автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения точности определения мест повреждения на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ железных дорог

/ /„•П у/

// / 7

и/ *

.") / V/ /

/

/

министерство путей сообщения

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

ШУБИН Ефим Исаакович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ВЛ С ДБ И ВЛ ПЭ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

05.22.09 - Электрификация железнодорожного транспорта

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор ОВЛАСЮК Владислав Яковлевич

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 5

ГЛАВА 1. КОНСТРУКТИВНЫЕ И РЕЖИМНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЛ СЦБ

И В Л ПЭ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ..............................................................14

1.1. Особенности работы высоковольтных линий питания устройств СЦБ и связи..........................................................................14

1.2. Аварийные режимы работы В Л СЦБ и В Л ПЭ............................17

1.3. Особенности однофазного замыкания на землю В Л с изолированной нейтралью и определения расстояния до места повреждения.................................................................................................19

1.4. Работа защит от однофазных4 замыканий на землю на В Л СЦБ иВЛПЭ............................................................................................28

Вывод ы...............................................................................................38

ГЛАВА 2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА ВЛ СЦБ

И В Л ПЭ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ............................................................41

2.1. Анализ возникновения и развития однофазных замыканий на землю................................................................................................41

2.2. Оценка сопротивления в месте повреждения при однофазном замыкании на землю.......................................................................45

2.3. Многофазные повреждения на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ......................49

2.4. Оценка надежности элементов В Л СЦБ и В Л ПЭ в зависимости от характера повреждений.............................................................50

Вывод ы...............................................................................................55

г•

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ЛИНИИ

С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ НАГРУЗКОЙ................................................56

3.1. Моделирование высоковольтной линии с использованием теории многополюсников....................................................................56

3.2. Числовые расчеты на математической модели В Л с распределенной нагрузкой............................................................................69

Вывод ы..............................................................................................71

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОТЫСКАНИЯ МЕСТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЛЭП ЭНЕРГОСИСТЕМ И ВЛ СЦБ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ....................................................................73

4.1. Возможности использования различных методов отыскания мест короткого замыкания на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ железных дорог.................................................................................................73

4.2. Анализ существующих методов определения мест повреждения, использующих параметры аварийного режима..................76

4.3. Анализ существующих топографических методов для определения мест однофазного повреждения........................................85

Вывод ы.............................................................................................91

\

ГЛАВА 5. СИНТЕЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОТЫСКАНИЯ МЕСТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ВЛ СЦБ И ВЛ ПЭ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ.................................................................................92

5.1. Измерение модуля полного сопротивления при определении расстояния до места однофазного замыкания на землю на

ВЛ СЦБ...........................................................................................92

5.2. Измерение модуля полного сопротивления при определении расстояния до места двухфазного КЗ без земли на В Л СЦБ.. 104

5.3. Определение места повреждения на основании измерения мгновенных значений параметров аварийного режима на

ВЛ СЦБ.........................................................................................113

5.4. Определение места повреждения на основании измерения мгновенных значений параметров аварийного режима на ВЛПЭ............................................................................................117

5.5. Оценка влияния распределенной нагрузки при определении места повреждения на В Л...........................................................125

Вывод ы............................................................................................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.......................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................................155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................165

\

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях реформирования важнейшей задачей экономики является повышение эффективности работы всех ее отраслей. В транспортном комплексе страны это может быть достигнуто развитием прогрессивных систем перевозок, улучшением обслуживания и ремонта технических средств, механизации и автоматизации процессов управления, повышением надежности работы устройств, обеспечением безопасности движения поездов. Решение этих задач во многом зависит от надежности внешнего электроснабжения устройств непосредственно связанных с движением поездов. К устройствам внешнего электроснабжения относятся пункты питания, воздушные и кабельные линии напряжением 6 - 10 кВ и выше, линейные трансформаторы и трансформаторные подстанции различного конструктивного исполнения [1].

\

Согласно ОСТ 32.14-80 устройства, непосредственно связанные с движением поездов относятся к электроприемникам I категории, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, срыв графика движения поездов, значительный ущерб железнодорожному транспорту и народному хозяйству в целом. Потребителями этой категории являются устройства СЦБ и связи, посты ЭЦ с числом стрелок до 30, переездная сигнализация, пункты обнаружения нагрева букс, контрольно-габаритные устройства. Эти потребители получают питание от высоковольтной линии автоблокировки (ВЛ СЦБ) и требуют высокой степени устойчивости электроснабжения, которая определяется надежностью В Л СЦБ и питающих ее пунктов. В соответствии с ОСТом электроприемники 1 категории должны ооеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания и перерыв их электроснабжения при выходе из строя одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Причем время переключения с одного источника питания на другой и обратно для устройств СЦБ не должно превышать 1,3 сек [2]. Резервными являются высоковольтные линии продольного энергоснабжения (ВЛ ПЭ) на участках с автономной тягой или при электротяге постоянного тока,

или линии два провода - рельс (ДПР) на участках с электротягой переменного тока.

ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ строятся воздушными, поэтому они подвергаются воздействию ветра, гололеда, резкого перепада температур, внутренних и атмосферных перенапряжений, касанию веток, падению деревьев, что приводит к коротким замыканиям (КЗ) и обрывам проводов. Согласно статистике [1] наименее надежным элементом внешнего электроснабжения являются воздушные высоковольтные линии питания устройств СЦБ и связи железных дорог. По некоторым оценкам [3] на них приходится около 2/3 от общего количества повреждений в системе электроснабжения, приводящих к задержкам поездов.

К числу основных показателей, определяющих эффективность работы эксплуатационного персонала дистанции электроснабжения, относится быстрота восстановления нормального энергоснабжения при повреждении. Ремонтно-вос-становительные работы состоят из отключения поврежденного элемента, определения места повреждения, выполнения ряда организационно - технических мероприятий по подготовке к ремонту, ремонта поврежденного оборудования, восстановления нормальных схем электроснабжения. По данным промышленных сетей основную часть - 57% совокупного времени аварийно - восстановительных работ [1] занимает определение места повреждения (ОМП), причем некоторые виды однофазного повреждения, например пробой фарфорового изолятора низовым осмотром определить вообще невозможно.

Для ВЛ СЦБ выпускается аппаратура для определения расстояния до места повреждения типа АОП-1 [4], но она несовершенна, имеет ряд недостатков и поэтому не нашла распространения, для ВЛ ПЭ такая аппаратура вообще отсутствует. Попытки использовать аппаратуру, выпускаемую для ОМП промышленных сетей в транспортной энергетике, положительных результатов не дали.

Актуальность решения задач повышения точности и ускорения ОМП, четкой работы пусковых органов устройств ОМП на ВЛ СЦБ и резервных линиях при любых видах повреждений определяется необходимостью минимизации затрат труда, времени, средств и повышения эффективности работы эксплуатаци-

онного персонала, что повысит надежность работы потребителей ВЛ СЦБ и сократит задержки поездов. В настоящей диссертации обобщены результаты работы по решению этих задач.

Целью диссертации является проведение теоретических исследований и разработка на их основе методов и средств повышения точности ОМП на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ железных дорог, определение критериев работы устройств ОМП и их пусковых органов. В результате работы сделан анализ возникновения и развития повреждений, предложена оценка влияния сопротивления в месте повреждения, определены критерии работы пусковых органов ОМП, разработана математическая модель высоковольтной линии с распределенной нагрузкой, предложены способы отстройки от переходного сопротивления в месте повреждения и от

влияния распределенной нагрузки на линии при ОМП на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ, а

>

также аппаратная и организационно - техническая реализация этих предложений.

Повышение точности при разработке методов и средств ОМП может быть достигнуто за счет многократного измерения реактивной части сопротивления петли КЗ между местом повреждения и местом измерения, учета влияния распределенной нагрузки, имеющейся на этом участке и использования топографических методов в районе предполагаемого места повреждения.

Поставленные задачи могут быть решены на основе анализа и синтеза методов и устройств для ОМП, работы их измерительных органов, предложенных в работах Н.Д. Сухопрудского, Г.М. Корсакова, Г.М. Шалыта, А.И. Айзенфельда, Е.А. Аржанникова и др. Анализ возможности использования большинства известных методов показывает, что они приводят к большим погрешностям из-за наличия переходного сопротивления в месте повреждения. В диссертации автором предложен новый подход к проблеме ОМП, который основан на двустороннем, последовательном измерении расстояния до места повреждения с учетом модернизации входных устройств на аппаратуре типа АОП-1 или использовании предложенного в данной работе устройства на микропроцессорных структурах с многократным измерением мгновенных значений параметров аварийного режима (ПАР) в момент перехода тока КЗ через нуль. Причем при ОЗЗ высоковольтная

линия переводится на время измерения в режим однофазного КЗ, затем с помощью математической модели производится уточнение места повреждения, а на ВЛ СЦБ для ускорения поиска ОЗЗ необходимо использование переносного трассового прибора. Автором предложен бесконтактный коммутационный аппарат для перевода В Л СЦБ и В Л ПЭ в режим однофазного КЗ.

Разработанная Э.В. Зеляхом теория многополюсников использована при построении математической модели ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ, эта модель позволяет при ОМП минимизировать погрешность, обусловленную нагрузкой, отказаться от опытов искусственного КЗ при наладке аппаратуры для ОМП, анализировать работу защит и автоматики как в нормальном так и в аварийных режимах.

