автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование защит от однофазных замыканий изолированных проводов воздушных линий напряжением выше 1 кВ при их расположении на опорах контактной сети переменного тока

На правах рукописи

Кузнецов Дмитрий Германович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 кВ ПРИ ИХ РАСПОЛОЖЕНИИ НА ОПОРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

,1 3 ОКТ 2011

Москва-2011

4857023

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Теоретические основы электротехники».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Косарев Борис Иванович (МИИТ)

доктор технических наук, профессор Котельников Александр Владимирович (ОАО «ВНИИЖТ»)

кандидат технических наук, доцент Гречишников Виктор Александрович (МИИТ)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Защита диссертации состоится « » 2011г. в

часов на заседании диссертационного совета Д218.005.02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9, ауд. с/2№

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Автореферат разослан « » С^Жтз-ф^я- 2011г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, ст. научн. сотр

Общая характеристика диссертациониой работы

Актуальность работы. Параллельно трассам многих электрифицированных железнодорожных участков проложены высоковольтные линии продольного электроснабжения нетяговых потребителей (ВЛ ПЭ) и питания устройств сигнализации, централизации и блокировки (ВЛ СЦБ). Из-за особой важности бесперебойного питания системы сигнализации линии выполнены по схеме с изолированной нейтралью. Длительное состояние работы ВЛ СЦБ с заземленной фазой недопустимо.

Задача определения факта замыкания на землю не решается измерением параметров тока замыкания на землю, так как в силу специфики его формирования величина и фаза тока не зависят от расстояния до места замыкания фазы на землю. В большинстве случаев место замыкания фазы на землю ВЛ СЦБ имеет большое переходное сопротивление, которое колеблется от единиц Ом до кОм. Скрытые замыкания на землю (как правило, с большим переходным сопротивлением) визуально определить невозможно, что приводит к большим потерям рабочего времени ремонтных бригад на устранение неисправностей, что негативно сказывается на бесперебойности движения поездов.

Известно также, что на ряде электрифицированных участков переменного тока ВЛ ПЭ и СЦБ расположены на опорах контактной сети с полевой стороны. Данное техническое решение экономически обосновано и имеет существенное практическое значение для ОАО «РЖД», в том числе и при внедрении системы 2x25 кВ с автотрансформаторами и питающим проводом. Также в некоторых случаях (гористая или топкая местность, ощутимая нехватка места для возведения отдельной линии 10 кВ) такое решение является единственно возможным при проектировании (что имеет место на участке Карымская - Забайкальск).

При эксплуатации ВЛ, сооруженных с использованием самонесущих изолированных проводов (СИП), становится очевидным, что одной из важнейших задач, не имеющих на сегодняшний день технического решения, является отключение однофазных замыканий на землю (033) в случае обрыва

изолированного провода. Конструкция СИП призвана свести к минимуму возможность подобных аварий, но, к сожалению, линия не может быть застрахована от ошибок при монтаже, выборе арматуры или зажимов, что ведет к неоправданному механическому износу проводов и возможности их обрыва или пробоя изоляции на заземленные конструкции (кронштейны опоры). Данная ситуация встречается при эксплуатации проводов этого типа в России.

Исследование, представленное в качестве диссертационной работы, проводилось в течение ряда лет (2008-2011 г.г.) специалистами кафедры ТОЭ МИИТ и Северной железной дороги - филиала ОАО «РЖД» и направлено на обеспечение селективной работы защит от неполнофазных режимов работы ВЛ 10 кВ при их сооружении с использованием СИП и расположении в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов и технических решений для обеспечения селективности и однозначности работы дистанционных защит при возникновении неполнофазных режимов сетей с изолированной нейтралью напряжением свыше 1000 В, сооружаемых с использованием СИП на опорах контактной сети переменного тока железнодорожного транспорта.

Основные задачи.

1. Разработка алгоритма расчета напряжения нулевой последовательности в ВЛ 10 кВ при неполнофазном режиме ее работы и нахождении в зонах электромагнитного влияния.

2. Выбор метода и параметров компьютерного моделирования электромагнитного влияния тяговых сетей на ВЛ 10 кВ, разработка моделей тяговой сети, ЭПС и тягового трансформатора.

3. Обоснование алгоритма работы и технических решений по реализации дистанционной защиты ВЛ 10 кВ, базирующейся на измерении напряжения нулевой последовательности на резистивно-емкостных фильтрах.

4. Разработка методики защиты СИП ВЛ 10 кВ при использовании ее проводов в качестве канала связи.

5. Обоснование алгоритма создания математической модели системы тяговая сеть - ВЛ 10 кВ и анализа передачи сигнала, изменяющегося по гармоническому закону, по проводам ВЛ при использовании теории многополюсников.

6. Экспериментальное исследование режимов работы проводов фаз ВЛ при обрыве.

7. Верификация созданных моделей и предложенных принципов построения защит на основе полученных экспериментальных данных.

Методика исследования. Для достижения поставленной цели используются методы анализа электромагнитных процессов в системе тяговая сеть - ВЛ 10 кВ с применением компьютерного и математического моделирования.

В расчетах использовались теория метода симметричных составляющих и методы матричного анализа сложных и неоднородных электрических систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

-разработаны варианты схем и параметров защит В Л 10 кВ, фиксирующих факт обрыва СИП. Предусмотрен выбор необходимого типа защиты в зависимости от способа передачи данных о повреждении изоляции ВЛ, количества установленных на защищаемом участке фильтров напряжения нулевой последовательности и существующего оборудования защиты линии;

- разработана методика расчета опасного и мешающего электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока на воздушные линии с самонесущими изолированными проводами при возникновении в них неполнофаз-ных режимов, позволяющая отказаться от использования понятий коэффициента чувствительности и волнового коэффициента при расчете магнитного влияния;

-обоснована методика расчета фазных напряжений и напряжений на фильтрах нулевой последовательности в высоковольтных линиях напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока при учете различных по величине сопротивлений нагрузки и

тяговых трансформаторов токам прямой (обратной) и нулевой последовательностей как в нормальном, так и в неполнофазном режимах работы;

- разработан алгоритм построения компьютерной схемотехнической модели системы тяговая сеть - ВЛ 10 кВ. Созданы и использованы для анализа электромагнитных процессов в системе модели электровоза, участков тяговой сети и ВЛ 10 кВ, тяговых и нетяговых трансформаторов;

- обоснована методика расчета распределения токов от источника ЭДС, изменяющейся по гармоническому закону, при использовании линии в качестве канала связи для передачи сигнала от конца линии к началу.

Практическая значимость результатов работы.

1. Результаты расчетов напряжения нулевой последовательности в ВЛ 10 кВ при неполнофазном режиме ее работы позволили обосновать принцип действия дистанционных релейных защит В Л 10 кВ, основанных на измерении напряжения нулевой последовательности как в начале, так и в конце защищаемой линии.

Разработаны и запатентованы устройства определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока. Различные типы устройств предназначены для установки на защищаемых участках, отличающихся количеством установленных фильтров нулевой последовательности, необходимостью использования существующих защит или возможностью реализации устройства на современной микропроцессорной базе.

; 2. Проведенное компьютерное моделирование электромагнитных процессов в системе тяговая сеть - ВЛ 10 кВ позволило подтвердить результаты математических расчетов, учесть электромагнитное влияние ЭПС и тяговой сети на ВЛ 10 кВ как в нормальном режиме работы системы, так и в аварийных - неполнофазном ВЛ 10 кВ и при коротком замыкании контактного провода на рельс.

Результаты моделирования использованы при разработке защит от 033 ВЛ 10кВ.

3. Применение алгоритма математического моделирования системы тя-

говая сеть - ВЛ 10 кВ на основе теории матриц позволило подтвердить возможность использования проводов СИП ВЛ 10 кВ в качестве канала связи для дистанционной защиты линии.

