Контроль технического состояния линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

6. Пехотский, И. В. Моделирование электромагнитных процессов в трансформаторах [Текст] / И. В. Пехотский, М. Ю. Пустоветов, С. Ю. Пустоветова // Вестник ВЭлНИИ / ВЭлНИИ. - Новочеркасск, 2004. - № 2. - С. 78 - 85.

7. Пустоветов, М. Ю. Расчет параметров синус-фильтра при несущих частотах ШИМ 9001000 Гц [Текст] / М. Ю. Пустоветов, И. В. Синявский // Новые технологии, конструкции и процессы производства: Сб. науч. тр. / Ростовская гос. акад. с.-х. машиностроения. - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 134.

8. Модель асинхронного электропривода, выполненная в системе ОтСЛБ 9.2 [Текст] / М. Ю. Пустоветов, И. В. Пехотский и др.// Оптимизация режимов работы систем электроприводов: Межвуз. сб. науч. тр. / Красноярский гос. техн. ун-т. - Красноярск, 2002. -С. 42 - 51.

9. Копылов, И. П. Математическое моделирование электрических машин: Учебник [Текст] / И. П. Копылов. - М.: Высшая школа, 1994. - 318 с.

УДК 621.331:621.311

М. М. Соколов

КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

В статье рассматриваются вопросы контроля состояния проводов линии электроснабжения устройств железнодорожной автоматики. Предложена методика определения поврежденного провода и места обрыва с использованием математического аппарата алгебры логики.

Для безопасного и бесперебойного движения поездов необходимо качественное и непрерывное электроснабжение всех систем железнодорожного транспорта, в том числе и объектов железнодорожной автоматики (ЖА) [1, 2].

Требования к качеству электроснабжения регламентируются отраслевыми стандартами ОАО «РЖД» [2 - 4]. Устройства ЖА, расположенные на перегоне, как потребители электрической энергии имеют свои специфические особенности [4, 5].

электроприемники являются потребителями первой категории;

электрическая энергии к потребителям поступает от воздушной трехфазной линии - ВЛ СЦБ или линии продольного электроснабжения, которые подвержены влиянию различных климатических факторов (перепады температур, ветер, гололедные образования, атмосферные перенапряжения), а также механическому воздействию, что приводит к возникновению различных повреждений;

электроприемники являются однофазной нагрузкой и распределены по всей длине линии.

Важным мероприятием, обеспечивающим надежную и бесперебойную работу устройств ЖА, является быстрое восстановление элементов электроснабжения при повреждении.

Время восстановления работы системы электроснабжения определяется временем поиска места отказа и временем его непосредственного устранения. В случае с ВЛ СЦБ время поиска повреждения может оказаться значительным вследствие большой ее протяженности. Согласно статистическим данным ОАО «РЖД» 18,5% отказов в электроснабжении устройств СЦБ приходится на повреждения проводов.

Современные системы защиты и диагностики ВЛ СЦБ могут определять следующие типы отказов: однофазное заземление на землю (ОЗЗ), двухфазные короткие замыкания, в том числе двойные замыкания на землю, и трехфазные короткие замыкания, в то время как средств диагностирования однофазного обрыва (ОО) не существует. К случаю ОО следует

относить и случаи ОЗЗ с большим переходным сопротивлением «провод - земля», которое может достигать 5 кОм [6].

С целью оценки изменения параметров питающих напряжений (действующего значения напряжения и сдвига фаз) в системе электроснабжения устройств ЖА при повреждении ВЛ СЦБ составлена имитационная модель. Моделирование проведено в среде МЛТЬЛБ. Упрощенная структурная схема модели ВЛ СЦБ приведена на рисунке 1.

д

ТП1 в с

А

В И

С

1.2

ВВС1

ВВС2

А А

В 1_п+1 В

С С

д

в ТП2 с

ВВСп

ЛИ

ЛТ2

НВС1

ЛТп

НВС2

Потребитель 1

НВСп

Потребитель 2

Потребитель п

VI У2 Уп

Рисунок 1 - Структурная схема ВЛ СЦБ

В представленной модели учтены параметры воздушной линии (Ьп); тип используемого однофазного трансформатора (ЛТп); параметры проводов высоковольтного (ВВСп) и низковольтного (НВСп) спуска; распределение нагрузки по фазам ВЛ СЦБ с учетом транспозиции; возможный обрыв провода какой-либо фазы на различных участках.

В модели принимается, что для электроснабжения используются односторонняя (консольная) схема питания линии от тяговой подстанции ТП1.

