СИСТЕМА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и транспорту, а именно к защитам электротехнических тяговых сетей постоянного тока, в частности к системам защиты от малых токов короткого замыкания (КЗ). Изобретение может быть использовано в контактных сетях городского и магистрального электрического транспорта.

Известны системы защиты тяговых сетей от удаленных КЗ. Принцип их действия основан на непрерывном контроле рабочих параметров тяговой сети (ток, напряжение, сопротивление) или вторичных факторов (температура нагрева контактных проводов).

(патент на изобретение РФ №2161355, C1, МПК H02H 3/08, 15.04.1999 г., опубл. 27.12.2000, авторское свидетельство СССР №1689144, A1, МПК B60M 3/04, 14.12.1987, опубл. 07.11.1991)

Недостатком известных систем защиты является малая надежность защиты тяговой сети от "малых" токов КЗ, так как они зачастую не выдают сигнал на отключение сети от питающего фидера при КЗ, произошедших на значительном удалении от реагирующих элементов защиты, либо выдают сигнал на ложное срабатывание системы защиты. Это объясняется тем, что величина токов КЗ и динамика переходных процессов зависит от очень большого количества факторов: величины питающего напряжения, активного и реактивного сопротивлений питающей системы, режима работы питающей системы, параметров преобразовательных агрегатов, количества параллельно работающих в данный момент агрегатов, расстояния до места КЗ, степени износа контактных проводов, температуры окружающей среды, погодных условий, переходного сопротивления между рельсами и землей (для рельсового транспорта), наличия подвижного состава (ПС) на данном участке, расстояния от него до места КЗ и режима ПС: тяга, выбег, торможение в момент, предшествующий КЗ, от типа КЗ (глухое "металлическое" или через электрическую дугу), и многих других.

Возможность ложного срабатывания известных систем защиты обусловлена тем, что в некоторых нормальных режимах работы тяговой сети, таких как пуск ПС, проезд секционных изоляторов, кратковременный отрыв токоприемников, значения контролируемых параметров сопоставимы, а иногда даже превосходят по величине значения параметров при удаленных КЗ. Поэтому известные защитные устройства не в состоянии отличить нормальный режим от аварийного, что приводит к ложным срабатываниям защиты.

Наличие нагрузки на линии ведет к уменьшению приращений тока КЗ, так как из-за снижения, вследствие КЗ, питающего напряжения на токоприемнике электродвигатели ПС кратковременно переходят в режим рекуперации, возникает подпитка точки КЗ и, следовательно, снижение приращения тока, в результате чего защита не срабатывает.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является система защиты тяговой сети постоянного тока, содержащая токовый шунт фидерный, делитель, фидерный преобразователь интерфейса, фидерный контроллер, в который входят фидерный блок операционных усилителей, фидерный блок аналого-цифрового преобразователя (АЦПФ), фидерный блок обработки данных и фидерный блок обмена информацией по оптическому каналу, блок формирования команды на отключение выключателя, блок формирования команды в световую сигнализацию, причем первый из этих блоков содержит твердотельное реле отключения, а второй, твердотельное реле перегрузки, твердотельное реле перегрева, твердотельное реле ухудшения изоляции, твердотельное реле короткого замыкания.

Шунт служит для включения последовательно в цепь нагрузки питающего фидера, а его выход подключен ко входу фидерного делителя, который обеспечивает понижение выходного напряжения до уровня приемлемого для дальнейшей обработки, выход делителя подключен ко входу блока операционных усилителей контроллера, выход фидерного блока операционных усилителей подключен ко входу АЦПФ, контроллер фидерным блоком обмена информации по оптическому каналу связан с фидерным преобразователем интерфейса (каталог НПП "Энергия", М., 2011 г., стр. 83-86).

Недостатком известного устройства является невысокая надежность срабатывания защиты при удаленных коротких замыканиях сети, а также ложные срабатывания во время некоторых нормальных режимах работы тяговой сети.

Технической задачей изобретения является повышение надежности срабатывания защиты, а также уменьшение вероятности ложных срабатываний.

