей суммой попаданий разноимённых элементов в область с определенным значением дуги Rд соответствует месту короткого замыкания. В матрице на рисунке 9 это интервал ∆Lk при значении дуги RД2 с наибольшим чис- лом попавших разноименных элементов 4. На способ определения места корот- кого замыкания получен патент на изобретение.
Оценка погрешности предлагаемого метода «С». Для оценки достоверно- сти результатов определения места короткого замыкания методом «С» проводи- лось сравнение его результатов с имеющимися экспериментальными данными па- раметров короткого замыкания, которые были получены на действующем участке. Эксперимент проводился с целью получения фактических данных пара- метров петли короткого замыкания через дугу при заданном месте короткого за- мыкания.
Для исследований был выбран двухпутный участок СКЖД Погорелово – Старая Станица – Сысоево, оборудованный системами регистрации и сбора данных. Этот участок явился полигоном для разработки и корректировки метода «С».
Рисунок 11 – Схема электроснабжения участка СКЖД Погорелово – Старая Станица – Сысоево
Тяговые подстанции Погорелово и Сысоево являются опорными. Между ними расположены промежуточная отпаечная подстанция Старая Станица и рай- онная подстанция Промзона. Серия из трёх коротких замыканий была проведена в апреле 2011 года на межподстанционной зоне Погорелово – Старая Станица на перегоне Тарасовка – Глубокая в трёх местах на фиксаторах опор: No 242 (998 км) – первое КЗ; No 352 (1001 км 3 ПК) – второе КЗ; No 360 (1001 км 5 ПК) – третье КЗ. Сезон проведения эксперимента: весна, t=15°C, пасмурно. Измерение пара- метров дуги КЗ выполнялось системой диагностики параметров подстанции СДПП.
Расчёт параметров короткого замыкания для матрицы [М]. По техноло- гии, описанной выше, на компьютерной модели был выполнен расчёт параметров короткого замыкания участка, на котором производился эксперимент. При со- ставлении модели использованы параметры трансформаторов подстанций и кон- тактной сети межподстанционной зоны Старая Станица – Погорелово. Параметры переходного сопротивления системы рельсы-земля выбраны в соответствии с
сезоном. Контактная сеть и рельсовая цепь были представлены самостоятель- ными элементами на каждом пути. Было учтено, что балластная призма опирается на глубокую землю. Расчёты проводились при параметрах дуги в предполагаемом диапазоне 0 – 10 Ом с шагом 0,1 Ом. Кроме того, при моделировании учтены кон- фигурация и параметры системы внешнего электроснабжения.
Практика расчётов показала, что границы интервалов разбиения участка ∆Lk не следует размещать в каждом столбце матрицы [М], а удобнее считать грани- цами интервалов смежные столбцы матрицы [М] (рисунок 12). Такой подход со- кращает объём вводимой информации.
Определение места короткого замыкания по результатам первого экспе- римента на 998км на опоре No 242
Рисунок 12 – Фрагмент матрицы [М] с результатом определения места КЗ по параметрам первого эксперимента
В верхней строке матрицы [М] (рисунок 12) приведены координаты отрез- ков пути с шагом 0,1 км, на которые разделена тяговая сеть. В крайнем левом столбце матрицы размещены наименования рассчитанных параметров петли короткого замыкания R, X, Z, φ. Каждому такому параметру соответствуют численные значения в горизонтальной строке. Во втором столбце матрицы размещен вектор-столбец [Rд], содержащий возможные параметры дуги с ша- гом 0,1 Ом. В крайнем правом столбце размещены численные значения изме- ренных параметров петли короткого замыкания, представляющие вектор-столбец,
RИ XИ ZИ φИ
14,70 12,18 19,09 39,64
которые повторены в соответствии с количеством заданных численных значений параметров дуги. Затенённые элементы строк соответствуют совпадению измеренных и рассчитанных параметров петли КЗ. В нижней строке матрицы показаны суммарные количества совпадений по каждому столбцу. Наибольшее количество совпадений (3) приходится на столбец с местом КЗ на 997,6 км. В этом столбце при сопротивлении дуги 2.9 Ом сошлись в одном месте, обведенном рамкой
на рисунке 4.14, значения всех параметров петли КЗ. В действительности КЗ проводилось на 998 км, т.е. расчётное место КЗ отличается от реального на 400 м.
