автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Адаптивные методы определения места повреждения в тяговой сети переменного тока и их исследование

С-/ 4 о

) £ 4 »/

/Г/^9 - А'

/

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Петров Илья Петрович

На правах рукописи УДК 621.331: 621.332 (043.3)

АДАПТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ В ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.22.09. — Электрификация железнодорожного

транспорта

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Быкадоров А.Л.

Научный консультант профессор Линденбаум М.Д.

Ростов-на-Дону, — 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД КАК ОСНОВА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ............................. 10

1.1. Современное состояние методов ОМП.............. 10

1.2. Необходимые этапы в случае применения ЭВМ.................................................................................. 15

1.3. Современная структура сбора и обработки информации на тяговых подстанциях............................ 17

1.4. Современная структура передачи информации

на тяговых подстанциях............................................... 23

1.5. Выводы..................................................................... 26

2. СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЯГОВОЙ

СЕТИ...................................................................................... 27

2.1. Расчет сопротивлений тяговой сети ЭУП путем решения системы уравнений............................... 27

2.2. Индуктивная развязка пучка проводников в контуре «проводник-земля»........................................ 34

2.3. Индуктивно развязанные сопротивления тяговой сети многопутных участков................................................41

2.4. Выводы..................................................................... 58

3. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ.................................... 59

3.1. Индуктивная развязка схемы замещения.......... 59

3.2. Программа расчета параметров короткого замыкания в тяговых сетях переменного тока........... 63

3.3. Выводы..................................................................... 73

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

МЕТОДОВ ОМП...............................................................................74

4.1. Методы ОМП для тяговых сетей переменного тока................................................................................... 74

4.2.Анализ граничных погрешностей методов ОМП................................................................................. 111

4.3. Оценка результирующей статистической погрешности....................................................................... 121

4.4. Выводы..................................................................... 127

5. ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ

НА ПОГРЕШНОСТЬ МЕТОДОВ OMII............................163

5.1. Особенности применения программы матричного расчета параметров тяговой сети................................163

5.2. Сущность матричного метода...............................167

5.3. Исследование влияния электровозов на ОМП.......................................................................................................176

5.4. Работа ОМП при больших переходных сопротивлениях................................................................................182

5.5. Выводы..............................................................................................184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................188

ЛИТЕРАТУРА............................................................................190

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................201

П. 1. Таблицы ПЛ. — П.29...............................................................202

П. 2. Текст программы «Программа расчета токов

коротких замыканий в контактной сети 27.5 кВ».... 234 П. 3. Пример расчета с помощью программы Spice

для Linux.............................................................................277

П. 4. Акты внедрения......................................................282

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Основная перевозочная работа на железнодорожном транспорте осуществляется на электротяге. Поэтому к ее надежности предъявляются особенно высокие требования. По вине системы электроснабжения доля задержек поездов сравнительно невелика: 11,5 % для пассажирских и 9,1% для грузовых поездов. Однако, в абсолютных цифрах в 1998 году это составило более 10 тыс. часов для грузовых и 1 тыс. часов для пассажирских поездов. Заметная доля повреждений в системе электроснабжения тяги приходится на изоляторы контактной сети.

Эксплуатационная длина электрифицированных участков переменного тока составляет 21,2 тыс. км, а развернутая длина контактной сети — около 60 тыс. км. Контактная сеть содержит несколько миллионов изоляторов, которые подвергаются атмосферным воздействиям (осадки, гололед, смена температур), запылению и вандализму. Из-за недостатка финансирования происходит старение устройств электроснабжения. Удельный вес повреждений контактной сети за последние 5 лет вырос с 9,1 до 22%. В 1998 году повреждаемость контактной сети переменного тока составила 0,59 повреждений на 100 км развернутой длины в год (658 случаев). Из них свыше 20% приходится на изоляторы. Убытки от одного случая повреждения изолятора в среднем по сети составляют 18 тыс. руб.

Число задержанных поездов и время их задержки зависит от времени, требуемого на поиск повреждения, и времени на их устранение. Время поиска может быть самым разнообразным: от десятков минут до нескольких часов. Сокращение времени имеет важное значение для быстрейшего восстановления условий нормального движения и сокращения задержек поездов.

Первый указатель места повреждения на контактной сети переменного тока был создан Е.П. Фигурновым и Ю.Я. Самсоновым, в начале 60-х годов [1,2,3]. В момент короткого замыкания автоматически измерялись напряжение и ток поврежденного фидера, затем определялось их отношение, по которому и судили об удаленности места повреждения. Такой метод получил название «метод Ъу>. На его основе ВНИИЖТ и ПКБ ЦЭ МПС разработали уст-

ройство и его модификации (ОМП-68, ОМП-71 и другие), которые много лет серийно выпускались Московским энергомеханическим заводом МПС.