При составлении имитационной модели за основу были приняты данные о расположении и составе потребителей на участке перегона, приведенного на рисунке 2. При моделировании линия электропередач разделена на участки (Ь1 - Ь9). В качестве границ этих участков приняты точки подключения потребителей к линии.

Рисунок 2 - Схема подключения нагрузок к ВЛ СЦБ

При работе с моделью проведены однотипные численные эксперименты. На выбранном участке линии электропередач вносилось повреждение, представляющее собой обрыв провода фазы, после чего определялось напряжение на вторичной обмотке линейного трансформатора для каждого потребителя и в конце линии (на ТП2). Такие численные эксперименты проводились для всех возможных сочетаний участка обрыва и поврежденной фазы.

Результаты, полученные в процессе моделирования для обрыва фазы С, сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Напряжение в различных точках ВЛ СЦБ при повреждениях

Напряжение

на вторичной обмотке ОМ потребителя на входе ТП2

повреж- учас- ст ст пере- СТ б СТ 15 пост пере- СТ СТ АВ ВС СА

денная ток по- 11/10 13/8 езд (ВС) (ВС) КТСМ езд 17/4 19/2

фаза вреж- (АВ) (АВ) (АВ) (СА) (СА) (СА) (АВ)

дения

норм режим 215 21 б 222 21б 21 б 222 222 215 21б 10007 10028 9979

И Ь1 21 б 21 б 222 172 172 б7 б7 б7 21б 10000 7780 3040

к к <и Ь2 21б 21 б 222 172 172 б7 б7 б7 21 б 10000 7780 3040

Ь3 21 б 21 б 222 170 170 б5 б5 б5 21б 10000 8972 1472

<и ч 1 * и Ь4 21 б 21 б 222 190 150 5б 5б 55 21б 10000 8130 2545

К! <и & & С И Й о Д Е <Й Ь5 21 б 21 б 222 218 202 57 57 55 21б 10040 9333 2581

Ьб 21 б 21 б 222 218 218 б5 б3 б3 21б 10040 10005 2828

15 а С Ь7 21 б 21 б 222 217 217 223 88 87 21б 9750 10005 3450

Ь8 21 б 21 б 222 217 217 223 223 122 21б 10000 б800 5б50

Ь9 21 б 21 б 222 217 217 223 223 21 б 21б 10000 51б2 512б

Каждая строка таблицы 1 содержит результаты одного численного эксперимента, при этом клетка, выделенная цветом, содержит значение напряжения на входе потребителя, расположенного сразу после места повреждения.

Введем понятие числового логического коэффициента соответствия по напряжению (ЧЛКСН). ЧЛКСН (N0^, ^ивс, ^иСА) - коэффициент, который в случае соответствия линейного напряжения своему нормальному значению принимает значение «единица», иначе -значение «ноль», соответственно для напряжений иАв, Цвс и ЦеА. «Нормальное значение» напряжения определяется исходя из данных, накопленных по результатам измерения в безаварийном режиме работы ВЛ СЦБ с учетом допустимых отклонений.

Введем понятие числового логического коэффициента целостности провода фазы (ЧЛКПФ). ЧЛКПФ (СА, Св, Се) - коэффициент, который в случае отсутствия обрыва фазного провода принимает значение «единица», иначе - значение «ноль», соответственно для фаз А,

в, е.

При обрыве провода какой либо фазы линейное напряжение между неповрежденными фазными проводами остается без изменений. В то же время межфазное напряжение между проводами, один из которых поврежден, изменится.

Заполним таблицу истинности для СА, Св, Се :

Таблица 2 - Таблица истинности СА, Св, Се

икАВ Примечание Са СВ Сс

0 0 0 Нет ОО

0 0 1 С • С • С ^В А ^С 1 0 1

0 1 0 С • с • с А ^В ^С 0 1 1

0 1 1 Сс ' (СА + СВ ) ~ ~ 1

1 0 0 С • С • С С А ^В 1 1 0

1 0 1 СА ' (СВ + СС ) 1 ~

1 1 0 СВ ' (СА + СС ) ~ 1

1 1 1 С • С • С А В С 1 1 1

Запишем логические выражения ЧЛКПФ для проводов фаз (СА, Св, Се) через ЧЛКСН на входе ТП2:

С = N + N • N •

Св = Nи + Nи • Nu ;

В и АС и АВ иВС

(1)

Сс = Nи + Nи • Nи

^ ЛТ) V Т)П ^ п

Полученное выражение для СА следует трактовать следующим образом.