По результатам второго эксперимента на 1001,3 км на опоре No 352 место короткого замыкания определено с погрешностью 200-300 м. По результатам тре- тьего эксперимента на 1001,5 км на опоре No 360 место короткого замыкания опре- делено с погрешностью 300 м.
В диссертации приведены дополнительные материалы, которые показы- вают, что не учёт особенностей системы внешнего электроснабжения создаёт до- полнительную погрешность до 100 м при определении места КЗ.
Результаты экспериментов подтверждают, что детализированное компью- терное моделирование, учитывающее неоднородности тяговой сети в сочетании с методикой учёта сопротивления дуги, применяемой в методе «С», позволяет по- высить точность определения места КЗ по сравнению с известными методами.
Основные результаты и выводы
1. Произведён анализ существующих методов определения места короткого замыкания в тяговой сети переменного тока. Отмечено, что по этой тематике разра- ботано большое количество методов, теоретических и практических исследований, издано много научных публикаций. Это свидетельствует о сложности, практиче- ской значимости и актуальности проблемы определения удалённости короткого за- мыкания. Однако при разработке существующих методов использовались сложные аналитические выражения и измерении. Целью упрощения применялось эквивален- тирование элементов тяговой сети и недостаточный учёт неоднородностей её струк- туры, что влияет на точность определения места короткого замыкания.
2. Исследованы и обозначены существующие неоднородности структуры тяговой сети, которые потенциально могут влиять на погрешности при определе- нии места повреждения.
3. Выполнен анализ влияния параметров тяговой сети и дуги на параметры петли короткого замыкания. Установлено, что только совокупность измеренных и производных параметров петли короткого замыкания может быть использована при определении места короткого замыкания.
4. Создана детализированная компьютерная модель тяговой сети, в которой платформой моделирования избран Matlab, а математическим аппаратом – мат- ричный анализ. В модели к минимуму сведено эквивалентирование элементов тя- говой сети и учитывается большинство неоднородностей структуры тяговой сети.
5. Разработан метод определения места короткого замыкания, получивший название метод «С», содержащий способ и алгоритм его использования, который позволяет с повышенной точностью определять удаленность места устойчивого короткого замыкания. Дано математическое обоснование метода. На способ опре- деления места короткого замыкания получен патент.
6. Детализированная модель является основой метода «С». Модель позво- ляет рассчитывать схемы тяговой сети любой сложности, используя единый алго- ритм расчёта.
7. Выполнен анализ влияния неоднородностей структуры тяговой сети, дуги, схем питания и степени их детализации на погрешности при определении
места короткого замыкания.
8. Проведена экспериментальная проверка предлагаемого метода на дей-
ствующем двухпутном участке СКЖД Старая Станица – Погорелово, оборудо- ванном системами регистрации и сбора данных. Результаты эксперимента пока- зали, что метод «С» позволяет с погрешностью 300 – 400 м, определять место ко- роткого замыкания.
Рекомендации и перспективы разработки темы
1. Детализированная компьютерная модель тяговой сети требует подго- товки и переработки больших объёмов исходной цифровой информации. Внедре- ние на железнодорожном транспорте цифровых и компьютерных технологий спо- собствует успешному решению этой задачи.
2. Предлагается создание комплекса, объединяющего предложенный метод «С» с техническими средствами устройств цифровой защиты и автоматики фидера контактной сети ИнТер-27,5-ФКС с целью их совместной практической реализации.