3.4 Принцип работы аппаратуры УККЗ
Устройство УККЗ с контролем остаточного напряжения в отключенной контактной сети обладает превосходным свойством, контролируя частоту остаточного напряжения (принят контроль граничной частоты 48,5 Гц и ниже), одновременно контролирует отключенное состояние выключателей на смежной подстанции. При работе вторых ступеней дистанционных защит на смежной подстанции время, когда появится остаточное напряжение после аварийного отключения рассматриваемой питающей линии, с УККЗ не будет превосходить 0,5 с (с учетом ступени электронных защит 0,3 с).
Это значит, что в этот момент ещё сохранится остаточное напряжение, на которое будет реагировать УККЗ.
Указанное свидетельствует о том, что, в частности, для условий Горьковской ж.д. с постами на разъединителях возможно осуществление быстродействующего БАПВ с задержкой 0,5…0,7 с. При этом уставка по времени минимальной защиты на «разбор» поста секционирования составит 1…1,2 с.
Таким образом, преимущество устройства УККЗ с контролем остаточного напряжения в том, что оно контролирует состояние отключенной контактной сети (т.е. определяет момент отключения всех выключателей, питающих рассматриваемую межподстанционную зону), и поэтому может выполнить быстродействующее БАПВ.
И отсюда ещё важное преимущество -- возможность выполнения быстродействующего БАПВ для быстрой подачи напряжения на ЭПС. Особенно это важно при тяжеловесном движении. Известны случаи на Горьковской ж.д., когда поезда массой 9 тысяч тонн, даже при успешном штатном АПВ в 4...6 с останавливаются на подъемах. В этом случае дорога терпит значительный материальный ущерб.
Недостаток УККЗ с контролем остаточного напряжения -- можно контролировать проходящее (устойчивое) только 1…2 с, т.к. затем остаточное напряжение пропадает.
Кроме того, и это главное, при новых электровозах без фазорасщепителей остаточное напряжение отсутствует, и поэтому аппаратура УККЗ в этом случае не работает. и наконец, при отсутствии ЭПС на контролируемом участке УККЗ также не работает.
И ещё один недостаток УККЗ, связанный с быстродействующим АПВ. При случайном заезде токоприемника на секционный изолятор (воздушный промежуток), одна ветвь которого заземлена (например, при работах на секции контактной сети), питающая линия контактной сети отключается от защиты. БАПВ не срабатывает, так как время прохода токоприемника по секционному изолятору (воздушному промежутку) более 0,5…1 с. При этом штатное АПВ (у которого время задержки, как правило, 2…6 с), успешно срабатывает. Таким образом, встает вопрос об увеличении времени БАПВ, хотя бы до 1,5 с.
Это возможно сделать, при этом задержку на срабатывание минимальной защиты постов секционирования на разъединителях можно увеличить до 2…2,5 с. Однако при этом теряем важную функцию БАПВ: при такой выдержке времени БАПВ схема отечественных электровозов (например, ВЛ80С) «разбирается» с известными последствиями [7].
3.5 Принцип работы аппаратуры УПКЗ
В связи с указанными недостатками УККЗ предложен способ определения устойчивого (проходящего) по наведённому напряжению - используется аппаратура УПКЗ.
Преимущества УПКЗ:
- способ определения в отключенной контактной сети, реализованный в УПКЗ, применим независимо от типов ЭПС;
- контроль наведенного напряжения не ограничен временем в 1…2 с, как это было в предыдущем способе. Это позволяет формировать вторую функцию этого способа: определять зону повреждения без опробования контактной сети включением выключателя на КЗ.
Недостатки УПКЗ. Невозможно выполнить быстродействующее БАПВ с временем 0,5 с. Это объясняется тем, что при этом способе простыми методами нельзя быстро проконтролировать момент отключения питающих линий на смежной подстанции. Поэтому приходиться считать, что отключение на смежной подстанции происходит защитами 2-й и 3-й ступеней и принимать, что аппаратура УПКЗ должна проверять наведенное напряжение не раньше, чем через 0,7…1 с. Таким образом, напряжение в контактную сеть можно подать через 1 с и более. На основании данных за это время схема ЭПС -- «разбирается» и на её восстановление машинисту требуется не менее 1...2 мин.