Внедрение результатов. Рекомендации по созданию устройств защиты ВЛ 10 кВ от 033 при ее расположении на опорах контактной сети переменного тока использованы при обосновании уставок существующих защит СИП участка Вохтога - Лежа - Туфаново Северной железной дороги - филиала ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты доложены на научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, МИИТ, 2008 и 2009 г.г.), Пятом международном симпозиуме ЕИгапБ (С.-Петербург, 2009 г.), УН-ой международной научно-технической конференции студентов и молодых ученых «ТЛА^-МЕСН-АЯТ-СНЕМ» (Москва, МИИТ, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы имеется 13 публикаций, в том числе 3 патента на полезную модель и 5 работ, опубликованных в рекомендованных ВАК журналах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений, содержит 172 страницы машинописного текста, 62 рисунка, 11 таблиц, 2 приложения на 23 страницах. Список литературы включает 101 наименование.

Содержание работы Введение посвящено обоснованию решаемой задачи: разработке метода и технических решений по совершенствованию защит от однофазных замыканий изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока. Подтверждена актуальность диссертационной работы, обозначены положения, выносимые на защиту диссертации

Отмечается вклад отечественных и зарубежных исследователей в разработку и внедрение защит линий напряжением свыше 1 кВ с изолированной

нейтралью.

В первой главе представлен анализ существующих типов защит ВЛ напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью. Описаны возможные пути совершенствования устройств защиты ВЛ напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью. Проведено сравнение методов измерения электрических величин в защищаемой линии, определения уставок, принципов построения защит. Отмечены их недостатки при работе с линиями, сооруженными с применением СИП. Обоснована необходимость разработки новых типов защит на базе принципиально иных методов измерения и защиты.

Также отмечается, что при разработке устройства определения обрыва СИП ВЛ необходимо учесть значительное электромагнитное влияние тяговой сети и основного ее потребителя - ЭПС. Данное обстоятельство требует обоснования выбора измеряемых для защиты линии величин и отстройки уставок от рабочих, нормальных режимов эксплуатации ВЛ, для чего необходимо произвести расчеты, моделирование и экспериментальные исследования электромагнитных процессов в системе тяговая сеть - ВЛ 10 кВ. Должны быть учтены возможные перенапряжения, возникающие в ВЛ при аварийных и неполнофазных режимах работы - при коротком замыкании (к.з.) в тяговой сети, обрыве СИП.

С целью выявления условий работы устройств защиты при применении СИП, проанализирован российский и зарубежный опыт эксплуатации данных линий, отмечены особенности, присущие им. Основной проблемой, не имеющей на сегодняшний день решения, является отсутствие надежной возможности определения наличия в линии однофазного замыкания на землю. Это обусловлено наличием значительного переходного сопротивления при контакте изолированного провода с землей, что затрудняет работу применяемых защит.

Вторая глава диссертации посвящена обоснованию методики расчета напряжения нулевой последовательности в конце В Л 10 кВ при возникновении в ней неполнофазных режимов.

Полагая, что в ряде случаев система электроснабжения нетяговых потребителей загружена незначительно, что, в частности, связано с широким внедрением на сети дорог тональных рельсовых цепей, необходимо учесть несимметричность фазных напряжений не только из-за магнитного влияния токов тяговых сетей на провода ВЛ 10 кВ и неодинаковых сопротивлений воздушных проводов фаз А, В и С, но и из-за влияния напряжения контактной сети на две «здоровые» фазы системы электроснабжения нетяговых потребителей.

При эксплуатации слабо загруженных систем электроснабжения нетяговых потребителей в последние годы отмечены случаи возникновения коммутационных перенапряжений в отключенных от источника питания (обмотки напряжением 10 кВ тягового трансформатора) воздушных линиях. В работе была произведена оценка электрического влияния напряжения контактной сети на воздушные провода фаз системы электроснабжения ВЛ 10 кВ полагая, что силовые (однофазные и трехфазные) трансформаторы КТП работают в режиме, близком к режиму холостого хода.

Получено соотношение для расчета напряжения и0э, обусловленного электрическим влиянием напряжения контактной сети на воздушные провода системы электроснабжения нетяговых потребителей:

ап(ап - 2 + а^{сс„акк - 4)

и0Э = ик -"—г-

К + <Х„ь ~ 2—) + - 4 „ ,

«и ' 0)

где ик - напряжение контактной сети;

«аа> аьь, о-кк - собственные потенциальные коэффициенты проводов фаз А, В и контактной сети;

ааь, аак, аыс - взаимные потенциальные коэффициенты соответственно между проводами «здоровых» фаз ВЛ 10 кВ и контактной сетью;

сиг = (ал+аыс)/2; ац = (аа,+ аЬь)/2.

Подтверждено, что на величину наводимого в ВЛ 10 кВ напряжения влияет расположение проводов, вариант конструктивного исполнения кон-

тактной сети, наличие усиливающего провода, подвешиваемого с полевой стороны. В работе произведен расчет наводимого напряжения и для варианта подвески с усиливающим проводом.

Так, наличие усиливающего провода, соединенного через каждые 200 м с контактной сетью, приводит к увеличению электрического влияния в среднем в 1,5 раза и существенно зависит от расположения усиливающего провода относительно фаз ВЛ 10 кВ.

Здесь же выполнена оценка емкостных связей между проводом ВЛ 10 кВ и контактной сетью с усиливающим проводом. С этой целью предложен алгоритм расчета наведенного напряжения на изолированном от земли проводе. При учете, что заряды на изолированных от земли проводах в уравнениях, составленных по формуле Максвелла, равны нулю, получено выражение для расчета напряжения на изолированном от земли проводе.

ис = ик а,сс + аис + аус — акс анс + аус

аи+2аи К аККср+2аКЛр , (2)

где акс, <*нс, йус - взаимные потенциальные коэффициенты контактного, несущего и усиливающего проводов с проводом одной из фаз ВЛ 10 кВ соответственно;

ац, а/г - средние арифметические значения собственных и взаимных потенциальных коэффициентов контактного, несущего и усиливающего проводов соответственно;

аккср, акуср - средние значения коэффициентов собственного потенциального контактной сети с усиливающим проводом и взаимного потенциального между проводами контактной подвески соответственно.

Третья глава посвящена разработке алгоритма и анализу результатов компьютерного моделирования электромагнитных процессов в системе тяговая сеть - ВЛ 10 кВ. Использование компьютерного моделирования для целей совершенствования дистанционных защит ВЛ 10 кВ позволило максимально приблизить расчетные данные к реальным условиям эксплуатации.

Модель участка тяговой сети и ВЛ была реализована с помощью набора

схем замещения, представленных в виде каскадного соединения многополюсников. Схема замещения 200 метров однопутного участка тяговой сети с усиливающим проводом и 3 фазами В Л 10 кВ с учетом параметров рельсовой цепи представлена на рис. 1.

С5 ----—^----------- -ятгу - -......

------------ : 1 1 \ { <

аш-? 0. :

'с с:. 1 .1 " I

К"......... ,:» ! . ., ......,2<| ¿2

I Л ' " .«1

Рис. 1. Схема замещения 200 метров однопутного участка тяговой сети с усиливающим проводом и 3 фаз ВЛ 10 кВ с учетом параметров рельсовой цепи В модели учтена транспозиция проводов ВЛ 10 кВ, подключение усиливающего провода к контактной подвеске через каждые 200 метров. Рассматривался вариант применения питания тяговой сети как напряжением 27,5 кВ, так и 2x25 кВ. Для учета электромагнитного влияния ЭПС была применена упрощенная модель электроподвижного состава (рис. 2).

Для учета сопротивлений тяговых и силовых трансформаторов токам различных последовательностей были разработаны математические модели как трехфазных трехобмоточных трансформаторов, так и однофазных двух-обмоточных. Модели учитывают индуктивные связи между обмотками трансформаторов, типы сердечников, вебер-амперные характеристики трансформаторной стали, электромагнитное влияние тяговой нагрузки на ВЛ 10 кВ, осуществляемое через обмотки и сердечник тягового трансформатора.

