Содержание к диссертации
Введение
1. Защита фидеров контактной сети переменного тока и пути ее совершенствования 9
1.1. Защита фидеров контактной сети и предъявляемые к ней требования 9
1.2. Совершенствование защит фидеров контактной сети от замыканий на разземленные опоры 12
1.З.Выводы 19
2. Анализ гармонического состава тока в тяговой сети 20
2.1. Преобразователи электровозов переменного тока 20
2.2. Допущения, принимаемые при описании электромагнитных процессов в преобразователях 21
2.3. Анализ токов в управляемых преобразователях электровозов 24
2.4. Гармонический состав сетевого тока электровоза с управляемым преобразователем 40
2.5. Анализ гармонического состава тока тяговой сети при работе нескольких электровозов 43
2.5.1. Волновые процессы в системе тягового электроснабжения 43
2.5.2. Гармонический состав тока фидера тяговой подстанции и поста секционирования при нескольких электровозах в зоне питания 46
2.5.3. Влияние уравнительных токов в тяговой сети на гармонический
состав тока фидера 60
2.6. Выводы 64
3. Аварийные режимы в тяговой сети переменного тока при замыкании на разземленные опоры 65
3.1. Методы расчета коротких замыканий в тяговых сетях переменного тока 65
3.2. Факторы, влияющие на процесс короткого замыкания 66
3.2.1. Влияние взаимной индукции на сопротивление тяговой сети переменного тока. Сопротивление контактной подвески 66
3.2.2. Сопротивление рельсов 70
3.2.3. Сопротивление цепи отсоса 72
3.2.4. Токораспределение в тяговой сети 76
3.2.5. Сопротивление тяговой подстанции и питающей энергосистемы 79
3.3. Сопротивление опор контактной сети 80
3.3.1. Заземление опор контактной сети на железных дорогах переменного тока 81
3.3.2. Сопротивление растеканию тока фундамента железобетонной опоры 84
3.4. Параметры аварийного режима при замыкании контактной сети на разземленную опору 86
3.4.1. Расчет схемы консольного питания 87
3.4.2. Расчет схемы кольцевого питания 88
3.4.3. Расчет схемы двухстороннего питания 91
3.4.4. Расчет узловой схемы питания 92
3.5. Выводы 100
4. Методика расчета уставок защиты фидеров контаткной сети от токов замыкания на разземленные опоры 101
4.1. Метод расчета уставок существующей защиты от замыканий на разземленные опоры 101
4.2. Влияние уровня напряжения в тяговой сети на работу защиты УЗРО в режиме замыкания на разземленную опору 105
4.3. Анализ входного сопротивления фидеров в аварийном режиме с учетом остаточной нагрузки 106
4.4. Методика расчета уставок дистанционной защиты от замыканий на разземленные опоры с торможением по высшим гармоническим составляющим 109
4.5. Выводы 115
5. Разработка и экспериментальные исследования защиты фидеров контактной сети без заземления опор на рельс 116
5.1. Предлагаемые принципы функционирования защиты от замыканий через большое переходное сопротивление и реализация технических решений 116
5.2. Экспериментальные исследования разработанной защиты 127
5.2.1. Методика исследования 127
5.2.2. Экспериментальные исследования блоков БМРЗ-27,5-ФКС-06 на Восточно-Сибирской железной дороге 128
5.2.3. Экспериментальные исследования блоков БМРЗ-27,5-ФКС-06(05) на Дальневосточной железной дороге 136
5.3. Экономический эффект от установки защиты фидеров контактной сети от замыканий на разземленные опоры 142
5.4. Выводы 146
Заключение 148
Библиографический список 150
- Совершенствование защит фидеров контактной сети от замыканий на разземленные опоры
- Гармонический состав сетевого тока электровоза с управляемым преобразователем
- Влияние взаимной индукции на сопротивление тяговой сети переменного тока. Сопротивление контактной подвески
- Методика расчета уставок дистанционной защиты от замыканий на разземленные опоры с торможением по высшим гармоническим составляющим
Введение к работе
Доля железнодорожного транспорта в структуре электропотребления России в 2003 г. составила 5,8 % (против 4,5 % в 2002 г.), в том числе для электротяги - 4,8 % (против 3,6 % в 2002 г.). Рост интенсивности работы электрифицированных участков железных дорог Российской Федерации обостряет проблему повышения надежности функционирования оборудования тяговых сетей.
