Введение к работе
Актуальность работы. Ответственной частью системы электроснабжения городского электрического транспорта являются кабели постоянного тока 0,6 кВ. Питающие кабе.та городского электрического транспорта подключаются к положительной шине тяговой подстанции с помощью линейных автоматических быстродействующих выключателей, осуществляющих защиту тяговой сети от токов короткого замыкания. При ухудшении изоляции между токопрово-дящей жилой кабеля и его оболочкой возникает аварийный режим замыкания на землю. Ток замыкания на землю в большинстве случаев имеет малую величину, поэтому не может быть отключен защитным автоматическим быстродействующим выключателем.
Аварийные ситуации в кабеле могут привести к простою транспортных средств на линии от 5-10 минут до 1,5 часов, при этом в час-пик на данной транспортной магистрали могут возникнуть серьезные затруднения.
В настоящее время на тяговых подстанциях городского электрического транспорта широко применяется косвенный метод контроля за целостностью изоляции кабеля, основанный на анализе состояния его контрольных жил. Однако нередко имеют место ситуации, когда аварийный режим не распознается, что может привести к тяжелым пожароопасным последствиям.
Зачастую ситуация осложняется прокладкой тяговых кабелей в коллекторах или траншеях совместно с высоковольтными кабелями и телефонными линиями, таким образом существует опасность поджига соседних кабелей, что может способствовать развитию серьезной аварии. Повреждение соседних кабелей 6-1 ОкВ в некоторых случаях может привести к обесточиванию всего района.
Актуальным вопросом является разработка системы защиты кабельных линий, осуществляющая непосредственный контроль состояния основной изоляции кабеля, при нарушении которой система защиты должна выдавать сигнал
на отключение автоматического выключателя, защищающего питающую линию.
Цель работы. Целью работы является создание нового поколения устройств защиты кабельных линий на основе высокочастотного резонансного принципа с целью снижения вероятности возникновения и развития пожаров при замыканиях на землю в кабелях постоянного тока 0,6кВ наземного городского электрического транспорта.
Достижение цели исследования потребовало решения следующих научно-исследовательских и практических задач:
Проведения критического анализа существующих устройств защиты и определение технических требований, предъявляемых к современным защитам кабельных линий постоянного тока;
Разработки электрической схемы замещения кабельной линии и проведение уточненного расчета ее параметров с учетом неравномерности распределения тока по сечению элементов кабеля вследствие влияния поверхностного эффекта;
Создания физической и компьютерной имитационной моделей для определения частотных характеристик кабельной линии и исследования работоспособности предложенного высокочастотного резонансного принципа защиты;
Экспериментального исследования предложенных моделей и сопоставление результатов с данными, полученными на реальных кабельных линиях;
Разработки функциональных и принципиальных электрических схем защитного устройства, осуществляющего контроль состояния кабельной линии по двум параметрам: амплитуде и фазе тока зондирующего гармонического сигнала, прикладываемого между оболочкой и контрольными жилами кабеля.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории электрических цепей, методы цифрового и физического моделирования.
Обоснованность и достоверность результатов. Справедливость теоретических положений подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования, а также результатами экспериментальных исследований, полученных на реальных кабельных линиях.
Научная новизна. Научная новизна результатов, полученных в диссер-
» Приведено теоретическое обоснование представления кабельной линии как линии с распределенными параметрами;
Представлены уточненные расчеты физической модели кабельной ли
нии с учетом неравномерности распределения тока по сечению элементов
кабеля вследствие влияния поверхностного эффекта;
« Проведены исследования работоспособности высокочастотного резонансного принципа защиты при замыкании между различными элементами кабельной линии;
« Представлены исследования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик при различной длине моделируемого кабеля и способе соединения его контрольных жил;
Определены зависимости чувствительности защитного принципа к за
мыканию токопроводящей жилы на оболочку при различном удалении
места повреждения кабеля от его начала;
в Проведено исследование чувствительности защитного принципа при возникновения дугового процесса, сопровождающего нарушение основной изоляции кабеля;
в Предложен вариант практического внедрения устройства зашиты на базе разработанных печатных плат с применением DSP-контроллера.
Практическая ценность. Результатом выполненной диссертационной работы стала разработка схемотехнических и конструктивных решений для включения системы защиты в серию разрабатываемых распределительных устройств КРУм-600 и для внедрения устройства защиты на действующих тяговых подстанциях городского электрического транспорта. Результаты исследований могут быть использованы при разработке частотных защит и систем поиска неисправности, использующих высокочастотные методы контроля параметров кабеля.
_, L- -- -__, j -~ j-—^ —~.. .~ ~* ~».-^*w
ниє печатных плат в новую линейку комплектных распределительных устройств, разработки компании ЗАО «НПП Энергия», предназначенных для питания линий городского наземного электрического транспорта напряжением 0,6кВ постоянного тока.
Апробация. Диссертационная работа и ее основные положения докладывались и обсуждались на XII и XIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, 2006г., 2008г.); на XI международной конференции электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Крым, Алушта 2006г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологни» (Тольятти, 2009г.); а также на заседании кафедры Электрического транспорта МЭИ(ТУ) в 2009г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 печатных работах, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата технических наук и имеют приоритет подтвержденный патентом России № 78988 на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Объем работы со-
ставляет 117стр. основного текста и содержит 44 рисунка, 14 таблиц, 43 наименования списка литературы.