С «5

К*

►----"ЛЛ?--------

м *г • ] ..........«.вакгйягатм^

9 '--! '---|

1

—

Рис. 2. Упрощенная модель ЭПС

Расчеты произведены для однопутного участка с двухсторонним питанием тяговой сети и трехфазной ВЛ 10 кВ с консольным питанием. Расстояние между тяговыми подстанциями составляет 54 км (участок Туфаново - Вохтога Северной ж.д., где ВЛ 10 кВ расположена на опорах контактной сети). Учтена установка двух фильтров напряжения нулевой последовательности - в начале и конце линии.

Результаты расчета для нормального режима работы линии при отсутствии на участке ЭПС показали, что в результате электромагнитного влияния тяговой сети на ВЛ 10 кВ в линии, подверженной влиянию, возникает напряжение нулевой последовательности - его величина достигает 2500 В как в начале, так и в конце линии. О наличии влияния также свидетельствуют различные значения фазных напряжений в линии. Линейные напряжения при этом отвечают предъявляемым к ним требованиям.

Результаты моделирования при нахождении на участке ЭПС позволяют сделать выводы о его влиянии на ВЛ 10 кВ. При включении двух фильтров напряжения нулевой последовательности влияние ЭПС на ВЛ 10 кВ незначительно. По сравнению с результатами моделирования на участке без тяговой нагрузки присутствуют коммутационные помехи и всплески в графиках напряжений на фильтрах, но принцип построения предлагаемой защиты ВЛ 10 кВ исключает нестабильную работу при таких режимах.

Использованная для создания моделей компьютерная программа также позволяет производить анализ спектрального состава токораспределения в проводах ВЛ и других точках моделируемой схемы. Разработанная модель

ЭПС позволила реализовать близкий к реальному спектральный состав тягового тока и напряжения на токоприемнике ЭПС.

Для оценки роли установки ФНП в начале и конце ВЛ 10 кВ были произведены расчеты для случая их отсутствия. Сравнение результатов показало, что отсутствие ФНП в исследуемой схеме вызывает многократный рост значений напряжений нулевой последовательности ВЛ 10 кВ, значительную несимметрию фазных напряжений и наличие большего числа помех как в начале, так и в конце линии. На основе проведенных исследований можно сделать вывод о положительной роли установки ФНП при расположении ВЛ 10 кВ в зонах электромагнитного влияния контактной сети переменного тока (особенно на ее опорах).

Моделирование режима обрыва провода фазы ВЛ 10 кВ и нахождения на перегоне ЭПС (рис. 3) подтвердило вывод о значительном увеличении уровня напряжения нулевой последовательности на фильтре в начале линии. При обрыве происходит двукратный рост его величины, что подтверждает работоспособность предложенной в работе защиты ВЛ 10 кВ. Подтверждена работоспособность защиты, также описанной в данной работе, базирующейся на измерении фазных напряжений в конце ВЛ 10 кВ. При обрыве происходит значительное изменение как линейных, так и фазных напряжений.

Для разработки принципов работы защит ВЛ 10 кВ и подтверждения их помехоустойчивости было произведено моделирование работы системы тяговая сеть - ВЛ в режиме устойчивого металлического короткого замыкания контактного провода на рельс. Наличие короткого замыкания в тяговой сети не вызвало значительных изменений в режиме работы ВЛ 10 кВ. Вследствие уменьшения тока ЭПС (переход в режим генератора его тяговых двигателей) электромагнитное влияние на ВЛ уменьшилось.

В зависимости от токораспределения в тяговой сети при ее двухстороннем питании возникают режимы, при которых напряжение нулевой последовательности в начале линии существенно выше аналогичной величины в конце ВЛ 10 кВ.

Анализ спектрального состава напряжений и токов системы позволил

сделать вывод о достаточности и необходимости выбора параметров дистанционной защиты СИП ВЛ 10 кВ основываясь на значениях основной гармоники.

т V

< \ г'"' И VI* \

X......."Г'х<

-VI

уд-;

.....Л7Г

х;

т

........

-Ч'-.'-т-.....

........г

........

-/■•Л...........................—АЛ!.......................А;- '

Рис. 3. Результаты расчета напряжения нулевой последовательности в начале и конце линии (первая группа графиков), фазных и линейных напряжений в конце линии (вторая и третья) при нахождении на участке ЭПС и обрыве

провода фазы А

Четвертая глава посвящена разработке и совершенствованию дистанционных защит ВЛ 10 кВ. Принципиальным отличием предлагаемых защит является использование измерения напряжения нулевой последовательности на резистивно-емкостных фильтрах для защиты ВЛ 10 кВ.

Для обоснования принципа действия защит ВЛ 10 кВ от неполнофаз-ных режимов работы, основанных на измерении напряжений нулевой последовательности в линии, был произведен расчет напряжений на резистивно-емкостных фильтрах при возникновении обрыва самонесущего изолированного провода ВЛ 10 кВ методами симметричных составляющих и наложения. Расчеты произведены для обрыва провода фазы А воздушной линии вблизи трансформаторной подстанции. Данный режим является наиболее неблаго-

приятным при расчете напряжения нулевой последовательности. Выбранные методы расчета позволяют учесть то, что сопротивления трансформаторов токам прямой, обратной и нулевой последовательностей различны.

Получены соотношения для расчета напряжений на обоих фильтрах линии и в месте обрыва провода фазы А (3):

(3)

где Е , ЕЛа6г - э.д.с. прямой, обратной последовательности фазы А;

г, - сопротивление питающего трансформатора, обмотка которого соединена в звезду с изолированной нейтралью;

г , г„0 - сопротивления трансформатора токам прямой и нулевой последовательностей;

Ей - э.д.с. нулевой последовательности, обусловленная электромагнитным влиянием тяговой сети на ВЛ;

2, - входное сопротивление системы провод-земля.

При известных значениях напряжений в месте обрыва провода и на фильтре нулевой последовательности напряжения в начале (4) и конце (5) линии определяются из соотношений:

^=3-Ко■ и1\г ) + . (4)

"то т _ _

о

ил= 3[—• и""2' + ]. (5)

3 *и0+2г, 22,+2^'

Также был рассмотрен случай неполнофазной работы линии, вызванной обрывом и нарушением изоляции провода со стороны нагрузки линии. Данный режим является наиболее опасным, так как существующие защиты линии неспособны его зафиксировать. Такой неполнофазный режим является определяющим как с точки зрения обеспечения условий электробезопасности

при обслуживании системы, так и разработки принципиально новых методов защиты ВЛ.

Установлено, что наиболее опасные режимы в системе электроснабжения нетяговых потребителей имеют место при работе трансформатора КТГТ в режиме, близком к холостому. Анализ системы электроснабжения нетяговых потребителей выполнен для случая, когда к ВЛ равномерно по ее длине подключены трех- и однофазные трансформаторы.

Установлено, что для случая подключения десяти однофазных трансформаторов ТМ 25/10 и трех трехфазных трансформатора мощностью 63 кВА электрическая составляющая наведенного напряжения на СИП составляет 4,06 кВ. Это свидетельствует о том, что при замыкании одной из фаз В Л 10 кВ на землю напряжение нулевой последовательности на трансформаторах значительно превышает нормируемое значение, равное 0,15 и®. Для ВЛ 10 кВ нормируемое значение напряжения нулевой последовательности равно 866 В.

Здесь же выполнен расчет и для случая секционирования линии, что имеет место при обнаружении места нарушения изоляции ВЛ 10 кВ. В качестве примера длина одной секции ВЛ 10 кВ была принята равной 22,5 км. Для названных условий значение перенапряжения составило 3,495 кВ. Следовательно, в случае отключения одной из секций проводов ВЛ 10 кВ, напряжение на фазе трансформатора, подключенной к оборванному фазному проводу, несколько уменьшается. Сказанное объясняется влиянием сопротивлений нагрузки трансформаторов на величину напряжения нулевой последовательности.

Результаты расчета токораспределения в обмотках трансформатора КТП, а также данные об уровнях перенапряжений в отключенных линиях свидетельствуют о том, что фазные и линейные напряжения, обусловленные электрическим влиянием напряжения контактной сети, в отключенных линиях системы 10 кВ соизмеримы с соответствующими рабочими напряжениями сети.