В последние годы повреждаемость элементов системы тягового электроснабжения не снижается, а некоторых элементов даже возрастает, например, опор контактной сети. Основными причинами этого являются коррозия, выгорание арматуры и т.п. Проверками, проведенными Департаментом электрификации и электроснабжения, установлено, что по различным причинам в пределах некоторых дистанций электроснабжения было разземлено до нескольких сотен опор контактной сети. Замыкание контактной сети на разземленную опору влечет за собой протекание длительного тока через конструкцию, так как применяемая в настоящее время на тяговых подстанциях и постах секционирования защита зачастую не в состоянии отключить его из-за того, что в ряде случаев значение тока существенно ниже максимального рабочего, по которому осуществляется отстройка защиты. Это приводит к выгоранию арматуры, разрушению бетона, и, как следствие, потере опорой несущей способности. Наблюдались случаи падения опор, в том числе и при движении поездов. Требования по обеспечению безопасности движения поездов подчеркиваются в "Стратегической программе развития компании ОАО «Российские железные дороги»", проект которой принят 11 июня 2004 г.
Целью настоящей работы является повышение надежности функционирования тяговых сетей переменного тока за счет совершенствования технологии защиты фидеров контактной сети путем разработки устройства, обеспечивающего отключение токов замыкания на разземленные опоры.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) анализ известных принципов защиты от замыканий на разземленные опоры, оценка их достоинств и недостатков для определения направления исследований;
2) выявление основных факторов, оказывающих влияние на работу защиты от замыканий на разземленные опоры.
3) разработка метода, позволяющего определить основные параметры идентификации нормальных рабочих и аварийных режимов;
4) разработка новых принципов и алгоритмов, позволяющих реализовать технические решения по защите, обеспечивающей надежное отключение аварийных токов тяговой сети при замыкании через большое переходное сопротивление;
5) проведение экспериментальных исследований рабочих и аварийных режимов тяговых сетей, проверка технической эффективности реализованных принципов и определение экономической эффективности от внедрения предложенной защиты на участках переменного тока.
Методика исследования. Поставленные в работе задачи решались путем теоретических и экспериментальных исследований. Для гармонического анализа тока использовался аппарат рядов Фурье. Расчеты выполнялись с использованием ЭВМ на базе пакетов MathCAD 2000 и MatLab 6.5. Моделирование нагрузки тяговой сети для определения гармонического состава тока фидеров осуществлялось с использованием элементов теории вероятностей. Значения аварийных токов при различных видах замыкания в тяговой сети определялись решением систем линейных алгебраических уравнений. При составлении схемы замещения обратной цепи протекания аварийного тока использовались основные положения теории линий с распределенными параметрами. Данные, полученные экспериментальным путем, обрабатывались с использованием приемов математической статистики. Результаты расчетов согласуются с данными, полученными в результате экспериментальных исследований, а расхождение между ними не превышает 10-15 %.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) исследованы основные факторы, оказывающие влияние на гармонический состав тока фидера подстанции и поста секционирования и получены выражения, позволяющие определить границы изменения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока фидера при любом количестве электровозов в зоне питания;
2) предложен и реализован новый алгоритм работы защиты от замыканий на разземленные опоры, позволяющий исключить ложную работу в нагрузочном режиме и повысить чувствительность к минимальным аварийным токам;
3) разработана методика расчета уставок защит от замыканий на раззем І ленные опоры в условиях остаточной нагрузки.
Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на действующих электрифицированных участках Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорог.