Основной вклад в разработку этих устройств внесли Н.Д. Сухопруд-ский, В.Я. Овласюк, В.А. Зимаков, Г.М. Корсаков, В.А. Манухов, Ю.А. Ши-парев, В.М. Эрлих и другие[4,5,6,7,8]. Вопросы совершенствования конструкций и методики их использования отражены в трудах Е.П. Фигурнова, Ю.И. Жаркова, А.Л. Быкадорова, В.В. Курганова, A.C. Бочева, В.В. Кузнецова, М.Ю. Тупченко, В.А. Зайцева и других[9,10,11,12,13].

Постепенно, однако, в эксплуатации стали накапливаться данные о том, что в некоторых случаях такие устройства работали крайне неточно, что подрывало к ним доверие. В работах H.A. Поповой [93] было показано, что основная погрешность метода Z связана с возможным замыканием через дугу и предложено использовать метод х(Х = Z Sin ф , где ф — фазовый угол

между измеренными напряжением и током), первые сведения о котором содержались в [1,54].

Следует отметить, что предложения по использованию методов Z и X были основаны больше на интуиции, чем на строгом анализе схемы замещения тяговой сети, поэтому их анализ, известный по литературным источникам (отечественным и зарубежным), является не полным. С момента первых публикаций об этих методах (60-е годы) по существу не было создано ни одного нового метода, основанного на измерении параметров короткого замыкания.

Это можно объяснить тем, что за эти годы не было предложено достаточно простой индуктивно развязанной схемы замещения гяговой сети, в которой были бы учтены многочисленные взаимные индуктивные связи между проводами, проводами и рельсами, между рельсами. Создание такой схемы замещения тесно связано с определением параметров тяговой сети. Из-за многочисленных взаимных индуктивных связей, особенно для многопроводных сетей на многопутных участках, расчет таких сопротивлений становится сложным и громоздким.

Большой вклад в область теории и практики систем электроснабжения внесли К.Г.Марквардт, Г.Г. Марквардт, Р.Н. Карякин, A.C. Бочев, A.JI. Быка-доров, М.Г. Шалимов, ETI. Фигурнов, Б.И. Косарев, И.В. Павлов, В.Е. Мар-ский и другие. Вместе с тем, из-за сложности расчетов до сих пор отсутствуют базы данных по сопротивлениям современных многопроводных тяговых сетей и сетей на много путных участках, что не позволяет оценить погрешность методов определения мест повреждения в этих сетях.

При анализе погрешностей известных методов Z и X, выполненных в работах [93,95], не был учтен ряд факторов, оказывающих влияние на точность определения расстояния до места повреждения. К ним относятся непостоянное по длине удельное сопротивление рельсового пути из-за шунтирующего влияния земли, индуктивное влияние тока смежного пути (т.е. схема питания межподстан цион ной зоны), наличие троса группового заземления, возможное наличие поездов на данном и смежном путях и некоторые другие. Объясняется это, в частности, тем, что методика такого учета была до сих пор не разработана.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка новых методов определения мест повреждения в тяговых сетях переменного тока, анализ их погрешностей в сравнении с известными, выработка рекомендаций по отбору из них наилучших по условиям простоты реализации и точности, разработка алгоритмов и программ для использования в автоматизированном рабочем месте (АРМ) тяговой подстанции и АРМ энергодиспетчера.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1) разработана и обоснована инженерная методика расчета сопротивлений многопроводных контуров тяговой сети и сопротивления взаимоиндукции между ними;

2) создана база данных по сопротивлениям контуров для многопроводных тяговых сетей на многопутных участках;

3) разработана и обоснована методика расчета индуктивно развязанных сопротивлений контактной сети и рельсовой цепи многопроводных тяговых сетей на многопутных участках;

4) создана база данных по индуктивно развязанным сопротивлениям многопроводных тяговых сетей на многопутных участках;

5) разработана уточненная схема замещения межподстанционной зоны тяговой сети и ее математическая модель, позволяющая анализировать влияние различных факторов, в том числе и тех, которые ранее не исследовались;

6) разработаны: программа расчета сопротивлений тяговой сети переменного тока в том числе для многопутных участков многопроводной тяговой сети; программа расчета параметров коротких замыканий в тяговой сети переменного тока 27,5 кВ; программа определения места повреждения по параметрам короткого замыкания, программа вычисления максимальных погрешностей методов ОМ Г! от влияния каждого из семи факторов в отдельности; программа вычисления суммарной статистической погрешности методом Монте-Карло; программа определения погрешности вносимой ЭПС;

7) предложены и теоретически обоснованы 5 новых методов определения места повреждения в тяговой сети и три их модификации при односторонних и двусторонних измерениях параметров короткого замыкания;

8) для увеличения возможностей обработки объемных массивов данных и числа исследуемых факторов создана локальная вычислительная сеть из 7 компьютеров;

9) для всех методов, в том числе и двух известных (Ъ и X), исследовано влияние на их точность большого числа факторов и их совокупности;

10) разработана методика учета влияния переходных процессов в электроподвижном составе, находящемся в межподстанционной зоне, на погрешность методов определения расстояния до места повреждения;

11) выявлены и предложены для внедрения методы, обеспечивающие наиболее простую реализацию при повышенной точности.