Результаты аналитических расчетов подтверждены результатами экспериментальных исследований, проведенных на электрифицированных участках Северной железной дороги. Расхождения не превышают десяти процентов.

Далее в главе представлены результаты оценки влияния подключенных к межфазному напряжению ВЛ 10 кВ однофазных трансформаторов типа ОМ. Проведен анализ влияния нагруженных однофазных трансформаторов на условия работы предлагаемых защит от 033, базирующихся на измерении напряжения нулевой последовательности на резистивно-емкостных фильтрах линии.

Установлено, что при подключении однофазных трансформаторов происходит определенное «шунтирование» передаваемого от конца линии сигнала, что может привести к ненадежной работе предлагаемой защиты ВЛ 10 кВ. Но результаты компьютерного моделирования позволили установить незначительность этого явления для работы защиты: при амплитуде передаваемого сигнала 141,42 В значения фазных напряжений неповрежденных фаз в начале линии составили 65 В при значении напряжения на поврежденной фазе 13 В, что гарантирует однозначность определения поврежденной фазы линии.

Влияние подключения межфазной нагрузки В Л 10 кВ также следует учитывать при расчете значения напряжений нулевой последовательности. Снижение уровня этих величин может привести к нестабильной работе защиты, базирующейся на их измерении. Результаты расчетов показали, что влияние подключения нагруженных однофазных трансформаторов в этом случае также незначительно для действия защит.

Важное место в главе занимает описание схем и параметров предлагаемых защит В Л 10 кВ, фиксирующих обрыв СИП. Разработаны и запатентованы три полезные модели, которые могут быть использованы при определении обрыва воздушных линий напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью, нашедших применение для питания нетяговых потребителей.

В основу работы защит положены экспериментальные данные и результаты расчетов, свидетельствующие о возрастании напряжения нулевой после-

довательности в конце и в начале линии при обрыве воздушного провода.

Одна из заявленных полезных моделей, базирующаяся на микропроцессорной базе, иллюстрируется рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема устройства определения обрыва и фиксации поврежденной фазы изолированных проводов ВЛ напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока Входящие в приведенную схему защиты В Л 10 кВ элементы подробно освещены в диссертации, как и схемы и описания работы других защит.

Полученные аналитическим путем результаты расчетов, позволившие обосновать возможность использования предложенных в работе защит для выявления неполнофазного режима работы В Л 10 кВ, подтверждены данными экспериментальных исследований. Эксперименты проводились персоналом Дорожной электротехнической лаборатории Северной железной дороги при участии сотрудников кафедры теоретических основ электротехники МИИТ.

Пятая глава посвящена обоснованию возможности создания защит СИП ВЛ 10 кВ на основе использования ее проводов в качестве канала связи.

Анализ работы тяговой сети и В Л 10 кВ проводился с применением теории многополюсников. Полученная система уравнений для участка тяговой сети и ВЛ 10 кВ длиной 200 м позволяет использовать матричный метод расчета. Так как участок большей длины будет представлять собой симметричную однородную цепочечную схему, то для получения матрицы такого участка необходимо исходную матрицу возвести в п степень, где п - число

9

звеньев цепочечной схемы. В результате проведенных преобразований обоснована возможность представления межподстанционной зоны тяговой сети и ВЛ 10 кВ в виде четырнадцатиполюсника.

Результаты математического моделирования позволили сделать выводы о возможности передачи сигнала об обрыве одной или двух фаз ВЛ от ее конца к началу. Проведенная аппроксимация для частот свыше 200 Гц позволила получить формулу зависимости напряжений на здоровых фазах ВЛ от частоты подаваемого сигнала:

иф = 95,902 Г"2'6289 (6)

Использование частоты 200 Гц для передачи сигнала позволяет получить наибольшее значение напряжения на фильтре в начале линии и обеспечить более надежную работу защиты от обрыва проводов фаз ВЛ 10 кВ (при амплитудном значении напряжения источника сигнала, составлявшего 134,5 В, расчетное значение напряжения на фильтре в начале линии достигло 51,09 В).

Заключение по работе

1. Выполнен обзор существующих типов дистанционных защит высоковольтных линий напряжением свыше 1000 В с самонесущими изолированными проводами, распложенными на опорах контактной сети переменного тока, по которым осуществляется электроснабжение нетяговых потребителей.

Показано, что известные технические решения, в основу которых положены принципы использования напряжений нулевой последовательности, возникающих при неполнофазных режимах в сетях, не могут быть использованы без дополнительных исследований для создания защит ВЛ, находящихся в зонах электромагнитного влияния.

2. Разработаны методы и технические решения по созданию дистанционных защит, позволяющих фиксировать возникновение неполнофазных режимов в СИП ВЛ 10 кВ при их расположении в зонах электромагнитного влияния систем тягового электроснабжения переменного тока.

Анализ расчетных значений, данных компьютерного моделирования и

результатов экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками Северной железной дороги - филиала ОАО «РЖД» и МИИТа на участке Буй - Вологда, позволил обосновать ряд принципов и схемных решений защит СИП ВЛ 10 кВ при возникновении неполнофазных режимов.

К ним, в частности, относятся:

- измерение фазных напряжений и, соответственно, напряжений нулевой последовательности в конце ВЛ 10 кВ при использовании радиальных линий для электроснабжения нетяговых потребителей; в качестве датчика напряжения нулевой последовательности используется резистивно-емкостной фильтр, служащий для ограничения перенапряжений в слабона-груженных линиях напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью; новизна предложенных технических решений и их практическая значимость защищены патентами на полезные модели № 85410, № 87967;

- использование СИП ВЛ 10 кВ, СПД ОАО «РЖД» в качестве каналов связи для передачи сигнала о возникновении неполнофазного режима (патент № 96354 на полезную модель);

- использование существующего комплекта защиты ЗЗП-1М. Измерение тока и напряжения нулевой последовательности в начале линии и отключение опасных режимов работы по команде реле направления мощности.

3. Обоснована математическая модель системы электроснабжения нетяговых потребителей при расположении питающей линии в зонах электромагнитного влияния, учитывающая емкостные и взаимоиндуктивные связи между влияющей линией и линией, подверженной влиянию.

Получены расчетные выражения для определения емкостных связей между СИП ВЛ 10 кВ и контактной сетью с усиливающим проводом при возникновении в СИП ВЛ 10 кВ неполнофазных режимов, обусловленных как обрывом самонесущего провода и нарушением изоляции ВЛ 10 кВ, так и обрывом СИП с возникающим одновременно пробоем его изоляции между местом обрыва и концом линии при ее питании по радиальной схеме.

4. Разработана методика расчета опасного и мешающего электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока на воздушные линии с саго

монесущими изолированными проводами при возникновении в них непол-нофазных режимов, отличающаяся от известных алгоритмов отказом от использования понятий коэффициента чувствительности и волнового коэффициента при расчете магнитного влияния.

5. Установлена функциональная зависимость напряжения нулевой последовательности фазных напряжений в линии электроснабжения нетяговых потребителей от режима ее работы, в частности при возникновении в ней обрыва самонесущих изолированных проводов.

Получено, что значение наведенного напряжения на проводе ВЛ 10 кВ в режиме холостого хода может достигать 4400 В, а наличие усиливающего провода приводит к увеличению электрического влияния в среднем в 1,5 раза по сравнению с тяговой сетью с отсутствующим усиливающим проводом.

Оценено влияние нагрузки силовых трансформаторов на напряжения нулевой последовательности. Так, напряжения нулевой последовательности фазных напряжений первичной (высоковольтной) обмотки силового трансформатора типа ТМ (ТС) при обрыве СИП ВЛ 10 могут достигать в слабона-груженных линиях 3 - 3,5 кВ, что существенно превышает нормируемые значения.