Практическая ценность работы заключаются в следующем:
1) разработанный и запатентованный принцип защиты от замыканий на разземленные опоры реализован в блоках микропроцессорной защиты БМРЗ 27,5-ФКС(ОФ-КС)-05,06(01,02), принятых к серийному производству и внедрению на участках Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорог;
2) предложенная методика расчета уставок реализованной защиты позволяет отстроиться от ложных срабатываний в нормальном рабочем режиме и учесть остаточную нагрузку на защищаемой зоне в режиме замыкания на опору.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международном научно-техническом симпозиуме «Eltrans-2001» (Санкт-Петербург, 2001 г.); научно-практической конференции, посвя-Шг щенной 100-летию завершения строительства Транссиба (Омск, 2001 г.); первой российской конференции по заземляющим устройствам (Новосибирск, 2002 г.); научно-практической конференции «Исследования и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте» (Самара, 2002 г.); региональной научно-практической конференции «Новейшие достижения науки и техники на железнодорожном транспорте» (Челябинск, 2004 г.); пятой международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004 г.); в дорожной электротехнической лаборатории Восточно-Сибирской железной дороги (2004 г.); заседаниях научно-технического семинара кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПС (Омск, 2001 - 2005 гг.); научно-техническом семинаре кафедр ОмГУПС (Омск, 2005 г.).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в восьми печатных работах, которые включают в себя тезисы доклада и семь статей, из которых две статьи с международным участием, две - с всероссийским. Получены одно свидетельство и два патента на полезную модель.
Совершенствование защит фидеров контактной сети от замыканий на разземленные опоры
Защиты фидеров можно разделить на селективные и неселективные. Селективные защиты получили широкое распространение на участках, где посты секционирования оборудованы выключателями. Селективность в тяговых сетях, в основном, обеспечивается введением в действие защит выдержки времени и контроля за направлением мощности. В групповых защитах селективность достигается еще с помощью логических связей. Защиты должны выполняться таким образом, чтобы короткое замыкание в любом месте межподстанционной зоны обнаруживалось как минимум двумя защитами на ближнем к месту повреждения выключателе, и хотя бы одной защитой смежного выключателя. С этой целью защита фидеров контактной сети на подстанциях и постах секционирования должна иметь основную трехступенчатую дистанционную защиту и дополнительную [3]. Каждая ступень дистанционной защиты, как правило, реализуется с помощью реле полного сопротивления, и имеет свою зону действия и выдержку времени. При этом первая и вторая ступени резервируются второй и третьей ступенями. В качестве дополнительной защиты на посту секционирования используется потенциальная защита, а на тяговой подстанции - токовая отсечка. Кроме того, к дополнительным защитам можно отнести защиты фидеров от перегрузки (такие как тепловая или термическая) и защиты от аварийных токов, соизмеримых с токами нагрузки (по гармоническому составу тока фидера, дистанционная защита с угловой характеристикой, продленной вдоль оси активных сопротивлений и т.п.).
Неселективные защиты применяются с целью снижения вероятности пережогов контактной подвески или когда посты секционирования не оборудованы высоковольтными выключателями. В этом случае при коротком замыкании в любом месте межподстанционной зоны отключаются выключатели смежных тяговых подстанций. После этого в работу включаются неповрежденные присоединения, а поврежденные - повторно отключаются. При этом вероятность пережога проводов сводится к минимуму по сравнению с защитами, имеющими выдержку времени [2]. Однако данный способ защиты фидеров не обеспечивает достаточной эксплуатационной надежности, поэтому в последнее время посты секционирования оборудуют выключателями, что позволяет уменьшить число переключений и ускорить процесс восстановления нормального рабочего режима на неповрежденных участках.
Несмотря на то, что многолетняя эксплуатация существующих защит фидеров контактной сети показала приемлемую надежность их функционирования, в настоящее время ведутся постоянные исследования по совершенствованию существующих и разработке и внедрению новых видов защит.
Совершенствование защит фидеров контактной сети от замыканий на разземленные опоры В различное время вопросами повышения надежности защиты фидеров контактной сети переменного тока занимались многие отечественные ученые, такие как Е.П. Фигурнов, К.Г. Марквардт, P.P. Мамошин, Б.Е. Дынькин, Ю.И. Жарков, В.Я. Овласюк, В.Н. Пупынин и др. На устройства релейной защиты ФКС воздействует огромное количество внутренних и внешних факторов, что сказывается на работе защит.
Внутренние факторы в основном определяются надежностью аппаратного исполнения защит. Как правило, снижения влияния данной группы факторов можно добиться путем применения простых схем выполнения защиты, содержащих незначительное количество элементов с низкой надежностью. В последнее время все большее предпочтение отдается применению бесконтактных элементов и микроэлектронике. Применение микропроцессоров для выполнения функций релейных защит обусловливается их значительными функциональными возможностями, что позволяет создавать цифровые защиты нового поколения любой сложности [2].
