Автореферат (Разработка и совершенствование алгоритмов селективной и неселективной систем защиты тяговых сетей переменного тока)

3Диссертация посвящается светлой памяти моего учителяПупынина Владимира НиколаевичаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьэлектросетевоготемыкомплексаисследования.РоссийскойСтратегияФедерациивразвитиянаправленииобеспечения надежного электроснабжения тяги поездов, предусмотренная наближайшие годы и на перспективу, ставит перед железнодорожнымтранспортом новые задачи.

Вопросы надежного электроснабжения вусловияхобновленияоборудованияиустройствэлектроснабжения,являющихся приоритетными мероприятиями при реализации указанногонаправления,приобретаютособыйвеситребуютнахождениянаивыгоднейших решений. Очевидно, что такие решения будут возможнытолько при соответствующей полноте и рациональности положенийнормативной документации, которые в настоящее время требуют внесениявесьма существенных корректив.Поэтому для обеспечения надежного электроснабжения тяги поездовнеобходимо совершенствование методов расчета токов короткого замыкания(КЗ) с целью получения большей точности расчета и рационализациятехнических решений по организации защиты от токов КЗ, в полной мересоответствующих требованиям быстродействия, и алгоритмов средствавтоматики, управляющих объектами тягового электроснабжения.СтепеньразработанноститемыПроблемеисследования.обеспечения надежного электроснабжения тяги поездов, а именно разработкеи совершенствованию релейной защиты и средств автоматики тяговых сетейпеременноготока,включаяметодырасчетасистемытяговогоэлектроснабжения (СТЭ), посвящены работы ученых Г.И.

Атабекова,М.П. Бадера, В.В. Белова, Б.М. Бородулина, А.Л. Быкадорова, В.А. Быкова,Л.А.Германа,Б.И. Косарева,Б.Е. Дынькина,А.Б. Косарева,Ю.И.Жаркова,А.В. Крюкова,В.П.Закарюкина,Р.Р. Мамошина,4Г.Г. Марквардта,К.Г. Марквардта,В.Е. Марского,В.Я. Овласюка,В.Н. Пупынина, Е.П. Фигурнова, Ю.А. Чернова и др. Однако еще рядвопросов по расчету и устройствам релейной защиты и автоматики тяговыхсетей требует своего решения.Целью исследования является разработка технических решений посовершенствованию организации защиты от токов КЗ и алгоритмов средствавтоматики в тяговой сети переменного тока, обеспечивающих требуемуюнадежность электроснабжения.Для достижения цели исследования были поставлены следующиезадачи:1.Анализ методов расчета токов КЗ при различных схемахсоединения обмоток понижающего трансформатора и заданных параметрахсистемы внешнего электроснабжения (СВЭ).2.Установление мощности КЗ на вводах в тяговую подстанцию(ТП), при которой погрешность расчета токов КЗ по нормативнойдокументации минимальна.3.Разработка мероприятий по методам расчета токов КЗ в тяговойсети для снижения методической погрешности в вычислении.4.Оценка организации селективных и неселективных системзащиты от токов КЗ в тяговой сети переменного тока.5.Анализчастично-неселективнойсистемызащиты,обеспечивающей минимальную повреждаемость контактной сети.6.Получение аналитического решения для определения истинныхзон неселективного действия защит частично-неселективной системы.7.Анализ работы системы защиты с поперечными связями, какальтернативы частично-неселективной системы защиты.8.Разработкаэлектроснабженияпредложениймежподстанционнойпозоныповышениювслучаеселективной и неселективной систем защиты от токов КЗ.надежногоприменения59.Расчет ампер-секунд тока, действующего на контактный проводпри различных способах организации защиты тяговой сети, и оценкавероятности его пережога.10.Разработка мероприятий, обеспечивающих снижение временивосстановления напряжения в контактной сети и устойчивую работуэлектроподвижногосостава(ЭПС)принеселективныхотключенияхвыключателей и проходящих КЗ.11.Совершенствование алгоритма автоматизации электроснабжениятяговой сети переменного тока при селективной и неселективной защитах.Методы исследования.