6. Предложен алгоритм компьютерного моделирования электромагнитных процессов в системе тяговая сеть - ВЛ 10 кВ. Созданы следующие модели, позволяющие провести всесторонний анализ системы:

- модель тягового трехобмоточного трансформатора 110/27,5/11 кВ при учете характеристик его обмоток, сердечника и кривой намагничивания стали;

- модель однофазного двухобмоточного трансформатора типа ОМ, осуществляющего питание нагрузки ВЛ 10 кВ от межфазного напряжения 10 кВ, учитывающая инерционный характер Вебер-амперной характеристики трансформаторной стали;

- упрощенная модель преобразовательного электровоза, в которой про-тиво-ЭДС в цепи выпрямленного тока определяется по данным тяговых расчетов и при анализе напряжений нулевой последовательности в фазных на-

пряжениях СИП ВЛ 10 кВ принимается постоянной величиной;

- модель участка тяговой сети и ВЛ 10 кВ длиной 200 метров, учитывающая емкости проводов как между собой, так и относительно земли. Приняты во внимание и взаимоиндуктивные связи. Каскадное соединение таких участков позволяет получить модель межподстанционной зоны. Рассмотрены варианты питания тяговой сети напряжением 27,5 кВ и 2><25 кВ.

7. Предложена методика расчета распределения токов от источника ЭДС, изменяющейся по гармоническому закону, при использовании линии в качестве канала связи для передачи сигнала от конца линии к началу, отличающаяся от известных представлением системы проводов ВЛ и контактной сети с усиливающим проводом в качестве каскадного соединения 14-ти по-люсников, моделирующих 200 м систем электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей, а также учитывающих наличие в системе электроснабжения как трансформаторов типа ОМ, так и силовых трансформаторов типа ТМ (ТС).

Подтверждена целесообразность использования ВЛ как канала связи для передачи информации о возникновении в ней неполнофазных режимов.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Косарев А.Б., Симаков A.B., Кузнецов Д.Г., Логинов C.B. Электромагнитное влияние системы 2x25 кВ на транспонированные воздушные линии напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети // Электроника и электрооборудование транспорта. -2009. -№1. -С. 5-10.

2. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г., Логинов C.B. Методика расчета резонансных перенапряжений в отключенных воздушных линиях при их расположении на опорах контактной сети переменного тока // ВИНИТИ. Транспорт: наука, техника, управление. -2009. -№7. -С. 25-28.

3. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г. Метод и устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. -2009. -№ 4. -С. 15-19.

4. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г. Устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока // Электроника и электрооборудование транспорта. -2009. -№ 5-6. -С. 28-32.

5. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г. Совершенствование устройств защиты высоковольтных линий, работающих в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока, при возникновении в них неполнофазных режимов // Вестник ВНИИЖТ. -2010. -№ 4. -С. 18-23.

Другие научные публикации по теме диссертации

1. Кузнецов Д.Г. Устройство защиты от однофазных замыканий на землю BJÏ 10 кВ // Труды девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». -М.: МИИТ, 2008. -С. VI-7-VI-8.

2. Косарев А.Б, Кузнецов Д.Г., Логинов C.B. Устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока. Российская Федерация. Патент на полезную модель № 85410. Опубликован 10.08.2009г. Бюл. № 22. -4 с.

3. Кузнецов Д.Г. Устройство защиты от однофазных замыканий на землю ВЛ 10 кВ // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте. Пятый международный симпозиум «Элтранс-2009». Тезисы докладов. -СПб., 2009. -С. 52.

4. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г., Москвин С.Л. Устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока в зонах сближения с высоковольтными ЛЭП. Российская Федерация. Патент на полезную модель № 87967. Опубликован 27.10.2009г. Бюл. № 30. -2 с.

5. Косарев Б.И., Кузнецов Д.Г. Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в системах тягового и нетягового электроснабжения переменного тока // Труды юбилейной десятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». -М.: МИИТ. -2009. -С. VI-19-VI-22.

6. Косарев Б.И., Кузнецов Д.Г. Устройство определения обрыва изоли-

и

рованных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока // Труды VII международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-СНЕМ». -М: МИИТ. -2010. -С. 183-185.

7. Косарев Б.И., Кузнецов Д.Г., Буйлов И.В. Устройство определения обрыва и фиксации поврежденной фазы изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока. Российская Федерация. Патент на полезную модель № 96354. Опубликован 27.07.2010. Бюл. № 21. -2 с.

8. Волынцев В.В., Косарев Б.И., Кузнецов Д.Г. Моделирование электромагнитных процессов в системах электроснабжения переменного тока // Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте: материалы Пятого международного симпозиума «Элтранс-2009», 20-23 октября 2009 года. - СПб. : Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010. с. 406-415.

Кузнецов Дмитрий Германович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 кВ ПРИ ИХ РАСПОЛОЖЕНИИ НА ОПОРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати Формат 60x80 1/16

Объем 1,5п.л. Заказ № Д^З Тираж 80 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава!. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ ЗАЩИТ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАВИСАНИЙ В СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ СВЫШЕ 1000 В ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ САМОНЕСУЩИХ ИЗОЛИРОВАННЫХ ПРОВОДОВ. .:.

Т.1. Мировойопыт и особенности применения СИП для устройства! воздушных линий напряжением свыше 1000 В с изолированной или компенсированной нейтралью. 8>

1.2. Существующее методы« и технические решения по созданию защит от однофазных замыканий на.землю в сетях напряжением свыше 1000 В с изолированной или компенсированной нейтралью.—.

Глава 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В КОНЦЕ ВЛ 10 кВ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ В НЕЙ НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМОВ.

2.1. Расчет емкостных связей между самонесущимиизолированными проводами высоковольтных линий при их расположении на опорах контактной сети с усиливающим проводом.

2.2. Алгоритм и результаты расчета электрического влияния тяговых сетей переменного тока на СИП ВЛ 10 кВ при ее расположении на опорах контактной сети и возникновении в ней неполно-фазных режимов.:.:.

Глава 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЛИЯНИЯ ТЯГОВЫХ СЕТЕЙ НА ВЛ 10 кВ.

3.1. Параметры математической модели системы многопроводная: сеть —СИП ВЛ 10 кВ. .:.

3.2. Анализ результатов электромагнитного влияния системы тягового электроснабжения на В Л 10 кВ.

3.3. Особенности моделирования работы электроподвижного состава.

3.4.Совершенствование математической модели и повышение точности расчетов за счет учета петли гистерезиса трансформаторной стали.

Глава 4: СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ СИП ВЛ 10 кВ ПРИ РАСПОЛОЖЕНИИ ЛИНИИ НА ОПОРАХ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

4.1. Расчет напряжений на резистивно-емкостных фильтрах при возникновении'обрыва СИП ВЛ 10 кВ методом симметричных составляющих.

4.2. Расчет напряжений на. резистивно-емкостных фильтрах при одновременном возникновении обрыва и нарушении изоляции фазного провода.СИП ВЛ 10 кВ.

4.3. Влияние однофазных трансформаторов типа ОМ на напряжение нулевой последовательности в В Л 10 кВ при возникновении'в-ней неполнофазного режима.

4.4. Схема и параметры защиты СИП ВЛ 10 кВ, фиксирующей обрыв СИП.

4.4.1. Устройство определения обрыва изолированных проводов' воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока.

4.4.2. Устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока в зонах сближения с высоковольтными ЛЭП.:

4.4.3. Устройство определения обрыва и фиксации поврежденной фазы изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока.

4.4.4. Устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока, реализованное на базе комплекта защиты ЗЗП-1М.

Глава 5. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТ СИП ВЛ 10 кВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЕЕ ПРОВОДОВ В КАЧЕСТВЕ КАНАЛА СВЯЗИ.

5.1. Математическая модель системы тяговая сеть — В Л 10 кВ для анализа передачи сигнала, изменяющегося по гармоническому закону.

5.2. Методика расчета токораспределения в системе тяговая сеть -ВЛ 10 кВ от источника гармонически изменяющегося напряжения, подключенного в конце трехфазной линии.

5.3. Анализ результатов моделирования по выбору частоты сигнала источника Э ДС.

ВЫВОДЫ.

Российские железные дороги являются одной из ьфупнейших транспортных систем мира - эксплуатационная длина на сегодняшний день составляет 85,2 тыс. км. [65]. ОАО "РЖД" занимает первое место в мире по протяженности электрифицированных линий — 42,9 тыс. км. и входит в тройку самых крупных транспортных компаний мира [100, 52].

Параллельно трассам многих электрифицированных железнодорожных участков для питания нетяговых потребителей проложены высоковольтные линии продольного электроснабжения (ВЛ ПЭ), а также электроснабжения устройств сигнализации, централизации и блокировки (ВЛ СЦБ). Номинальное напряжение таких линий составляет 6, 10 и 35 кВ. ВЛ ПЭ используются для электроснабжения как нетяговых железнодорожных, так и сторонних потребителей различных категорий исходя из требований их бесперебойного питания [76].

Возникновение однофазного замыкания на землю, а затем второго такого же замыкания на другой фазе в любой точке сети, приводит к двухфазному короткому замыканию через землю и представляет серьезную аварию, соответственно невозможность питания аппаратуры СЦБ. Это ведет к обесточиванию сигнальных точек и, как следствие, остановке движения поездов.

Задача создания современных типов защит от однофазных замыканий на землю не может быть решена лишь измерением параметров тока замыкания на землю, так как в силу специфики его формирования величина и фаза тока практически не зависят от расстояния до места замыкания фазы на землю. В большинстве случаев место замыкания фазы на землю ВЛ СЦБ имеет большое переходное сопротивление, которое колеблется от единиц Ом до кОм. Скрытые замыкания на землю (как правило, с большим переходным сопротивлением) визуально определить невозможно, что приводит к большим потерям рабочего времени ремонтных бригад на устранение неисправностей, что негативно сказывается на бесперебойности движения поездов [53].

Известно также, что на ряде электрифицированных участков переменного тока ВЛ ПЭ и СЦБ расположены на опорах контактной сети с полевой стороны [39]. Данное техническое решение экономически обосновано и имеет существенное практическое значение для ОАО «РЖД», в том числе и при внедрении системы 2x25 кВ с автотрансформаторами и питающим проводом. Также в некоторых случаях (гористая или топкая местность, ощутимая нехватка места для возведения отдельной линии 10 кВ) такое решение является единственно возможным при проектировании (что имеет место на участке

Карымская - Забайкальск).

Вопросом создания защит высоковольтных линий от однофазных замыканий на землю посвящено значительное число публикаций, в том числе и монографий, выполненных сотрудниками учебных университетов и академий, научно-исследовательских институтов.

•Однако существующие защиты от однофазных замыканий на землю не могут быть использованы без дополнительных исследований в случаях, когда в качестве воздушных проводов применяются самонесущие изолированные провода (СИП).

Решаемая в диссертационной работе задача, имеющая научное и практическое значение для электроснабжения нетяговых потребителей магистральных железных дорог переменного тока, посвящена обоснованию метода и технических решений по реализации принципов построения защит от однофазных замыканий на землю для воздушных линий, работающих в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока.

Тема диссертационной работы соответствует научному направлению кафедры «Теоретические основы электротехники» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Координация выполнения темы диссертационной работы осуществлялась ЦТех ОАО «РЖД», практические задачи ставились службой электрификации и электроснабжения Северной ж.д. - филиала ОАО «РЖД». На защиту выносятся следующие положения диссертации: -принципы действия, схемотехнические решения и параметры защитВЛ 10 кВ, фиксирующих факт обрыва СИП при учете способов передачи данных о повреждении изоляции В Л, количества установленных на защищаемом'участке фильтров напряжения нулевой последовательности и существующего оборудования защиты линии;

- алгоритме построения компьютерной модели системы тяговая сеть - В Л 10 кВ на основе созданных для расчета электромагнитных процессов в: системах электроснабжения нетяговых потребителей моделей электровоза, участков тяговой сети и ВЛ 10 кВ, тягового трехфазного трехобмоточного трансформатора, позволяющей учесть электромагнитное влияние токов ЭНС на: ВЛ 10 кВ;

-методика расчета распределения; токов от источника ЭДС, изменяющейся по гармоническому закону, при использовании линии в качестве канала связи для передачи сигнала от конца линии к началу, отличающаяся от известных представлением: системы проводов ВЛ и контактной сети с усиливающим проводом в качестве каскадного соединения 14-ти полюсников, моделирующих 200> м систем электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей, а также учитывающих наличие в системе электроснабжения как трансформаторов типа ОМ, так и силовых трансформаторов типа ТМ (ТС);

-методика расчета фазных напряжений и напряжения нулевой последовательности в высоковольтных линиях напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока при учете различных по величине сопротивлений нагрузки и тяговых трансформаторов токам прямой, обратной и нулевой последовательностей как в нормальном, так и в неполнофазном режимах работы.

выводы

1. Выполнен обзор существующих типов дистанционных защит высоковольтных линий напряжением свыше 1000 В с самонесущими изолированными проводами, распложенными на опорах контактной сети переменного тока, по которым осуществляется электроснабжение нетяговых потребителей.

Показано, что известные технические решения, в основу которых положены принципы использования напряжений нулевой последовательности, возникающих при неполнофазных режимах в сетях, не могут быть использованы без дополнительных исследований для создания защит ВЛ, находящихся в зонах электромагнитного влияния.

2. Разработаны методы и технические решения по созданию дистанционных защит, позволяющих фиксировать возникновение неполнофазных режимов в СИП ВЛ 10 кВ при их расположении в зонах электромагнитного влияния систем тягового электроснабжения переменного тока.

Анализ расчетных значений, данных компьютерного моделирования и результатов экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками Северной железной дороги - филиала ОАО «РЖД» и МИИТа на участке Буй -Вологда, позволил обосновать ряд принципов и схемных решений защит СИП ВЛ 10 кВ при возникновении неполнофазных режимов.

К ним, в частности, относятся:

- измерение фазных напряжений и, соответственно, напряжений нулевой последовательности в конце В Л 10 кВ при использовании радиальных линий для электроснабжения нетяговых потребителей; в качестве датчика напряжения нулевой последовательности используется резистивно-емкостной фильтр, служащий для ограничения перенапряжений в слабонагруженных линиях напряжением свыше 1000 В с изолированной нейтралью; новизна предложенных технических решений и их практическая значимость защищены патентами на полезные модели № 85410, № 87967;

- использование СИП ВЛ 10 кВ, СПД ОАО «РЖД» в качестве каналов связи для передачи сигнала о возникновении неполнофазного режима (патент № 96354 на полезную модель); 9 использование существующего комплекта защиты ЗЗП-1М. Измерение тока и напряжения нулевой последовательности в начале линии и отключение опасных режимов работы по команде реле направления мощности.

3. Обоснована математическая модель системы электроснабжения нетяговых потребителей при расположении питающей линии в зонах электромагнитного влияния, учитывающая емкостные и взаимоиндуктивные связи между влияющей линией и линией, подверженной влиянию.

Получены расчетные выражения для определения емкостных связей между СИП ВЛ 10 кВ и контактной сетью с усиливающим проводом при возникновении в СИП ВЛ 10 кВ неполнофазных режимов, обусловленных как обрывом самонесущего провода и нарушением изоляции В Л 10 кВ, так и обрывом СИП с возникающим одновременно пробоем его изоляции между местом обрыва и концом линии при ее питании по радиальной схеме.

4. Разработана методика расчета опасного и мешающего электромагнитного влияния тяговых сетей' переменного тока на воздушные линии с самонесущими изолированными проводами при возникновении в них неполнофазных режимов, отличающаяся от известных алгоритмов отказом от использования понятий коэффициента чувствительности и волнового коэффициента при расчете магнитного влияния.

5. Установлена функциональная зависимость напряжения нулевой последовательности фазных напряжений в линии электроснабжения нетяговых потребителей от режима ее работы, в частности при возникновении в ней обрыва самонесущих изолированных проводов.

Получено, что значение наведенного напряжения на проводе ВЛ 10 кВ в режиме холостого хода может достигать 4400 В, а наличие усиливающего провода приводит к увеличению электрического влияния в среднем в 1,5 раза по сравнению с тяговой сетью с отсутствующим усиливающим проводом.