Внешние факторы, обусловленные работой системы тягового электроснабжения в целом, учесть гораздо сложнее. Релейная защита должна адекватно реагировать на все изменения, происходящие на защищаемой зоне, что в общем случае обеспечить очень проблематично. Хотя основные принципы и идеи, заложенные в эксплуатируемых защитах фидеров контактной сети, обоснованы длительной эксплуатацией, в настоящее время остается множество вопросов, связанных с работой защит, которые еще не нашли полного объективного решения. Одной из таких первостепенных проблем является замыкание контактной сети через значительное переходное сопротивление, и в частности замыкание на разземленные от рельса опоры.
Основным элементом защит ФКС переменного тока является реле полного сопротивления (дистанционный элемент), на основании которого строится дистанционная защита. Отличительной чертой данной защиты является то, что она контролирует не только величины тока фидера и напряжения, но и угол между ними. Вне зависимости от элементной базы, на которой выполнена защита (электронной или микропроцессорной), принцип действия не изменяется: при попадании конца вектора сопротивления, замеряемого на фидере, в зону срабатывания, на выходе защиты формируется отключающий сигнал. Одним из наиболее важных параметров дистанционной защиты является ее характеристика срабатывания.
В конце 60-х годов было налажено массовое производство электронных комплексов защиты, которые включали защиты с телеблокировкой типа УЗТБ. Кроме того, начался выпуск и введение в эксплуатацию комплектов электронной защиты фидеров тяговых подстанций (УЭЗФТ) и постов секционирования (УЭЗФП), принципы функционирования которых были схожи с защитой УЗТБ. Данные защиты имели только две ступени дистанционной защиты, которые формировали угловую характеристику срабатывания (УХС) типа «замочная скважина» и не обеспечивали отключения токов короткого замыкания на раз-земленные опоры.
В 80-х годах была разработана усовершенствованная защита на интегральных микросхемах АЗФИ и ее аналог на полупроводниковых элементах УЭЗФМ [2]. Данная защита в настоящее время является наиболее распространенной. Она содержит четыре ступени дистанционной защиты (рис. 1.2). Каждая ступень предназначена для отключения токов замыкания в определенной области и имеет свою выдержку времени. Так первая ступень защиты (ДЗШ) отключает токи замыкания без выдержки времени с зоной действия 80-85 % расстояния от подстанции до поста секционирования. Данная ступень может выполняться в виде токовой отсечки (ТО) или при помощи реле полного сопротивления с углом 0-90. В последнем случае защита дополняется ускоренной (ТО) для отключения КЗ вблизи подстанции. Вторая ступень защиты (ДЗН2) имеет выдержку времени 0,4-0,5 с и охватывает всю межподстанционную зону. Она является основным резервом первой ступени защиты подстанции и защиты поста. Для реализации этой ступени, как правило, применяют направленное реле полного сопротивления с углом 0-110. Третья ступень (ДЗНЗ) отличается особой чувствительностью к удаленным КЗ, когда модуль сопротивления в аварийном режиме может быть больше чем в нормальном нагрузочном режиме. Уставка по углу для этой ступени 45(50)-110.
Четвертая ступень защиты (ДЗН4) в форме сектора, продленного вдоль оси активных сопротивлений, предназначена для идентификации замыканий через значительное переходное сопротивление [4]. Данная характеристика имеет особенность, которая заключается в зависимости между величиной переходного сопротивления и расстоянием до места повреждения. При этом, чем ближе к месту установки защиты произошло замыкание, тем большая величина переходного сопротивления требуется для срабатывания.
Гармонический состав сетевого тока электровоза с управляемым преобразователем
Индуктивности в цепях коммутации и цепи выпрямленного тока оказывают влияние на процесс коммутации и, следовательно, на относительное содержание высших гармоник в первичном токе ЭПС. При этом влияние на отдельные высшие гармоники тока трансформатора электровоза можно считать одинаковым. Несколько иначе обстоит дело со спектром тока фидера.