Решение задач, поставленных в работе, сталорезультатомтеоретическихиэкспериментальныхисследований.Использованы методы теории электрических цепей, методы решения системлинейных алгебраических уравнений и методы численного анализа сиспользованием пакета программы MathCAD.Научная новизна результатов, полученных в диссертационномисследовании:1.Установлено, что методическая погрешность в расчетах токов КЗв тяговой сети по нормативным документам определяется тем, что междулиниями 110(220) кВ, питающими ТП, как правило, существует взаимноесопротивление, которое не учитывается при представлении СВЭ в схемезамещения сопротивлениями, полученными по заданной мощности КЗ навводах в ТП и, тем самым, изменяется токораспределение в тяговой сети.2.Предложена схема замещения межподстанционной зоны тяговойсети для расчета токов КЗ, отличающаяся тем, что учитывает связь двухсмежных ТП по ВЛ-110(220) кВ и, тем самым, повышает точность расчетов.3.Предложена частично-неселективная система релейной защитыот токов КЗ в тяговой сети переменного тока, при которой зона действияпервой ступени дистанционных защит ТП с нулевой выдержкой времениувеличивается до поста секционирования (ПС) включительно, а защит ПС –до шин ТП включительно.

В результате при КЗ исключается опасность6пережога контактных проводов и до минимума уменьшаются зонынеселективной работы защит.4.Разработан новый алгоритм автоматизации электроснабжениятяговой сети, отличающийся тем, что после отключения КЗ вводитсябыстродействующееавтоматическоеповторноевключение(БАПВ)питающей линии контактной сети ПС на выключателях с контролем наличияКЗ в отключенной контактной сети, а затем выполняется автоматическоеповторное включение (АПВ) питающих линий контактной сети на ТП,зависимое от успешной работы БАПВ поста, что позволяет уменьшить времяотсутствия напряжения в аварийно отключенной тяговой сети.5.Предложен комплекс устройств защиты и автоматики на участкахс ПС на разъединителях, повышающий надежное электроснабжение тяговойсети переменного тока в аварийных ситуациях путем исключенияотключений разъединителей ПС при ложных и проходящих КЗ, для этого:– запатентовано устройство неселективной защиты, позволяющее приКЗ на станции или линии ДПР блокировать отключения разъединителей;– разработано устройство, отличающееся тем, что к трансформаторунапряженияшинПСподключенблокопределенияпроходящего(устойчивого) КЗ в отключенной контактной сети;– добавлен выключатель в шину ПС с устройством определенияпроходящего КЗ.Теоретическая и практическая ценность результатов исследования:1.Обоснована возможность проводить расчеты двухфазных токовКЗ в тяговой сети переменного тока при любой схеме СВЭ по эквивалентнойоднофазной схеме замещения трехфазной системы, что позволяет упроститьи повысить точность расчета, используя известные методы расчета сложныхэлектрических цепей.2.Разработана программа для ЭВМ расчета параметров КЗ втяговых сетях переменного тока 25 кВ, на которую получено Свидетельствоо государственной регистрации в ФИПС (№ 2017613520).

Программа7построена на основе метода совместного расчета СВЭ и СТЭ и позволяетполучить относительно точные значения токов, напряжений и сопротивленийпри КЗ в любой точке межподстанционной зоны.3.Получено аналитическое решение задачи исследования работыдистанционных защит частично-неселективной системы при КЗ вблизи ТПили ПС, когда зона действия их первых ступеней без выдержки времениувеличивается в пределах, охватывающих всю защищаемую зону.4.Исследование работы частично-неселективной системы защиты исистемы защиты с поперечными связями от токов КЗ в сравнении ссуществующими системами показало преимущества их по обеспечениюнадежного электроснабжения тяги поездов и целесообразность применения вкачестве типовых вариантов.5.Разработаны и запатентованы способ и устройство, снижающиевремя восстановления напряжения в контактной сети, за счет выполненияБАПВприсоединенийпитающихлинийПСконтактнойсетинавыключателях и позволяющие исключить перерывы в движении поездов приложных срабатываниях защит и проходящих КЗ (патент № 2647108 РФ ипатент № 172099 РФ).Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверностьполученныхрезультатовисследованиятеоретическиобоснованаиэкспериментально проверена.Отдельные положения работы докладывались и обсуждались:– наМеждународнойнаучно-практическойконференции«Конструкция, динамика и прочность подвижного состава», посвященной 75летию со дня рождения В.Д. Хусидова, Москва, МГУПС (МИИТ), 20-21марта 2014 г.;– на Международной научно-технической конференции «Энергетикатранспорта. Актуальные проблемы и задачи», Ростов-на-Дону, РГУПС, 28-30мая 2015 г.;8– на IX Международном симпозиуме Элтранс-2017 (Eltrans-2017)«Прорывные технологии электрического транспорта», посвященного 130летию основания Г.К.