В случае, если оба линейных напряжения иАВ и иСА в конце линии соответствуют нормальному значению (^идв =1)П(^СА =1)), провод фазы А исправен (С^=1). В случае, если

хотя бы одно из линейных напряжения иАВ и иСА в конце линии не соответствует нормальному значению (^идв =0)Ы(^СА =0)) и при этом линейное напряжение иВС в конце линии

соответствует нормальному значению (^ВС =1), существует вероятность ОО провода фазы А. Наличие неопределенности в данных таблицы 2 связано с тем, что при ОО одно из линейных напряжений между проводами, использующими поврежденную фазу, может измениться несущественно по отношению к своему нормальному значению. Это объясняется влиянием линейных напряжений друг на друга через высоковольтные обмотки ЛТ. Выражения для Св и Сс трактуются аналогично.

По напряжениям на вторичных обмотках ЛТ всех потребителей, в случае ОО, возможно уточнение места повреждения ВЛ СЦБ. До места ОО напряжение на вторичных обмотках ЛТ всех потребителей, подключенных к линии, существенно меняться не будет, в то время как после места ОО на всех потребителях, использующих поврежденную фазу, будет наблюдаться изменение параметров напряжения питания.

На основании сказанного можно сформулировать следующие правила уточнения места повреждения в случае ОО:

место обрыва находится перед наименее удаленным от ТП потребителем с ЧЛКСН, равным нулю;

место обрыва находится после наиболее удаленного от ТП потребителя, использующего для питания поврежденную фазу, с ЧЛКСН, равным единице.

Однако возможны случаи, когда определение места обрыва ВЛ СЦБ затруднено. По данным таблицы 1 видно, что диагностирование повреждения фазы С на участке Ь5 по приведенным выше правилам невозможно. В случае повреждения фазы С на участке Ь5 напряжение питания на СТ 15 поступает от фаз В и А через питающее трансформаторы соседних потребителей (рисунок 3), но при этом меняется фаза питающего напряжения.

Ь5

Ьб

А<

Ь7

Ь8

Ь9

В

С

\ 1 \ 1 N 1

1 1 1 1 1 1 1

.1- г. :: .....-м г-М

ОМ - 0,66

М"

™ - 7УУ}

ОМ - 4

ОМ - 4

ОМ - 1,2'

СТ 15

Пост КГСМ

Переезд

СТ 17/4

Рисунок 3 - Подпитка СТ 15 при повреждении фазы С

Кроме того, эффективность методики уточнения места обрыва в ВЛ СЦБ по значениям напряжений зависит от стабильности электроснабжения на рассматриваемом участке железной дороги.

С целью более точного и надежного определения места ОО в ВЛ СЦБ предлагается дополнительно измерять фазовый сдвиг между линейными напряжениями в конце линии, а

также на каждом потребителе сдвиг фаз между напряжением питания и контрольным сигналом.

По сдвигу фаз между напряжением на вторичной обмотке ЛТ каждого потребителя и контрольным сигналом можно определить, есть ли ОО на участке от ТП до этого потребителя (для двух фазных проводов, использующихся для питания данного ЛТ). Сдвиг фаз между контрольным сигналом и напряжением питания будет меняться на каждом потребителе, подключенном после места ОО и использующим для питания поврежденный фазный провод.

С целью проверки изменения сдвига фаз между напряжением на вторичной обмотке ЛТ каждого потребителя и линейным напряжением Цав на выходе питающей ТП для всех возможных сочетаний участка обрыва и поврежденного провода, а также для определения сдвига фаз между линейными напряжениями в конце линии было проведено моделирование. Результаты моделирования обрыва провода фазы С приведены в таблице 3. В качестве контрольного сигнала использовалось линейное напряжение Цав на выходе питающей ТП.

Введем понятие числового логического коэффициента соответствия по фазе (ЧЛКСФ). ЧЛКСФ (^фАВ, ^фВС, ^фСА) - коэффициент, который в случае соответствия сдвига фаз между

напряжением питания и контрольным сигналом своему нормальному значения, принимает значение «единица», иначе - значение «ноль», соответственно для фаз напряжений Цав, ивс, иСА «нормальное значение» сдвига фаз определяется исходя из данных, накопленных по результатам измерения в безаварийном режиме с учетом допустимых отклонений.

При обрыве провода какой-либо фазы фазовый сдвиг между напряжениями неповрежденных фазных проводов остается без изменений. В то же время фазовый сдвиг напряжений между проводами, один из которых поврежден, изменится.