Система тягового электроснабжения (СТЭ) представляет собой сложную неоднородную электрическую цепь, в которой такие параметры, как емкость, индуктивность, сопротивление и проводимость распределены крайне неравномерно [35, 36]. В зависимости от характера электромагнитных процессов, протекающих в системе электрической тяги, одни и те же составляющие системы могут проявлять себя как элементы с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами. Для электромагнитных процессов в диапазоне звуковых частот тяговая сеть однозначно представляет собой цепь с распределенными параметрами - емкостью, индуктивностью, активным сопротивлением и проводимостью. При этом время распространения электромагнитного поля вдоль тяговой сети соизмеримо с периодом исследуемых гармоник напряжений и токов.
Характерной особенностью цепей с распределенными параметрами является волновой процесс - распространение электромагнитного поля вдоль цепи в виде бегущих волн, который математически представляется как сумма падающей и отраженной волн. В СТЭ в зависимости от параметров ЛЭП, трансформаторов, тяговых подстанций, тяговой сети, схемы питания сети (консольная, двухсторонняя), числа и взаимного расположения электровозов на межпод-станционной зоне волновые процессы могут усиливаться, в ряде случаев достигая резонанса напряжений и токов в элементах системы электроснабжения. В связи с этим, при определенных условиях электромагнитного взаимодействия мощного электроподвижного состава с системой, ток на шинах подстанции может претерпевать сильные искажения, проявляющиеся в значительном возрастании высших гармоник по сравнению со значениями этих гармонических составляющих в тяговом токе непосредственно у токоприемника электровоза. Поэтому в кривой питающего напряжения всегда содержится процент высших гармоник, которые обусловливают определенный уровень высших гармонических в токе фидера даже при отсутствии нагрузки на фидерной зоне. Причем это относится как к двустороннему питанию тяговой сети, когда по межпод-станционной зоне протекает уравнительный ток, так и к консольному питанию, т.к. распределенная емкость контактной сети обусловливает токи высших гармоник. При этом в зависимости от длины фидерной (межподстанционной) зоны, количества путей, типа подвески может резонировать та или иная гармоника, в ряде случаев достигая 50-60 % от гармоники основной частоты.
Сама контактная сеть представляет собой линию с распределенными параметрами, которая обладает индуктивным и емкостным сопротивлениями. Наличие распределенной емкости контактной сети вносит дополнительное изменение в гармонический состав тягового тока, протекающего по фидеру тяговой подстанции. В моменты завершения коммутации тока вентилями преобразователя электровоза происходит мгновенное изменение скорости нарастания переменного тока электроподвижного состава и, следовательно, мгновенное изменение напряжения на токоприемнике [12, 15, 16]. Однако из-за наличия емкости напряжение в тяговой сети мгновенно изменяться не может и поэтому в моменты завершения коммутации в тяговой сети возникают переходные процессы в форме затухающих колебаний. Это вызывает еще большее искажение формы кривой тока тяговой сети, которую можно рассматривать как результат наложения свободных (резонансных) колебаний, возникающих в моменты завершения коммутации, на основную форму первичного тока электровоза, определяемую режимом его работы.
Экспериментальные исследования, проведенные ВНИИЖТом [37], показали, что распределенная емкость контактной сети несколько изменяет амплитуды гармоник первичного тока электровоза и существенно влияет на спектр гармоник тока фидера тяговой подстанции. Было отмечено, что амплитуды некоторых высших гармоник первичного тока электровоза значительно ниже соответствующих им величин тока подстанции, что объясняется резонансными явлениями, вызванными распределенной емкостью сети.
Проанализировав материал, изложенный в [15, 35-40], можно отметить следующее: - на процессы протекающие в тяговой сети существенное влияние оказывают не только работа электровозов, но и взаимодействие его с СТЭ в целом; - совокупность распределенных и сосредоточенных параметров контактной сети и системы электроснабжения при определенных условиях может вызывать усиление или ослабление гармоник тока и напряжения различного порядка; - в тяговой сети резонируют, как правило, гармоники порядка 11-35; - по мере роста числа электровозов на межподстанционной зоне увеличивается порядок резонирующих гармоник; - резонанс на гармониках порядка 7 и ниже маловероятен. Подробному исследованию спектра тока тяговой сети при наличии нескольких электровозов на межподстанционной зоне для определения мешающего влияния тяговой сети на смежные устройства, было посвящено несколько работ Р.Н. Карякина [15, 16, 18]. Исследования проводились на математической модели, построенной на основе элементов теории вероятностей с использованием обширного статистического материала. При этом автором учитывались резонансные и волновые процессы в тяговой сети. Отмеченная автором сходимость с экспериментальными данными позволяет считать полученные им выражения приемлемыми для использования в определении эквивалентного спектра тока тягой сети. Однако необходимо отметить, что в указанных работах рассматривалась работа электровозов, оборудованных неуправляемыми выпрямителями, амплитудный спектр первичного тока которых, как было показано ранее, существенно отличается от гармонического состава электровозов с управляемыми преобразователями. При этом амплитудный спектр первичного тока рассматривался в зависимости только от угла коммутации, а области изменения относительных амплитуд всех гармоник принимались достаточно узкими.