Мерчингом электротехнической школы в России,Санкт-Петербург, ПГУПС, 18-20 октября 2017 г.;– на заседании секции «Электрификация и электроснабжение» Научнотехнического совета ОАО «РЖД», Москва, 15 марта 2018 г.Внедрение. Предложения по повышению надежного электроснабжениямежподстанционной зоны при неселективной защите выключателей тяговыхподстанций используются на участке контактной сети Арзамасскойдистанции электроснабжения Горьковской железной дороги.Алгоритм и программа расчета основных параметров КЗ для ЭВМ«Программа расчета параметров короткого замыкания в тяговых сетяхпеременного тока 25 кВ РАПКЗ» используется в проектной практике отделатяговых подстанций и телемеханики института «Трансэлектропроект» –филиала АО «Росжелдорпроект» и в учебном процессе при подготовкестудентов кафедры «Электроэнергетика транспорта» РУТ (МИИТ).Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в 10 работах, втом числе в 6 статьях рецензируемых изданий, входящих в Перечень ВАКпри Минобрнауки России. Получены 1 патент на изобретение, 2 патента наполезную модель, а также 1 свидетельство о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ.Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырехглав, заключения, библиографического списка из 132 наименований и двухприложений и содержит 173 страницы машинописного текста, включая50 рисунков, 15 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность исследования, излагаемого вдиссертации, сформулированы его задачи.Первая глава посвящена анализу методов расчета токов КЗ.9В нормативных документах по релейной защите СТЭ предлагаетсяследующая формула для расчета сопротивления ТП по однофазной схемезамещения:П≈П=2∙Н∙1+К100 ∙Н∙,(1)где uК – сопротивления КЗ трансформатора, %; SН – номинальная мощностьтрансформатора, МВ·А; n – количество включенных трансформаторов; SС –мощность КЗ на вводе в подстанцию, МВ·А; ZП – полное сопротивлениеподстанции, Ом; XП – индуктивное сопротивление подстанции, Ом; UН –напряжение на выводах тяговой обмотки трансформатора, кВ.В диссертации обосновывается правильность применения однофазнойсхемы замещения при расчете по выражению (1).

Показано (рисунок 1), чтопри двухфазном КЗ в схеме замещения тягового трансформатора со схемойY/Δ обмотка одной фазы А оказывается соединенной параллельно с двумясоединенными последовательно обмотками фаз В и С.Рисунок 1 – Схема замещения тягового трансформатора при двухфазномКЗ (а); промежуточная (б) и окончательная (в) расчетные схемыЗдесь ZФ∆ = ZФТ + ZФС – приведенное суммарное сопротивление КЗ нафазу ТП со схемой трансформатора Y/Δ, где ZФТ – приведенноесопротивление КЗ фазы тягового трансформатора; ZФС – приведенноесопротивление КЗ фазы СВЭ, ZТСЗ – приведенное сопротивление тяговой сетии переходное сопротивление в месте КЗ, а ЕА, ЕВ, ЕС – одинаковые по модулюисточники ЭДС. В результате сопротивление ТП при двухфазном КЗ равно:П102Ф∆ ∙ 2 · Ф∆== ∙3Ф∆ + 2 · Ф∆Ф∆ .(2)Известно, что сопротивление фазы обмотки трансформатора со схемойY/Δ в три раза больше, чем сопротивление фазы обмотки эквивалентноготрансформатора со схемой Y/Y.