Таблица 3 - Сдвиг фаз в различных точках ВЛ СЦБ при повреждении

Напряжение

на вторичной обмотке ОМ потребителя на входе ТП2

повреж- учас- ст ст пере- СТ б СТ 15 пост пере- СТ 17/4 ст АВ ВС СА

денная ток по- 11/10 13/8 езд (ВС) (ВС) ктсм езд (СА) 19/2

фаза вреж- (АВ) (АВ) (АВ) (СА) (СА) (АВ)

дения

норм. режим 0 0 0 120 120 -120 -120 -120 0 0 120 -120

И Ь1 0 0 0 167 167 -106 -103 -103 0 0 164 -104

к к <и Ь2 0 0 0 164 164 -106 -103 -103 0 0 166 -104

Ь3 0 0 0 164 164 -106 -103 -103 0 0 166 -104

й « % * и Ь4 0 0 0 167 167 -112 -110 -110 0 0 169 -112

К <ц & а с и Й о Ж С к а с <Й Ь5 0 0 0 120 164 -88 -85 -85 0 0 164 -83

Ь6 0 0 0 120 120 -76 -70 -70 0 0 157 -70

Ь7 0 0 0 120 120 -120 -95 -95 0 0 144 -95

Ь8 0 0 0 120 120 -120 -120 -88 0 0 135 -88

Ь9 0 0 0 120 120 -120 -120 -120 0 0 162 -162

Заполним таблицу истинности для СА, Св, Сс : Таблица 4 - Таблица истинности СА, Св, Сс

^лв ^вс ^сл Примечание Са Св Сс

0 0 0 Не ОО ~ ~ ~

0 0 1 С, 1ц4 СС 1 0 1

0 1 0 С, • Св СС 0 1 1

1 0 0 С, • Св Сс 1 1 0

1 1 1 С, • Св Сс 1 1 1

Запишем логические выражения ЧЛКПФ для проводов фаз (СА Св, Сс) через ЧЛКСФ на входе ТП2:

= 1

с. = N +

А Фвс <РАВ

N.

ФсМ ;

С = N т + Nт

В ФАС ФАВ

СС = N ^ + N Фвс

N

N.

Фвс ;

(2)

ФСА '

Полученное выражение для Са следует трактовать следующим образом.

В случае, если фазовый сдвиг фда, и фСА в конце линии соответствует нормальному значению ((^АВ =1)П( NфCA =1)), провод фазы А исправен (Са =1). В случае, если хотя бы один

из фазовых сдвигов (рАВ или (рСА в конце линии не соответствует нормальному значению

((МрСА =0)U(NфCA =0)) и при этом фазовый сдвиг <рвс соответствует нормальному значению

(N930 =1), сУЩествУет ОО провода фазы А. Выражения для Св и CC трактуются аналогично.

Таким образом, по значениям фазового сдвига в конце линии можно однозначно определить, на каком из проводов произошло повреждение.

По сдвигу фаз между напряжением на вторичной обмотке ЛТ каждого потребителя и контрольным сигналом можно определить, есть ли ОО на участке от ТП до этого потребителя (для двух фазных проводов, использующихся для питания данного ЛТ). Аналогично напряжению сдвиг фаз будет меняться на каждом потребителе, подключенном после места ОО и использующим для питания поврежденный фазный провод.

В качестве примера рассмотрим ОО провода фазы С на участке Ь5. В нормальном режиме сдвиг фаз между линейным напряжением иАВ на выходе ТП и напряжением питания СТ 15 составляет 6,7 мс (120°) (рисунок 4). В случае подпитки СТ 15 от ЛТ соседних потребителей при повреждении провода фазы С сдвиг фаз составит 9,1 мс (164°), что является отличительным признаком этого повреждения (рисунок 5).

и

400

200 -

100

0 -

-100 -

-200

-300

-400

0,25 0,255

0,26 0,265 0,27 0,275 X -►

0,28

0,285

0,295

Рисунок 4 -Напряжение питания на СТ 15 в нормальном режиме

Правила уточнения места обрыва изменения сдвига фаз в качестве отличительного при -знака ОО какого-либо провода ВЛ СЦБ будут аналогичными правилам для значений напряжений:

место обрыва находится перед наименее удаленным от ТП потребителем с ЧЛКСФ, равным нулю;

№ 3(11) 2012

место обрыва находится после наиболее удаленного от ТП потребителя, использующего для питания поврежденную фазу, с ЧЛКСФ, равным единице.