Влияние взаимной индукции на сопротивление тяговой сети переменного тока. Сопротивление контактной подвески
Для проверки адекватности полученных уравнений регрессии была осуществлена оценка уровня значимости в соответствии с критерием Фишера (F-критерием), которая заключается в сравнении общей дисперсии, полученной в результате обработки эмпирических данных, с остаточной дисперсией, которая представляет собой показатель ошибки предсказания уравнением регрессии результатов опыта. Она показала, что при 10%-ном уровне значимости, полученные выражения статистически значимо описывают результаты проведенного моделирования.
На тяговой подстанции ток фидера в нормальном нагрузочном режиме определяется током, потребляемым ЭПС на межподстанционной зоне. Однако необходимо учитывать такие особенности СТЭ переменного тока, как емкостные и уравнительные токи.
Наличие распределенной емкости в тяговой сети вызывает появление емкостного тока, который протекает по фидеру тяговой подстанции независимо от наличия ЭПС на фидерной зоне. Однако из-за того, что величина тока емкости на различных межподстанционных зонах как правило не превышает 5 - 7 А, его влияние на форму тока фидера незначительно. Поэтому можно считать, что при одностороннем питании контактной сети ток фидера повторяет форму тока, потребляемого ЭПС. Гораздо большее влияние на форму тока фидера оказывают уравнительные токи.
Амплитудная и фазовая несимметрия напряжений на шинах смежных подстанций вызывает появление уравнительного тока в тяговой сети, который, перераспределяя нагрузку между подстанциями, оказывает влияние на величину, фазу и спектр тока фидеров [55, 56]. Поэтому, при разработке защит фидеров контактной сети, в которых одним из признаков взят гармонический состав тока, особый интерес представляет форма уравнительного тока, его значение и фаза.
Исследования токов в тяговой сети переменного тока проводились многими авторами [57-60], что позволило сделать наиболее общие выводы относительно основных характеристик уравнительных токов. Большинство экспериментальных исследований показывает, что форма уравнительных токов, как правило, близка к синусоиде. На практике возможны случаи, когда в токе появляются высшие гармоники значительной величины. Например, при определенных условиях третья гармоника может достигать 9-20%. Однако необходимо отметить, что данные случаи значительного искажения формы кривой уравнительного тока могут иметь место, как правило, при резко неравномерной нагрузке параллельно работающих подстанций и не являются характерными. В обычных условиях наиболее характерными являются уравнительные токи, коэффициент искажения которых близок к нулю. Поэтому в практических целях можно принять форму уравнительного тока близкой к синусоиде.
Наличие в тяговой сети уравнительных токов спектр тока фидеров подстанции при двустороннем питании межподстанционной зоны значительно отличается от спектра тока электровоза. Это объясняется тем, что почти синусоидальный ток геометрически складывается с первой гармоникой тока электровоза, протекающей по фидеру одной подстанции, и вычитается из первой гармоники тягового тока фидера противоположной подстанции [15].
Величина уравнительного тока изменяется на различных участках от 20 до 160 А. Если по фидеру одной тяговой подстанции протекает сумма уравнительного и нагрузочного токов, то по фидеру другой - их разность. Поэтому, фактически не влияя на абсолютные величины высших гармоник в токе фидера, уравнительный ток может сильно изменять их относительные значения. Если основная гармоника тока нагрузки складывается с уравнительным током, относительные величины высших гармоник в токе фидера резко снижаются. Поэтому относительные значения гармоник тока фидера изменяются в более широких пределах, чем в токе ЭПС. Например, третья гармоника может составлять 7-Ю % от основной гармоники. Очевидно, что с ростом нагрузки влияние уравнительных токов на ток фидера снижается, и его форма приближается к теоретической.