Технический результат достигается за счет того, что в известную систему защиты тяговой сети постоянного тока, выполненную в виде модуля для установки на подстанции, содержащего токовый шунт фидерный, фидерный делитель, фидерный блок преобразователя интерфейса, фидерный контроллер, в который входят фидерный блок операционных усилителей, фидерный блок аналого-цифрового преобразователя (АЦПФ), фидерный блок обработки данных и фидерный блок обмена информацией по оптическому каналу, блок формирования команды на отключение выключателя, блок формирования команды в световую сигнализацию, причем первый из этих блоков содержит твердотельное реле отключения, а второй, твердотельное реле перегрузки, твердотельное реле перегрева, твердотельное реле ухудшения изоляции, твердотельное реле короткого замыкания, фидерный блок обработки данных выполнен с двумя входами и двумя выходами, фидерный блок обмена информацией по оптическому каналу выполнен с одним электрическим входом, двумя электрическими выходами и с оптическим каналом связи, шунт служит для включения последовательно в цепь нагрузки питающего фидера, его выход подключен ко входу фидерного делителя, выход которого подключен ко входу фидерного блока операционных усилителей фидерного контроллера, выход фидерного блока операционных усилителей подключен ко входу фидерного блока аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом фидерного блока обработки данных, фидерный контроллер фидерным блоком обмена информации по оптическому каналу связан с фидерным преобразователем интерфейса, введены дополнительно бортовые модули, для установки на транспортных средствах, число которых равно числу транспортных средств, питающихся от фидера защищаемой тяговой сети, в фидерный модуль введены фидерный модем, фидерный контроллер дополнительно снабжен блоком синхронизации по времени, блоком восстановления кривой потребляемого тока, блоком формирования сигнала водителю, блоком дифференциального звена, выполненным с двумя входами и двумя выходами, фидерный блок преобразователя интерфейса выполнен с одним электрическим входом, одним электрическим выходом и с оптическим каналом связи, каждый бортовой модуль содержит токовый шунт бортовой, бортовой делитель, бортовой блок преобразователя интерфейса, приемник GPS/ГЛОНАСС, бортовой модем, блок сигнализации водителю, бортовой контроллер, содержащий бортовой блок операционных усилителей, бортовой блок аналого-цифрового преобразователя, бортовой блок обработки данных, бортовой блок синхронизации по времени, блок обработки координат местоположения транспортного средства, блок формирования пакета информации и бортовой блок обмена информации по оптическому каналу, бортовой блок обработки данных, блок обработки координат местоположения транспортного средства и блок формирования пакета информации выполнены каждый с двумя входами, бортовой блок обмена информации по оптическому каналу выполнен с двумя электрическими выходами, одним электрическим входом и с оптическим каналом связи, бортовой блок синхронизации по времени выполнен с двумя выходами, причем выход фидерного модема электрически соединен с входом фидерного блока преобразователя интерфейса, электрический выход которого соединен со входом фидерного модема, а по оптическому каналу он связан с блоком обмена информацией по оптическому каналу вход фидерного блока синхронизации по времени соединен с первым выходом фидерного блока обмена информацией по оптическому каналу, выход фидерного блока синхронизации по времени соединен со вторым входом фидерного блока обработки данных, вход блока восстановления кривой тока нагрузки соединен с вторым выходом фидерного блока обмена информацией по оптическому каналу, выход блока восстановления кривой тока нагрузки соединен с первым входом блока дифференциального звена, второй вход которого соединен с первым выходом фидерного блока обработки данных, второй выход которого соединен с входом блока формирования сигнала водителю, выход которого соединен с входом фидерного блока обмена информацией по оптическому каналу, первый выход блока дифференциального звена соединен с входом блока формирования команды на отключение выключателя, второй выход блока дифференциального звена соединен с входом блока формирования команды в световую сигнализацию, токовый шунт бортовой служит для включения последовательно в цепь тока потребляемого транспортным средством, а его выход соединен с входом бортового делителя, выход которого соединен с входом бортового блока операционных усилителей, выход которого соединен с входом бортового блока аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом бортового блока обработки данных, второй вход которого соединен с первым выходом бортового блока синхронизации по времени, второй выход которого соединен с первым входом блока обработки координат местоположения транспортного средства, выход бортового блока обработки данных соединен с первым входом блока формирования пакета информации, второй вход которого соединен с выходом блока обработки координат местоположения транспортного средства, выход блока формирования пакета информации соединен с входом бортового блока обмена информацией по оптическому каналу, первый выход которого соединен с входом бортового блока синхронизации по времени, второй выход бортового блока обмена информацией по оптическому каналу соединен с вторым входом блока обработки координат местоположения транспортного средства, бортовой блок обмена информацией по оптическому каналу соединен по оптическому каналу с бортовым блоком преобразователя интерфейса, вход которого соединен с выходом приемника GPS/ГЛОНАСС, выход бортового блока преобразователя интерфейса соединен с входом бортового 3G или 4G модема, выход которого соединен с входом блока сигнализации водителю.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:

фиг. 1 - Блок-схема бортового модуля;

фиг. 2 - Блок-схема фидерного модуля.