На основании сказанного следует, что аппаратуру УПКЗ можно применять в следующих случаях:
- для блокировки штатного АПВ (время штатного АПВ по опыту Горьковской ж.д. обычно 4…6 с);
- для организации процесса поиска зоны повреждения без опробования контактной сети включением выключателя;
- для участков с постами секционирования (ПС) с групповыми защитами минимального напряжения с целью «удержания» постов во включенном состоянии при проходящих. В этом случае выдержка времени минимальной защиты ПС устанавливается до 1,5…2,5 с [7].
3.6 Расчёты наведенного напряжения
3.6.1 Электрическое влияние. Однопутный участок с линией ДПР
Величину наведенного напряжения в этом случае можно рассчитать по упрощенной формуле [26]:
,
Где UB - напряжение влияющей линии, UB = 27,5 кВ;
kэ - коэффициент, характеризующий ёмкостную связь между влияющими и подверженными влиянию проводами, зависящий от расстояния между ними (для однопутного участка kэ = 0,4);
b - расстояние от головки рельса до эквивалентного контактного провода;
c - высота подвеса влияющей линии;
l - общая длина участка;
lэ - длина одного из участков, (перегона или станции);
pэ, gэ - коэффициенты экранирования заземленными воздушными проводами и сплошными рядами деревьев, при наличии такого экранирования принимают 0,7, при отсутствии экранирования, а также для тяговой сети,
pэ = gэ = 1;
аi - ширина сближения влияющей линии и подверженной влиянию линии на определенном i-ом участке.
Для примера возьмем следующие исходные данные:
Высота подвески линии ДПР b = 8м, контактной сети c = 6 м расстояние между линией ДПР и отключенной КС а = 6,8м, UДПР = 27,5кВ, kЭ = 0,4, линии расположены параллельно относительно земли и друг друга.
,
Данный вариант расчета подходит при случае участка пути с двумя электрифицированными путями, без линии ДПР, при одном отключенном пути и отсутствии поездов на втором пути.
Другим методом расчета наведенного напряжения является метод зеркальных изображений, который учитывает взаимное расположение проводов, угол сдвига фаз в данных проводах. Суть данного метода заключается в следующем. Заряд ф создаст в точке М некий потенциал.
Так как вследствие электростатической индукции от заряда ф на поверхности земли выступают заряды, которые в точке М создают другой потенциал, то суммарное значение потенциала в этой точке цм будет равно сумме указанных двух потенциалов (рисунок 3.6).
Согласно положениям электротехники 22, если поместить на расстоянии h от поверхности земли такой же заряд , но с обратным знаком (точка 1), то оба заряда и (-) наведут в точке М тот же потенциал м.
м =, (3.2)
Где
Рисунок 3.6 - Схема для пояснения метода зеркальных изображений
Принимаем, что геометрические и электрические оси проводов совпадают, тогда a1м, b1м - это расстояния от точки М до геометрических центров проводов.
Рисунок 3.7 - Схема для определения потенциала на поверхности провода
Если поместим точку М на поверхность провода с радиусом r точка 1, (рисунок 3.6), то а1м = r b1м = 2h - r = 2h; так как h >> r, то
1 = q ln (3.3)
В формулах (3.2), (3.3) величины:
(3.4)
(3.5)
называют взаимными и собственными потенциальными коэффициентами.
В качестве влияющего провода возьмем одиночный контактный провод К. Заданы величины: потенциал контактного провода к, радиусы проводов, расстояния между проводами, расчетная схема, представленная на (рисунке 3.7)
Требуется найти потенциал смежного провода с. Потенциалы к, с и линейные заряды проводов к и с будут связаны следующим образом:
к = ккк +скс , (3.6)
с = кск + ссс,
Где кк и ск = кс будут определяться по формулам (3.4) и (3.5) соответственно.
Рисунок 3.8 - Расчетная схема для одного контактного провода
Уравнения (3.6) называются уравнениями Максвелла.
Заряд смежной линии отсутствует (отключенный участок контактной сети), поэтому принимаем с = 0 тогда из первого уравнения системы (3.6) получаем к = к /кк, а из второго уравнения
(3.7)
, (3.8)
Где rк - радиус контактного провода.
