Введение к работе
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 2х25 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 (ОЗЗ) 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 ВЛ 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 неполнофазных 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 ВЛ 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 ОЗЗ ВЛ 10 кВ.
3. Применение алгоритма математического моделирования системы тяговая 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 ОЗЗ 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 Eltrans (С.-Петербург, 2009 г.), VII-ой международной научно-технической конференции студентов и молодых ученых «TRANS-MECH-ART-CHEM» (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.