Бортовой модуль содержит токовый шунт бортовой 1, бортовой делитель 2, контроллер 3, включающий в себя бортовой блок операционных усилителей 4, АЦПБ 5, бортовой блок обработки данных 6, блок формирования пакета информации 7, бортовой блок синхронизации по времени 8, блок обработки координат месторасположения транспортного средства 9, и бортовой блок обмена информации по оптическому каналу 10. Кроме того, бортовой модуль содержит бортовой преобразователь интерфейса 11, приемник GPS/ГЛОНАСС 12, бортовой модем 13, блок сигнализации водителю 14., Фидерный модуль, фиг.2, содержит токовый шунт фидерный 15, фидерный делитель 16, фидерный преобразователь интерфейса 17, контроллер 18, в который входят фидерный блок операционных усилителей 19, АЦПФ 20, фидерный блок обработки данных 21, фидерный блок обмена информацией по оптическому каналу 22, фидерный блок синхронизации по времени 23, блок восстановления кривой тока нагрузки 24, блок формирования сигнала водителю 25 и блок дифференциального звена 26. Кроме того, фидерный модуль содержит блок формирования команды на отключение выключателя 27, блок формирования команды в световую сигнализацию 28 и фидерный модем 29. Питание всех блоков входящих в состав модулей осуществляется от систем собственных нужд подстанции и подвижного состава через блоки питания, осуществляющие понижение (повышение) напряжения собственных нужд до уровня, необходимого для питания блоков.

Работа данной системы дифференциальной защиты тяговой сети осуществляется следующим образом. Перед запуском системы каждому модулю, как бортовому, так и фидерному присваивается свой индивидуальный адрес для однозначной идентификации в тяговой сети. В память бортового модуля, в блок обработки координат местоположения транспортного средства 9, на этапе программирования записываются диапазоны координат каждого секционного участка и соответствующие им номера фидерных модулей, установленных на фидерах, питающих данные участки, а также загружается карта маршрутов для транспортного средства. Получая в процессе движения координаты своего местоположения, блок обработки координат 9 сопоставляет их с записанными в память, определяя т.о. на каком секционном участке находится в данный момент транспортное средство, соответствующий этому участку фидерный модуль и куда следует отправлять информацию.

Система производит непрерывный мониторинг тока питающего фидера I_Ф и потребляемых токов транспортных средств I_ПС находящихся на участке питания. Очевидно, что в нормальном режиме работы, ток фидера I_Ф и суммарный ток потребления I приблизительно равны. Появление разницы между этими значениями означает возникновение некоторого тока, протекающего в цепи минуя силовую цепь подвижного состава, что указывает на нарушение изоляции тяговой сети или наличие в ней КЗ.

Бортовой модуль от токового шунта бортового 1 получает информацию о величине потребляемого транспортным средством тока I_ПС, которая бортовым делителем 2 обрабатывается и поступает в бортовой блок операционного усилителя 4 и далее она поступает в АЦПБ 5, где информация о значении напряжения с шунта оцифровывается и передается в бортовой блок обработки данных 6. Этот блок запускается по синхронизирующему сигналу бортового блока синхронизации по времени 8. Блок синхронизации по времени 8 служит для корректировки времени внутренних часов с эталонными. Выходной информацией блока 8 является точное время.

Обработанная информация о потребляемом транспортным средством токе I_ПС из бортового блока обработки данных 6 подается на первый вход блока формирования пакета информации 7.

Сигнал системы GPS/ГЛОНАСС принимается приемником GPS/ГЛОНАСС и подается в бортовой блок преобразователя интерфейса 11, а далее по оптическому каналу в бортовой блок обмена информацией по оптическому каналу 10 и с него в бортовой блок синхронизации по времени 8 и блок обработки координат месторасположения транспортного средства 9. В блоке 9 происходит сопоставление текущих координат с картой маршрутов и определение участка, на котором находится транспортное средство. С бортового блока синхронизации по времени 8 и блока обработки координат месторасположения транспортного средства 9 информация поступает в блок формирования пакета информации 7 через его второй вход. Таким образом, выходной сигнал, формируемый блоком формирования пакета информации 7, содержит информацию о значении потребляемого тока, адрес фидерного модуля и метку времени. Так как токи подвижного состава должны суммироваться с учетом знака, для регистрации режима рекуперации, пакеты данных содержат также информацию о направлении токов. Соединение между блоком 7 и бортовым преобразователем интерфейса 11 осуществляется посредством оптико-волоконной линии связи во избежание попадания высокого потенциала в низковольтные сети. Выходной сигнал блока 7 поступает в бортовой блок обмена информацией по оптическому каналу 10 и далее по оптическому каналу этого блока попадает в бортовой блок преобразователя интерфейса 11, а из него на бортовой модем 13 и передается беспроводному каналу связи на фидерный модуль. Далее сигнал, принимаемый фидерным модемом 29, поступает в фидерный преобразователь интерфейса 17 и по оптическому каналу приходит в фидерный блок обмена информацией по оптическому каналу 22. С первого выхода этого блока информация поступает на вход фидерного блока синхронизации по времени 23, а со второго выхода на вход блока восстановления кривой тока нагрузки 24. Блок 24 из получаемых пакетов информации в едином масштабе времени восстанавливает форму кривой тока, потребляемого всем подвижным составом, находящимся на участке питания, и на блок дифференциального звена передает уже восстановленный график суммарного тока нагрузки.