Оценено влияние нагрузки силовых трансформаторов на напряжения нулевой последовательности. Так, напряжения нулевой последовательности фазных напряжений первичной (высоковольтной) обмотки силового трансформатора типа ТМ (ТС) при обрыве СИП В Л 10 могут достигать в слабонагруженных линиях 3 3,5 кВ, что существенно превышает нормируемые значения.

6. Предложен алгоритм компьютерного моделирования электромагнитных процессов в системе тяговая сеть - В Л 10 кВ. Созданы следующие модели, позволяющие провести всесторонний анализ системы:

- модель тягового трехобмоточного трансформатора 110/27,5/11 кВ при учете характеристик его обмоток, сердечника и кривой намагничивания стали;

- модель однофазного двухобмоточного трансформатора типа ОМ, осуществляющего питание нагрузки ВЛ 10 кВ от межфазного напряжения 10 кВ, учитывающая инерционный характер Вебер-амперной характеристики трансформаторной стали;

- упрощенная' модель преобразовательного электровоза, в которой противо-ЭДС в цепи выпрямленного тока определяется по данным тяговых расчетов и при анализе напряжений нулевой последовательности в фазных напряжениях СИП ВЛ 10 кВ принимается постоянной величиной;

- модель участка тяговой сети и ВЛ 10 кВ длиной 200 метров, учитывающая емкости проводов как между собой, так и относительно земли. Приняты во внимание и взаимоиндуктивные связи. Каскадное соединение таких участков позволяет получить модель межподстанционной зоны. Рассмотрены варианты питания тяговой сети напряжением 27,5 кВ и 2x25 кВ.

7. Предложена методика расчета распределения токов от источника ЭДС, изменяющейся по гармоническому закону, при использовании линии в качестве канала связи для передачи сигнала от конца линии к началу, отличающаяся от известных представлением системы проводов ВЛ и контактной сети с усиливающим проводом в качестве каскадного соединения 14-ти полюсников, моделирующих 200 м систем электроснабжения тяговых и нетяговых потребителей, а также учитывающих наличие в системе электроснабжения как трансформаторов типа ОМ, так и силовых трансформаторов типа ТМ (ТС).

Подтверждена целесообразность использования ВЛ как канала связи для передачи информации о возникновении в ней неполнофазных режимов.

140

1. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. -М.: Наука,, 1964. -772 с.

2. Арриллат Дж., Бредли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -319 с.

3. Артюх А.Н., Косарев А.Б. Матричный метод расчета токораспределения в многопроводных тяговых сетях переменного' тока // Труды ВНИИЖТ. г 1991.-С. 58-64.

4. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. -М.: ЭНЕРГИЯ, ■ . 1978; -424 с. ' '■■•' , . .■.'-."',

5. Бадер М.П. Электромагнитная совместимость. -М.:УМК МПС РФ, 2002. -617с.

6. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Некоторые аспекты моделирования систем силовой электроники// Силовая Электроника. -2006. -№ 4. С. 78-83.

7. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. Опыт моделирования систем силовой электроники-в среде OrCAD 9.2 // Силовая Электроника. -2004. -№ 1. С. 9095. • ; ; '8; Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. -М;: Энергоиздат, 1933:-182с:

8. Васько Н.М., Девятков A.C., Кучеров А.Ф: и др. Электровоз; ВЛ 80с. Руководство к эксплуатации. -М.: Транспорт, 2001. -454с.

9. Власов СЛ., Караев Р:И., Фролов A.B. Расчетные схемы тяговых сетей переменного тока 25 кВ // Электричество. -1985. -№ 9. -С. 60-62.

10. Гапанович В.А. Актуальные аспекты современного состояния железнодорожной отрасли // Транспорт Российской Федерации. -2008. -№* 5. -С. 6-8.

11. Гамазин С.И., Пупин В.М.', Зелепугин Р. В., Сабитов А. Р. Современные способы, повышения надежности электроснабжения- потребителей напряжением 10, 6 и 0,4 кВ // Промышленная энергетика. -2008. -№ 8. -С. 20-23.

12. ГОСТ Р 52373-2005. Провода самонесущие изолированные и защищенные для воздушных линий электропередачи. Общие технические условия. Дата введения 2006.07.01.

13. ГОСТ Р МЭК 61140-2000. Защита от поражения электрическим током. Общие положения по безопасности, обеспечиваемойэлектрооборудованием и электроустановками в их взаимосвязи. Дата' введения 2002.01.01.

14. Дмитриев В.Р. Смирнов В.И. Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. -М.: Транспорт, 1983. 215с.

15. Ермоленко Д.В. Повышение электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения с тиристорным электроподвижным составом: Автореф. дис. канд. техн. наук. — Москва, 1991. -22 с.

16. Жарков Ю.И., Фигурнов Е.П., Ожиганов Н.В. Особенности защиты от замыканий на землю ВЛ СЦБ при электромагнитном влиянии контактной сети//ВестникРГУПС. -2008. -№ 1. -С. 113-117.

17. Зелях Э.В. Основы общей теории линейных электрических схем. -М.: Издательство АН СССР, 1951. -335с.

18. Инструкция по техническому обслуживанию и ремонту устройств электроснабжения сигнализации, централизации, блокировки и связи на федеральном железнодорожном транспорте. ЦЭ-881 от 20.03.2002 г.

19. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалев И.А. Электрические сети и энергосистемы. -М.: Транспорт, 1988. -326 с.

20. КарякинР.Н. Тяговые сети переменного тока. -М.: Транспорт, 1987. -279 с.

21. Косарев А.Б. Обоснование длины шага транспозиции проводов ВЛ 10 кВ при их расположении на опорах контактной сети переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. -2008. -№ 6. -С. 13-18.

22. Косарев А.Б. Основы теории- электромагнитной совместимости систем тягового электроснабжения переменного тока. -М.: Интекст, 2004. -272 с.

23. Косарев А.Б. Система тягового электроснабжения переменного тока с уменьшенным электромагнитным влиянием на смежные линии икоммуникации // ВИНИТИ. Транспорт. Наука, техника, управление. -1999. -№ 2. -С. 17-22.

24. Косарев А.Б. Электромагнитные связи элементов систем тягового электроснабжения//ВестникВНИИЖТ. -2002. -№ 5. -С. 38-41.

25. Косарев А. Б., Волынцев В. В. Мешающее влияние тяговой сети переменного тока с усиливающим и экранирующим проводами на линии связи // Энергосбережение и водоподготовка. -2000. -№2. -С. 67-70.

26. Косарев А.Б., Косарев Б.И. Гальваническое влияние тяговых сетей магистральных железных дорог // ВИНИТИ. Транспорт. Наука, техника, управление. -1999. -№9. -С. 11-15.

27. Косарев А.Б., Косарев Б.И. Основы электромагнитной безопасности систем электроснабжения железнодорожного транспорта. -М.: Интекст, 2008. -480 с.

28. Косарев А.Б., Косарев Б.И. Электромагнитная совместимость устройств электропитания систем железнодорожной автоматики с тяговыми сетями // ВИНИТИ. Транспорт. Наука, техника, управление. -2004. -№7. -С. 31-34.

29. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г. Метод и устройство определения обрыва изолированных проводов воздушных линий напряжением свыше 1000 В при их расположении на опорах контактной сети переменного тока //

30. Вестник ВНИИЖТ. -2009. -№ 4. -С. 15-19.

31. Косарев А.Б., Кузнецов Д.Г. Совершенствование устройств защиты высоковольтных линий, работающих в зонах электромагнитного влияния тяговых сетей переменного тока, при возникновении в них неполнофазных режимов // Вестник ВНИИЖТ. -2010. -№ 4. -С. 18-23.

32. Косарев А.Б., Симаков A.B., Вржесинский А.Е. Электрическое влияние тяговых сетей переменного тока системы электроснабжения 2x25 кВ на воздушные провода высоковольтных линий // ВИНИТИ. Транспорт. Наука, техника, управление.-2009.-№3.-С. 20-26.

33. Косарев А.Б., Симаков A.B., Вржесинский , А.Е. Электромагнитнаясовместимость расположенных на опорах контактной сети проводов высоковольтных линий с системой тягового электроснабжения • переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. -2009. -№1. -С. 3-9.