Исследования, проведенные на различных железных дорогах, показали, что в условиях больших уравнительных токов угол между током и напряжением может изменяться от 0 до 360 [46]. Это обусловлено, прежде всего, направлением перетоков мощностей в системе тягового электроснабжения, которые во многом определяются режимами ее работы. При определенных условиях направление уравнительного тока в тяговой сети может поменяться на противоположное. При этом по фидеру подстанции, где протекала сумма уравнительного и тягового токов, будет протекать их разность. По фидеру противоположной подстанции, соответственно, будет протекать сумма основных гармоник уравнительного и тягового токов. Время смены направления уравнительных токов в тяговой сети обусловлено характером самого переходного процесса, протекающего в системе внешнего электроснабжения.
Необходимо отметить, что, как правило, каждая межподстанционная зона при двухстороннем питании характеризуется определенными значениями фаз и модулей уравнительных токов. Поэтому для определения границ изменения процентного содержания гармоник в соответствии с (2.43) - (2.46) необходимо ввести коэффициент, учитывающий влияние уравнительного тока на гармонический состав тока фидера, определяемый следующим образом где Ііф и Ііур - комплексные значения основных гармоник тягового и уравнительного токов фидера, соответственно.
Максимальное влияние на процентное содержание гармоник в токе фидеров подстанции и поста секционирования будут оказывать уравнительные токи, которые либо совпадают по фазе с основной гармоникой нагрузочного тока фидера, либо направлены противоположно ей. В первом случае будет наблюдаться максимальное увеличение относительных значений гармоник, во втором -снижение. Пределы изменения коэффициента уменьшения и увеличения основной гармоники тока фидера в зависимости от его величины для различных значений модуля уравнительного тока приведены на рис. 2.15.
С учетом сказанного, процентное содержание гармоник в токе фидера при наличии уравнительных токов на межподстанционной зоне может быть найдено по формуле
Необходимо отметить, что в последнее время большое внимание уделяется уменьшению влияния уравнительных токов на работу устройств тягового электроснабжения и снижению перетоков мощности по контактной сети. Этого добиваются путем применения наиболее оптимальных схем питания контактной сети различных участков и введением в эксплуатацию устройств раздела питания.
Методика расчета уставок дистанционной защиты от замыканий на разземленные опоры с торможением по высшим гармоническим составляющим
Сопротивление в месте короткого замыкания, если не принять специальных мер, обеспечивающих его наименьшее значение, является определяющим во всей цепи КЗ [2, 70]. Причем, если сопротивления таких элементов, входящих в цепь КЗ, как питающая энергосистема, тяговая подстанция, тяговая сеть (контактная и рельсовая сети), поддаются расчету, то значение сопротивления непосредственно в месте КЗ трудно заранее определить и учесть при выборе уставок отключения выключателя эксплуатируемыми защитами.
Суммарное сопротивление всех элементов цепи до места короткого замыкания невелико (от единиц до десятков Ом), а собственное сопротивление заземления опор контактной сети, на которые возможно попадание напряжения контактной сети, может быть значительным (от нескольких Ом до сотен кОм).
Короткое замыкание может произойти при пробое или перекрытии изоляции на ЭПС, на опорах контактной сети или других поддерживающих провода конструкциях, обрыве проводов с падением их на рельсы и т.д.
При КЗ на ЭПС или при падении провода на рельсы сопротивление в точке короткого замыкания, представляющее собой сопротивление дуги или пробоя изоляции, будет очень мало, поэтому такие замыкания достаточно надежно отключаются защитами тяговых подстанций.