Методика исследований. При выполнении работы использованы методы расчета цепей со взаимными индуктивностями, матричные методы расче-

та, математическое моделирование, программирование на языках высокого уровня, методы статистического анализа.

Научная новизна:

1) разработано и теоретически обосновано 5 новых методов определения удаленности повреждений;

2) разработана методика вычисления индуктивно развязанных сопротивлений многопроводной тяговой сети на многопутных участках;

3) предложена уточненная схема замещения тяговой сети в межпод-станционной зоне при коротком замыкании;

4) исследованы погрешности известных и предложенных методов от влияния большого числа факторов, в том числе ранее не учитывавшихся;

5) впервые для поставленной цели погрешность каждого из методов оценена методом статистических испытаний от совокупного влияния всех факторов;

6) разработана методика определения погрешностей методов от влияния электроподвижного состава;

7) разработано программное обеспечение для расчета параметров короткого замыкания по вычисленным или измеренным параметрам.

Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе основные положения, выводы и рекомендации подтверждены строгостью теоретического обоснования, сопоставлением результатов аналитического расчета с данными, полученными на математической модели, сравнением с известными экспериментальными исследованиями.

Практическая ценность. Для расчета систем электроснабжения с многопроводной тяговой сетью и на многопутных участках создана справочная база данных по сопротивлениям контуров и индуктивно развязанным сопротивлениям тяговой сети. Разработано программное обеспечение для расчета параметров короткого замыкания в тяговой сети. Разработано программное обеспечение для АРМ тяговой подстанции и АРМ энергодиспетчера, позволяющее по измеренным параметрам короткого замыкания определить удаленность повреждения с точностью, значительно превышающей известные достижения и сократить тем самым время простоя поездов.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в соответствии с Отраслевой программой «Программа технического перевооружения и модернизации железнодорожного транспорта на 1991 — 1995 г.г. и до 2000 г.» и «Концепцией информатизации железнодорожного транспорта России» (Постановление Коллегии МПС 28.02.1996 г., протокол №5) по созданию микропроцессорных систем контроля и управления АСУЭ.

Составная часть работы по созданию методики расчета параметров короткого замыкания тяговой сети выполнялась в соответствии с планом НИ-ОКР ЦЭ МПС (номера заданий 14.01.40/ЦЭМ-47, 14.03.48, шифр х.д. 101, 140, 153 за 1992 — 1997 гг.).

Полученные в работе справочные данные по сопротивлениям многопроводных тяговых сетей включены в учебное пособие, рекомендованное УМО МПС РФ для вузов железнодорожного транспорта (Е.П.Фигурнов, Т.Е. Петрова. Релейная защита систем электроснабжения. Ростов-на-Дону, 1998).

Программа расчета параметров короткого замыкания тяговых сетей переменного тока, разработанная автором, включена в Отраслевой фонд алгоритмов и программ (ОФАП) МПС.

Программное обеспечение определения места повреждения тяговой сети, разработанное автором применительно к одному из предложенных методов, реализовано в децентрализованной системе сбора и обработки технической информации посредством ЭВМ, установленной на тяговой подстанции Хапры Северо-Кавказской железной дороги, а так же в АРМ энергодиспетчера на ст. Ростов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и положительно оценены на шести научно-технических конференциях молодых ученых, проводимых в РГУПС, начиная с 1996 года.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 работ, подано и принято к рассмотрению 5 заявок на патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературных источников и приложений. Работа содержит 200 страниц машинописного текста, 57 рисунков, 46 таблиц, 100 литературных источников и 3 приложения на ... страницах.

1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОДХОД КАК ОСНОВА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

L1. Современное состояние методов ОМ И

Определение места повреждения (ОМП) на воздушных линиях электропередачи на основе измерения и запоминания токов короткого замыкания впервые было осуществлено в США в 1935 г. С 1958 года в США и ФРГ был налажен промышленный выпуск приборов, специально предназначенных для запоминания токов и напряжений аварийного режима [43]. Создание таких приборов стало возможным в результате возникновения и развития полупроводниковой техники.

Первые предложения по определению места повреждения на основе измерений токов нулевой последовательности в СССР относятся к 1937 г. Первая попытка осуществления этой идеи относится к 1950 г. В шестидесятых годах энергосистемами и ПО "Союзтехэнерго" было разработано более 20 различных типов фиксирующих приборов, главным образом в виде опытных образцов. Серийный выпуск первых приборов измерения и фиксации токов аварийного режима был освоен в 1969 году на Рижском опытном заводе "Энергоавтоматика". В дальнейшем выпускались фиксирующие приборы ФИЛ для фиксации токов, напряжений или сопротивлений по параметрам аварийных режимов (ЛИФП, ФПГ, ФПН, ФИС) [464-50]. В частности фиксирующий прибор ФИС фиксирует индуктивную составляющую сопротивления. Он освоен с 1983 года. Фиксация индуктивного сопротивления петли короткого замыкания для контактной сети была предложена значительно раньше еще в 1962 г. [1].

Теоретические основы определения мест повреждения в воздушных линиях электропередачи изложены в [42-^50]. Для трехфазных воздушных линий электропередачи ра