После обработки, два сигнала: с выхода блока восстановления кривой тока нагрузки 24 и с первого выхода блока обработки данных фидерного 21 поступают в блок дифференциального звена 26 соответственно на его первый и второй входы. Информация о величинах тока нагрузки фидера I_Ф, которая снимается с токового шунта фидерного 15, поступает на фидерный делитель 16 и с него идет на фидерный блок операционных усилителей 19 и далее на блок АЦПФ 20, с которого поступает на первый вход фидерного блока обработки данных 21. Работа этого блока синхронизируется по сигналу от фидерного блока синхронизации по времени 23 на второй его вход. Информация с выхода фидерного блока обработки данных 21 поступает на второй вход блока дифференциального звена 26, в котором она анализируется и результаты выводятся через первый выход на блок формирования команды на отключение выключателя 27 и через второй выход на блок формирования команды в световую сигнализацию 28. Сигнальные реле этого блока могут включать также и звуковую сигнализацию. Сигнал с второго выхода блока обработки данных фидерного 21 поступает на блок формирования сигнала водителю 25. В блок 25 на этапе установки системы вводится значение токовой уставки, при превышении значения которой величиной фидерного тока I_Ф в этом блоке формируется сигнал водителю. Далее этот сигнал поступает на фидерный блок обмена информацией по оптическому каналу 22 в фидерный блок преобразования интерфейса 17, а затем на вход фидерного модема 29, который формирует радиосигнал для бортовых модемов транспортных средств, обслуживаемых защищаемой тяговой сетью. Сигнал с бортового модема 13 поступает на вход блока сигнализации водителю 14. В результате водитель получает информацию о необходимости перехода из режима тяги в режим выбега.

Сигнал на отключение фидера формируется в случае, если разность измеренных значений превышает или равна минимальному расчетному току короткого замыкания I_{КЗ min}:

I_Ф-I_ПС≥I_{КЗ min} (значения токов берутся с учетом знаков).

В случае если возникает разность 0≤I_Ф-I_ПС≤I_{КЗ min} и не устраняется в течение некоторого продолжительного времени, что может указывать на появление токов утечки в результате нарушения изоляции, система выдает сигнал в световую (звуковую) сигнализацию о наличии повреждения в тяговой сети, позволяя таким образом своевременно обнаружить и устранить повреждение.

Таким образом реализуется принцип контроля первичного фактора, определяющего параметры КЗ, т.е. непосредственно ток нагрузки и потребляемый ток, что существенно увеличивает надежность защиты тяговых сетей от токов КЗ. Блоки с 19 по 26 фидерного модуля и блоки с 4 по 10 бортового модуля могут быть реализованы на базе процессора цифровой обработки сигналов (digital signal processor - DSP) и являются элементами его микросхемы. Выбор аппаратной части определяется высокими требованиями к точности измерения и недопустимостью большой задержки при обработке и передаче данных. DSP-процессоры наилучшим образом подходят для решения поставленных задач, т.к. предназначены для манипулирования в реальном масштабе времени большими объемами данных. Их математические функции позволяют непрерывно принимать и изменять цифровой сигнал, не тормозя передачу информации и не теряя ее. Кроме того, использование цифровой обработки вместо традиционных аналоговых компонентов повышает стойкость системы к ошибкам, вызванным разбросом параметров, защищает от шумов, позволяет хранить контрольные параметры и легко организовать передачу данных, мониторинг системных сбоев и протоколирование.

Макетные образцы основных элементов данного устройства собраны на базе процессора TMS320F2812 и прошли успешные испытания в НПП "Энергия".