По результатам моделирования можно сделать следующие выводы:

напряжение в любой точке ВЛ СЦБ зависит от параметров источника, параметров линии и порядка распределения нагрузок по фазам;

по значениям сдвига фаз между линейными напряжениями в конце линии можно однозначно определить фазный провод с ОО;

по значениям напряжения питания на вторичной обмотке ЛТ каждого потребителя возможно уточнение места повреждения, но есть вероятность ошибки вследствие подпитки потребителя через обмотки ЛТ соседних потребителей;

по значению сдвига фаз между напряжением питания на вторичной обмотке ЛТ каждого потребителя и контрольным сигналом возможно более надежное и эффективное уточнение места обрыва фазного провода;

точность определения места повреждения определяется шагом транспозиции (3 км), а при некоторых повреждениях увеличивается и определяется расстоянием между потребителями;

применение аппаратуры, измеряющей межфазное напряжение в конце линии электроснабжения устройств ЖА перегона, напряжение питания каждой нагрузки и сдвиг его фазы относительно контрольного сигнала, а также передающей всю полученную информацию на центральный пункт с целью обработки, позволит определить участок линии электроснабжения с обрывом фазного провода.

400 В

200

100 и о

-100 -200 -300 -400

0,25 0,255 0,26 0,265 0,27 0,275 0,28 0,285 с 0,295

1 --

Рисунок 5 - Напряжение питания на СТ 15 при обрыве провода фазы С Список литературы

1. Тарута, П. В. Экспериментальная оценка величины провала напряжения при подключении резервного выпрямительного агрегата [Текст] / П. В. Тарута, М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2 (2). - С. 76 - 80. 2. Соколов, М. М. Контроль качества электрической энергии в системах электроснабжения устройств автоматики железных дорог [Текст] / М. М. Соколов // // Известия Транссиба / Ом-

ский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 77 - 83.

3. Сидоров, О. А. Анализ влияния отклонения напряжения питания на надежность функционирования сигнальной точки [Текст] / О. А. Сидоров, М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 100 - 104.

4. Карабанов, М. А. Снижение влияния системы тягового электроснабжения на электропитание нетяговых потребителей в моменты подключения преобразовательных агрегатов [Текст] / М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2011. - № 3 (7). - С. 58 - 67.

5. Ратнер, М. П. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог [Текст] / М. П. Ратнер, Е. Л. Могилевский. - М.: Транспорт, 1985. - 295 с.

6. Шалин, А. И. Замыкания на землю в сетях 6 - 35 кВ. Достоинства и недостатки различных защит [Текст] / А. И. Шалин // Новости Электротехники. - 2005. - № 3 (33).

УДК 621.3.05,519.65

Е. А. Альтман, Д. А. Елизаров

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В статье произведен анализ методов определения параметров гармоник сигнала и предложена модификация метода корреляционных функций, позволяющая существенно повысить точность определения фазы сигнала. Рассматриваются следующие методы: Якобсена (Jacobsen's Modified Quadratic Estimator), два метода Квина (Quinn's Estimator, Quinn's Second Estimator), Маклеода (Macleod's Estimator) и метод корреляционных функций. Для всех методов произведена оценка точности определения параметров гармоник сигналов при различных уровнях шума. На основе полученных результатов разработаны рекомендации по применению рассмотренных методов.

Для сокращения расходов электроэнергии в тяговой сети железнодорожного транспорта важное значение имеют средства контроля состояния сети. В статье рассматривается задача оценки параметров гармоник сигнала: частоты, амплитуды и фазы.

Сигналы в тяговой сети железнодорожного транспорта имеют ярко выраженную основную гармонику с частотой, используемой в промышленных сетях, 50 Гц, т. е. с некоторыми ограничениями их можно считать однотональными.

В статье производится анализ точности алгоритмов оценки параметров однотонального сигнала. Применение дополнительных методов для определения параметров сигнала обусловлено неспособностью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) точно определить частоту сигнала, когда максимум ДПФ не совпадает со спектром сигнала, что наглядно отражено на рисунке 1.

На рисунке 1 номера отсчетов максимума ДПФ и его двух соседних вершин обозначены как k, k+1 и k - 1 соответственно. Номер максимальной гармоники спектра сигнала обозначен как kpeak . Разность между kpeak и к - как 5.

В статье [1] рассмотрены методы оценки частоты гармоник однотонального сигнала: Якобсена (Jacobsen's Modified Quadratic Estimator), два метода Квина (Quinn's Estimator, Quinn's Second Estimator), Маклеода (Macleod's Estimator) и метод корреляционных функций. Все методы, кроме метода корреляционных функций, являются интерполяционными алгоритмами для нахождения параметров сигнала. В диапазоне от минус 30 до минус 15 дБ интерполяционные методы имеют большое значение среднеквадратичной ошибки в отличие от метода корреляционных функций. Если сравнивать оставшиеся пять методов, то можно отметить хорошие результаты у метода Маклеода и у второго метода Квина. При малом уровне шумов (от 10 дБ) все методы показали относительно высокую точность. Учитывая высокую