34. Косарев Б.И. Теория электрического расчета, неоднородных и сложных тяговых сетей// Труды.МИИТа, Вып. 411. -М.: МИИТ, 1978. -с. 28-41. Гл5

35. Косарев Б.И. Электробезопасность в тяговых сетях переменного тока. -М.: Транспорт, 1989. -227 с.

36. Косарев Б.И., Бычков А.Н. Расчет напряжений "рельсы земля" в двусторонне питаемых тяговых сетях переменного тока // Электричество.1975. -№ 5. -С. 39-43.

37. Косарев Б.И., Власов С.П. Нормирование критериев электробезопасности электроустановок железнодорожного транспорта // ВИНИТИ. Транспорт. Наука, техника, управление. -1999. -№ 9. -С. 7-12.

38. Косарев, Б.И., Зельвянский Я. А., Сибаров Ю.Г. Электробезопасность в. системе железных дорог. Под ред. Б.И. Косарева. -М.: Транспорт, 1983. -199 с.

39. Косарев Б.И., Коннова Е.И., Соколов С.Д. и др. Электрический расчет многопроводных тяговых сетей переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. -1982. -№ 8. -С. 32-37.

40. Косарев Б.И., Монаков В.К. УЗО как эффективное средство предупреждения возгораний и пожаров в электроустановках // Шестая научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». -М.: МИИТ, 2005. 2т, -С. 50-53.

41. Косарев Б.И., Сотников Б.Н., Трубицына Т.П. Методика оценки и нормирования. • критериев , электробезопасности электроустановок железнодорожного транспорта//Вестник ВНИИЖТ. -2009. -№ 1. -С. 16-21.

42. Котельников A.B. Энергетическая стратегия железных дорог России // Железные дороги мира. -2005. -№ 2. -С. 4.

43. Котельников А. В., Полишкина И.И., Беллалутдинова Е.Р., Школьников E.H. Проблемы энергетического обеспечения перевозочного процесса железных дорог в современных условиях // Вестник ВНИИЖТ. -2006. -№ 5. -С. 10-15.

44. Котельников A.B., Косарев А.Б. Электромагнитное влияние тяговых сетей переменного тока на металлические конструкции // Электричество. -1992.9. -С. 26-34.

45. Кравцов Ю.А. и др. Теория, устройство и работа рельсовых цепей. -М.: Транспорт, 1985. -320 с.

46. Круг К.А. Основы электротехники. -Л.: ОНТИ. НКТП СССР, 1936. -887с.

47. Кузнецов Д.Г. Устройство защиты от однофазных замыканий на землю ВЛ 10 кВ // Труды девятой научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». -М.: МИИТ, 2008. -С. У1-7-У1-8.

48. Лавров Ю.Л. Линии электропередачи всех классов напряжений. Опыт и проблемы от проектирования до эксплуатации // Новости электротехники. -2004. -№5. -С. 14-18.

49. Марквардг Г.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. -М.: Транспорт, 1982. -528 с.

50. Марквардг К.Г. Электроснабжение электрических железных дорог. -М.: Транспорт, 1965. -464 с.

51. Михайлов М.И. Влияние внешних электромагнитных полей на цепи проводной связи и защитное мероприятия. -М.: Связьиздат, 1959. -583 с.

52. Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А. Электромагнитные влияния на сооружения связи. -М.: Связь, 1979. -264 с.

53. Монаков В.К. УЗО. Теория и практика. -М.: Энергосервис, 2007. -367 с.

54. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. -Л.: Госэнергоиздат. Часть Ш. Теория электромагнитного поля, 1959. -232 с.

55. Особенности монтажа самонесущих изолированных и защищенных проводов при строительстве воздушных линий электропередачи 0,38-35 кВ. Информация предоставлена ООО «БЭСТЭР» // Электротехническийрынок. -2006. -№ 3. -С. 24-26.

56. Петров Г.Н. Электрические машины. 1. Введение. Трансформаторы. -М.: Госэнергоиздат, 1956. -224 с.

57. Попов А.Ю. Снижение электромагнитного влияния на линии питания нетяговых потребителей 6(10) кВ со стороны тяговой сети переменного тока 27,5 кВ // Известия-Петербургского университета путей сообщения. -2010. -№ 2. -С. 96-109.

58. Правила защиты устройств проводной связи- и проводного вещания от влияния тяговых сетей электрифицированных железных дорог переменного тока. -М.: Транспорт, 1969. -89с.

59. Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог Российской Федерации. -М.: Транспорт, 1999. -77 с.

60. Правила устройства электроустановок: Все действующие разделы ПУЭ-7. -7-е изд. -Сибирское университетское издательство, 2006. -713 с.

61. Пупынин В.Н., Гречишников В.А. Способ защиты тяговой сети постоянного тока по приращению тока. Российская Федерация. Патент на полезную модель № 2161355. Опубликован 2000.12.27. -с. 4.

62. Радченко В.Д. Техника высоких напряжений. -М.: Наука, 1976. -467 с.

63. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICROCAP V. -М:: Солон, 1997. -280 с.

64. Ратнер М.П. Индуктивное влияние железных дорог на электрические сети и трубопроводы. -М.: Транспорт, 1966. -164 с.

65. Ратнер М.П., Могилевский Е.Л. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог. -М.: Транспорт, 1985. -295 с.

66. Руководящие указания по защите от перенапряжений устройств СЦБ. -М.: Транспорт, 1990. -64 с.

67. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. -М.: Издательство иностранной литературы, 1955. -714 с.

68. Савоськин A.A., Кулинич Ю.М., Алексеев A.C. Математическоемоделирование электромагнитных процессов в динамической системе контактная сеть электровоз // Электричество. -2002. -№2. С. 29-35.

69. Серов В.И., Шуцкий В.И., Ягудаев Б.М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. -М.: Наука, 1985. -136 с.

70. Соловьев М.Н., Шаманов Д.В. Наиболее распространенные ошибки при монтаже СИП//Новости электротехники. -2004. -№ 1. -С. 70-71.

71. Стреттон Дж. Теория электромагнетизма. -JL: Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1948. -562 с.

72. Фабрикант B.JI. Дистанционная защита. -М.: Высшая школа, 1978. -215 с.

73. Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. Релейная-защита. -М.: Энергоатомиздат, 1984'. -520 с.

74. Фигурнов Е.П. Релейная защита. -М.: ИМК Желдориздат, 2002. -718 с.

75. Фигурнов Е.П. Сопротивление тяговой сети переменного тока // Электричество. -1997. -№ 5. -С. 23-29.

76. Фигурнов Е.П., Бодров П.А. Емкость контактной сети переменного тока // Вестник РГУПС. -2007. -№ 2. -С. 90-94.

77. Фигурнов'Е.П., Бодров П.А. Электрическое влияние контактной сети на воздушную линию электропередачи // Вестник РГУПС. -2007. -№ 3. -С. 101-107.

78. Фигурнов Е.П., Бочев A.C. Энергосберегающая электротяговая сеть с ЭУП в современных условиях//Вестник РГУПС. -2003. -№ 1. -С. 46-47.

79. Худяков A.A., Сапунков M.JI. Разработка обобщенной модели распределительной сети 6-10 kB для исследования нового способа защиты от однофазных замыканий на землю // Научные исследования и инновации. Том 4. -2010. -№ 1. -С. 133-138.

80. Шатилов В. Н. Расчет электрического поля и емкости контактной сети с учетом балластной призмы // Тр. МИИТ. Вып 569. -М.: МИИТ, 1977. С. 108-113.

81. Шваб А. Электромагнитная совместимость. -М.: Энергоатомиздат, 1995. -480 с.

82. Шерстобитов P.M., Юндин М.А. Влияние однофазных замыканий на землю в сети ВЛ 10 кВ на надежность электроснабжения потребителей // Надежность и безопасность энергетики. -2010. -№ 10. -С. 63-66.

83. Шимони К. Теоретические основы электротехники. -М.: Мир, 1964. -685 с.