Более сложная ситуация возникает при замыкании контактной сети на опору, если последняя не соединена с рельсом. Через конструкцию, которая длительно находится под полным напряжением контактной сети, протекает в землю ток, равный десяткам и сотням ампер. При таком замыкании ток не достигает уставки срабатывания релейной защиты, поэтому выключатели подстанций не отключаются, а это может иметь тяжелые последствия. Для железобетонных опор положение ухудшается нестабильностью сопротивления бетона при приложении высокого напряжения [71]. Поэтому при КЗ требуется надежное и быстрое снятие напряжения с контактной подвески, что возможно лишь при низком сопротивлении в месте КЗ, обеспечиваемом металлическим соединением конструкции с тяговым рельсом. При этом сопротивление железобетонной конструкции шунтируется малым (близким к нулю) сопротивлением заземляющего проводника и не участвует в цепи короткого замыкания, хотя доля тока будет протекать и через опору. Поэтому все сооружения и конструкции, к которым крепится контактная подвеска, из-за возможности пробоя или перекрытия изоляции при применяемых видах защиты требуют надежного соединения с тяговыми рельсами.
Опоры контактной сети, как правило, выполнены из железобетона. Для них характерно, что сопротивление цепи утечки тока в землю состоит из двух величин: - сопротивления надземной части, называемого сопротивлением верхнего пояса R ; - сопротивления растеканию тока с арматуры в землю Rp. Металлические опоры с железобетонными фундаментами имеют только сопротивление Rp. То же самое относится и к железобетонным конструкциям, арматура которых в верхнем поясе по тем или иным причинам имеет сообщение (касание) с навесными деталями (Re«0); к опорам, заземляющий проводник которых расположен внутри конструкции и электрически надежно связан с арматурой [72]. Анализ исследований, проведенные в работах [73-80], показал следующее. Как правило, основным в цепи заземления обычных железобетонных опор является сопротивление RQ, которое может составлять единицы и десятки кОм, в то время как сопротивление Rp - единицы и редко сотни Ом. Таким образом, если нет сообщения арматуры с деталями, заземленными на рельс, сопротивление растеканию тока равно сумме RQ И RP, а при возникновении сообщения скачкообразно изменяется до Rp. Сопротивление Rg также не является постоянной величиной, так как бетон это материал, который изменяет свою электропроводность в зависимости от увлажнения в значительных пределах. Просушенный бетон практически не электропроводен и имеет сопротивление 105-106 Ом-м, а при насыщении влагой сопротивление снижается до 10-100 Ом-м. Обычно сопротивление опор претерпевает существенные (до трех порядков) изменения в зависимости от состояния окружающей среды. Определяющим фактором является влажность окружающего воздуха, и как бы ни было велико при отсутствии осадков щего воздуха, и как бы ни было велико при отсутствии осадков сопротивление железобетонной опоры, во время дождя оно снижается до сотен Ом. Многочисленные измерения сопротивления заземлений опор показали, (Ш что металлические опоры и сооружения имеют сопротивление в цепи заземления 20-700 Ом, а опоры, устанавливаемые без изолирующих втулок, имеют обычно сопротивление 20-50 Ом, т.е. их сопротивление определяется практически переходным сопротивлением «фундамент-земля», так как сопротивление верхнего пояса представляет собой малое сопротивление токам. Кроме того, сопротивление заземления зависит от размеров фундамента, глубины залегания в грунт, величины переходного сопротивления «рельс-грунт (балласт)» и удельного сопротивления грунта. Железобетонные опоры, в общем, имеют сопротивление заземления (в цепи между консолью и рельсом) значительно большее, чем у металлических (в пределах 700-40000 Ом), которое зависит от свойств бетона и от тех же факторов, что и сопротивление металлических конструкций на фундаментах. Однако за счет того, что на линиях переменного тока электрокоррозийное воздействие тока на арматуру незначительно, на этих дорогах эксплуатируется значительное число опор, в которых используется заземляющий проводник, проложенный внутри опоры. В этом случае, если все навесные металлические детали присоединены к выводу, имеющемуся в верхней части опоры, и если заземляющий проводник не подключен к рельсовой цепи, то сопротивлением верх Р него пояса RQ можно пренебречь. В [81] также отмечено, что при возникновении КЗ и появлении высокого напряжения в верхней части опоры без внутреннего заземлителя слой бетона между закладными деталями и арматурой пробивается, и она ведет себя аналогично опоре с расположением заземляющего спуска в ее теле. В этом случае сопротивление цепи заземления ограничиваться переходным сопротивлением «фундамент-земля», сопротивлением грунта и переходным сопротивлением «рельс-земля». В результате вышесказанного можно отметить, что при расчетах сопро тивления растеканию опор контактной сети в режиме короткого замыкания можно принимать во внимание только фундаментную часть.