Основные результаты работы, обладающие новизной и выносимые на защиту следующие:

\

1. Показано, что при ОЗЗ на В Л СЦБ и В Л ПЭ токи и напряжения аварийного режима зависят от суммарной емкости фаз относительно земли и от величины переходного сопротивления в месте повреждения и не зависят от расстояния до места повреждения. Поэтому для определения расстояния до места повреждения линию необходимо перевести, на время измерений, в режим однофазного КЗ с целью получения однозначной зависимости между ПАР и расстоянием до места повреждения.

2. Показано, что для повышения надежности работы защит от ОЗЗ на фидере ВЛ СЦБ, выполненном по типовому проекту, его необходимо дополнительно оборудовать резервной неселективной защитой по напряжению нулевой последовательности.

3. Определены предельные значения величины переходного сопротивления в месте повреждения при которых надежно срабатывает защита от ОЗЗ. Показано, что основным фактором, ограничивающим чувствительность защиты типа ЗЗП-1 (ЗЗП-1М), является ее заводская уставка по напряжению нулевой последовательности.

4. Определено, что переходное сопротивление в месте повреждения при замыкании на землю одной фазы в зависимости от характера повреждения и по-

годных условий может колебаться от 10 Ом до 10 МОм, этот диапазон разбит на характерные интервалы.

5. Показано, что существенное увеличение дополнительной изоляции В Л можно получить, если использовать подкосы изготовленные из изоляционного материала.

6. Предложена методика определения основных и дополнительных показателей надежности элементов ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ на основании эксплуатационной статистики. Рассчитаны показатели надежности различных элементов в характерных интервалах.

7. Разработана математическая модель, которая позволяет получить параметры ВЛ с распределенной нагрузкой как в нормальном режиме, так и в любом аварийном режиме. Предложено числовые расчеты математической модели производить на ПЭВМ с использованием интегрированной системы для автоматизации математических и научных расчетов МаШСАХ).

8. Определены требования которым должны отвечать переносные приборы для топографического поиска однофазных повреждений на ВЛ транспортного электроснабжения. Эти приборы позволяют путем ряда последовательных измерений определять место повреждения при однофазном замыкании на землю, а также при разрыве фазы.

9. Предложена новая методика определения расстояния до места повреждения при использовании аппаратуры типа АОП-1, которая основана на последовательном, двустороннем измерении расстояния до места повреждения (с учетом модернизации входных устройств) при работе автоматического включения резерва. Это позволяет отстроиться от переходного сопротивления в месте повреждения.

10. Разработан бесконтактный коммутационный аппарат для перевода В Л в режим однофазного КЗ, алгоритм его работы, предложена методика расчета модуля управления и силового модуля.

11. Показано, что наиболее перспективным методом определения расстояния до мест однофазного повреждения на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ является использова-

ние устройства с многократным измерением мгновенных значений параметров аварийного режима в момент перехода тока КЗ через нуль. Причем при ОЗЗ высоковольтная линия переводится, на время измерения, в режим однофазного КЗ, затем с помощью математической модели производится уточнение места повреждения, а на ВЛ СЦБ для ускорения поиска ОЗЗ необходимо использование переносного трассового прибора. Определение места междуфазного повреждения основано на многократном измерении мгновенных значений параметров аварийного режима. Это устройство позволяет отстроиться от переходного сопротивления в месте повреждения, от влияния распределенной нагрузки и от погрешности измерения параметров аварийного режима.

В первой главе "Конструктивные и режимные особенности ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ железных дорог" рассмотрены особенности работы высоковольтных линий питания устройств СЦБ и связи, а также работа ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ в аварийных режимах, показано что для определения расстояния до места ОЗЗ на ВЛ с изолированной нейтралью эту ВЛ необходимо перевести в другой режим. Произведен анализ работы защит от ОЗЗ на ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ в зависимости от величины переходного сопротивления. Рассмотрено влияние тяговых сетей на работу защит и способы отстройки от этого влияния. Предложены методы повышения надежности работы защит от ОЗЗ на ВЛ СЦБ.

Во второй главе "Возникновение и развитие повреждений на ВЛ СЦБ и В Л ПЭ железных дорог" произведен анализ возникновения и развития ОЗЗ и многофазных КЗ на ВЛ, приведены результаты измерений, дана оценка сопротивления при различных видах повреждения и различных погодных условиях. Показано что характер повреждения определяет степень разрушения или шунтирования основной и дополнительной изоляции. Предложена методика определения основных и дополнительных показателей надежности элементов ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ на основании эксплуатационной статистики.

В третьей главе "Математическая модель высоковольтной линии с распределенной нагрузкой" рассмотрены вопросы построения универсальной математической модели ВЛ с распределенной нагрузкой на основании теории многопо-

люсников, с использованием разработанных схем замещения элементов ВЛ. При расчете модели основывались на том, что она представ