Подставив значения кс и кк в формулу (4.7), получим:
(3.9)
Далее, по данным (рисунка 3.8) находим:
(3.10)
Значение x очевидно из формулы (3.10), в нашем случае x<1. Логарифмическую функцию можно разложить в ряд:
(3.11)
Так как x <1, то в формуле (3.11) с достаточной степенью точности можно ограничиться первым членом, то есть:
(3.12)
Обозначив , c учетом формулы (3.12) выражение (3.9) приведем к виду:
(3.13)
Мы видим, что полученная формула ничем не отличается от формулы (3.3).
Рассмотрим расчет наведенного напряжения в отключенной контактной сети от двухпроводной линии ДПР методом зеркальных изображений.
На (рисунке 3.9) представлена расчетная схема для однопутного участка контактной сети с цепной подвеской (точка 3) и проводами ДПР (точки 1 и 2), расположенными с полевой стороны опор.
Рисунок 3.9 - Расчетная схема для однопутного участка с линией ДПР
Для упрощения выводов трос и провод контактной сети заменяется одним эквивалентным проводом [23], его радиус находится по формуле
(3.14)
Где n - количество проводов ro - радиус одного провода rp - радиус окружности, по которой располагаются провода расщепленной фазы. В нашем случае n = 2, ro = rср = 0,0056 м (средний радиус контактного провода и несущего троса); rp = acp / 2 = 1,6 / 2 = 0,8 м (аср - среднее расстояние между контактным проводом и несущим тросом). После вычисления по формуле (3.14) получим rэ = 0,095 м. Для системы из трех проводов, представленных на (рисунок 3.4) с зарядами на единицу длины 1, 2, 3 и потенциалами 1, 2, 3 , уравнения Максвелла запишутся в виде:
1 = 111 + 212 +313
2 = 121 + 222 + 3 23 (3.15)
3 = 131 + 232 + 333,
Где - собственные потенциальные коэффициенты, определяемые по формуле (5.8)км - взаимные потенциальные коэффициенты, вычисляемые по формуле (5.7). Не трудно доказать, что км = мк, т.е. 12 = 21, 13 = 31, 23 = 32.
Линия ДПР - под напряжением, с контактного провода напряжение снято, он изолирован. Необходимо найти потенциал этого провода з.
В уравнениях (3.15) = 27 кВ, = 27е, так как , - напряжения двух плеч питания тяговой подстанции, угол между которыми 120 градусов и от которых питаются провода 1 и 2 ДПР. Поскольку провод 3 отключен, 3 = 0, с учетом этого перепишем первые два уравнения системы (3.15):
1 = 111 + 212 (3.16)
2 = 112 + 222,
отсюда найдем неизвестные заряды 1 и 2:
После подстановки значений 1, 2, 3 в последнее уравнение системы (3.15) получим
(3.17)
Высота подвески эквивалентных проводов контактной сети и линии находится в пределах 7,5-8,5 м, примем h1 = h2 = h3 = 8 м. При габарите опор контактной сети 3,1 м, диаметре опоры 0,5 м, будем иметь: а12 = 1,6 м;
а23 = 5,2 м; а13 = 6,8 м.
Поэтому:
.
.
Для линий ДПР, как правило, используют провода А-50, А-70, примем их радиусы тогда по формулам (3.4) и (3.5) рассчитываем:
;;
;
В результате расчета, для взятых исходных данных, по формуле (3.17) получим 3 =0,75 + j3,8 или 3 = 3,9 кВ.
3.6.2 Расчёт наведенного напряжения действующего участка контактной сети
Величину наведенного напряжения перегона разъезд 281 км - Шониха можно рассчитать согласно формуле (3.1):
;
Где UB - напряжение влияющей линии, UB = 27,5 кВ.;
kэ - коэффициент, характеризующий ёмкостную связь между влияющими и подверженными влиянию проводами, зависящий от расстояния между ними (для однопутного участка kэ=0,4);
b - расcтояние от головки рельса до эквивалентного контактного провода;
c - высота подвеса влияющей линии;
l - общая длина участка;
lэ - длина одного из участков, (перегона или станции);
pэ, gэ - коэффициенты экранирования заземленными воздушными проводами и сплошными рядами деревьев (при наличии такого экранирования принимают 0,7, при отсутствии экранирования, а также для тяговой сети,
pэ = gэ = 1.;
аi - ширина сближения влияющей линии и подверженной влиянию линии на определенном участке.
Для примера возьмем следующие действующие параметры перегона: