Кандидат технических наук, доцент кафедры «Информатика, прикладная математика и механика», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-66.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Шкодун, П. К. Применение аппарата нечеткой логики при диагностировании коллекторно-ще-точного узла тяговых электрических двигателей подвижного состава [Текст] / П. К. Шкодун, А. В. Долгова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 4 (28). - С. 59 - 69.
Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Computer science, applied mathematics and mechanics», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-18-66.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Shkodun P. K., Dolgova A. V. Fuzzy logic application in the diagnosis the rolling stock traction motor commutator-brush unit. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 28, no. 4, pp. 59 - 69. (In Russian).
УДК 621.331:621.311
А. В. Горькин
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
СНИЖЕНИЕ ЧИСЛА НЕСЕЛЕКТИВНЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ФИДЕРОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ
Аннотация. В статье описаны возможности снижения числа неселективных отключений быстродействующих выключателей путем применения реледифференциального шунта при полном снятии пакета стали на ветви меньшего сечения. Приведены результаты экспериментальной оценки работы реледифферен-циальный шунт при полном снятии пакета стали на ветви меньшего сечения и его опытной эксплуатации. Сделаны выводы о ранее не описанном свойстве реледифференциального шунта при полном снятии пакета стали на ветви меньшего сечения - с увеличением скорости нарастания тока появляется значительная задержка во времени срабатывания реле.
Ключевые слова: быстродействующий выключатель; реледифференциальный шунт; пакет стали; выдержка времени срабатывания реле, неселективные отключения.
Artem V. Gor'kin
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
DECREASE IN NUMBER OF NOT SELECTIVE SHUTDOWNS OF HIGH-SPEED SWITCHES FEEDERS OF OVERHEAD CONTACT SYSTEM
Abstract. In article possibilities of decrease in number of not selective shutdowns of high-speed switches by use of the relay - the differential shunt are described at full removal of a package of steel on a branch of smaller section. Results of experimental evaluation of the work of the relay - the differential shunt are given at full removal of a package of steel in a branch of smaller section and its trial operation. Conclusions are drawn on earlier undescribed property of the relay - the differential shunt, at full removal of a package of steel on a branch of smaller section - with increase in speed of increase of current, the considerable time lag of operation of the relay appears.
Keywords: high-speed switch; differential shunt relay; steel package; pickup delay relays; non-selective shutdown.
Ежегодно на российских железных дорогах постоянного тока возрастает количество отключений быстродействующих выключателей (БВ). Это происходит из-за развития скоростного и тяжеловесного движения, приводящего к увеличению максимальных рабочих токов, потребляемых электроподвижным составом (ЭПС). Увеличение количества отключений БВ в совокупности с увеличением максимальных рабочих токов приводит к повышению вероят-
ности появления дуги при проходе ЭПС изолирующего сопряжения (ИС) контактной сети, когда возникает режим перераспределения тока, потребляемого локомотивом, между двумя фидерами контактной сети (ФКС) 3,3 кВ. Все это может привести к пережогам контактного провода [1, 2].
Различные схемы и решения защиты от ложных отключений и пережога контактного провода, которые применяются на российских железных дорогах, были рассмотрены в работах [3 - 6].
Преимущества предложенных ранее решений можно свести к одному - они в разной степени помогают снизить вероятности ложных отключений БВ и пережога контактного провода. Вместе с тем недостатки этих решений значительны:
увеличение затрат, как единовременных, так и эксплуатационных, на устройства защиты контактной сети;
усложнение (часто очень значительное) конструкции ИС и защиты контактной сети;
вследствие первых двух причин и в связи с увеличением тяговых токов в условиях развития скоростного и тяжеловесного движения ЭПС эффективность применения данных методов и устройств ограничена и продолжает снижается.
Существующую не одно десятилетие проблему прохода ЭПС воздушных промежутков под током и связанных с этим ложных отключений быстродействующих выключателей ФКС и пережогов контактного провода, которая становится все более актуальной, можно решить новыми методами, используя массово внедряющиеся в эксплуатацию цифровые защиты ФКС-3,3 кВ [1].
В настоящее время основными защитами ФКС-3,3 кВ являются быстродействующие выключатели и цифровые терминалы защит ЦЗАФ-3,3 кВ / ИнТер-3,3 кВ (далее - ЦТ), которые в момент прохода ЭПС изолирующего сопряжения под током не обеспечивают нужной избирательности в выделении признаков, отличающих аварийные режимы от нормальных [1].
В статье предлагается метод исключения неселективной работы быстродействующих выключателей, отличающийся от приведенных в работах [3 - 7]. Метод заключается в выполнении максимальной импульсной защиты (МИЗ) на реледифференциальном шунте (РДШ) с выдержкой времени путем уменьшения пакета стали на ветви шины меньшего сечения. При этом РДШ будет работать в качестве дополнительной защиты, а в роли основной и резервной - дистанционная защита и ЗСНТ (защита по скорости нарастания тока), выполненные на базе ЦТ.
РДШ применяется на значительном количестве тяговых подстанций, которые оборудованы выключателями типа ВАБ-49 или аналогичными. РДШ формирует команду на отключение этих БВ. Неселективная работа МИЗ обусловлена особенностями срабатывания РДШ при разной скорости нарастания измеряемого тока - реле чувствительно к крутизне нарастания тока: при быстром нарастании аварийного тока в момент короткого замыкания величина уставки реле снижается. Это связано с разным индуктивным сопротивлением ветвей шины РДШ.
Уменьшение пакета стали на ветви шины меньшего сечения в эксплуатации допускается согласно отраслевой инструкции Российских железных дорог [8]. Согласно инструкции решение о применении выдержки времени в резервных устройствах защиты для рассматриваемой межподстанционной зоны принимает руководитель службы электрификации и электроснабжения территориальных подразделений ОАО «РЖД».
Проведенные в лабораторных условиях испытания РДШ показали, что в случае наличия полного пакета стали при скорости нарастания тока 400 - 600 А/мс, что соответствует близкому к подстанции короткому замыканию, и при незначительном превышении установившегося тока короткого замыкания над уставкой реле собственное время реледифференциально-го шунта будет равняться 5 - 7 мс. При той же скорости нарастания тока и полном снятии пакета стали на ветви шины меньшего сечения задержка срабатывания реле составит уже порядка 60 - 65 мс, а с увеличением разности между величиной установившегося тока коротко-
70 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016
—— 1 V
го замыкания и током уставки задержка срабатывания реле будет уменьшаться до значений менее 20 мс.
Зависимость времени срабатывания РДШ от скорости нарастания тока при полном снятии пакета стали показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Зависимость времени срабатывания РДШ от скорости нарастания тока
при полном снятии пакета стали
Выдержки времени порядка 60 мс, в большинстве случаев будет достаточно, чтобы обеспечить несрабатывание БВ фидеров тяговой подстанции (ТПС) при прохождении ЭПС изолирующих сопряжений под током.
Для проверки выводов, полученных при лабораторных испытаниях, данная методика защиты ФКС была реализована на одной из тяговых подстанций Западно-Сибирской железной дороги, где складывалась ситуация, практически аналогичная отключениям БВ при проходе ЭПС изолирующего сопряжения контактной сети под током.
При коротком замыкании на одном из отходящих фидеров распределительном посту (РП) Инская - Восток отключается быстродействующий выключатель этого присоединения, и, практически одновременно с ним, неселективно срабатывает БВ фидера контактной сети Ф3-3,3 кВ или Ф9-3,3 кВ подстанции Инская, питающего соответствующую секцию РП. В этом случае одновременно пропадает напряжение в контактной сети подъездных путей цехов периодического ремонта, кранового, основного депо и в части парков станции Инская, вследствие чего могут возникать ситуации с задержкой поездов.
Схема питания и секционирования представлена на рисунке 2, а тип выключателей, протяженность и сечение питающих фидеров, уставки защиты и среднее число отключений в месяц - в таблице 1.
Рисунок 2 - Схема питания и секционирована РП Инская - Восток
№ 4(28) ^^ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 71
Ц2016 — — Ш Я ^^ т^Я ^^т ^^ Я Ш Я я ■ ■ ■ Ш ш ш
Наибольшее число отключений БВ Ф3 ТПС связано с короткими замыканиями на участках тяговой сети, питаемых выключателями фидеров Ф1 и Ф2 РП (таблица 1).
На фидерах Ф3, Ф9 подстанции и Ф1, Ф2 РП установлены выключатели типа ВАБ-49. Команду на отключение этих выключателей формирует РДТТТ Неселективная работа защиты обусловлена малой длиной фидеров Ф3 и Ф9 подстанции и, как следствие, большой скоростью нарастания тока при коротком замыкании, в результате чего выключатель на РП еще не успевает отключить ток коротко замыкания, когда БВ Ф3 или Ф9 на подстанции срабатывает.
Для исключения неселективной работы выключателей на фидере Ф-3 путем уменьшения пакета стали на ветви шины меньшего сечения была реализована максимальная импульсная защита на РДТТТ с выдержкой времени. В этом случае МИЗ будет работать в качестве дополнительной защиты, а в роли основной и резервной - ДЗ и ЗСНТ, выполненные на базе цифрового терминала ЦЗАФ-3,3 кВ (таблица 2).
Таблица 1 - Параметры присоединений ФКС подстанции и поста
Информация о фидере Среднемесячное число
Объект № длина, м сечение Тип выключателя Iумиз, А отключений за первое полугодие 2016 г.
ЭЧЭ-250 3 2 100 3 х А185 2хВАБ-49-5000 4 000 22,7
Инская 9 2 100 3 х А185 2хВАБ-49-3200 4 000 10
1 400 3 х А185 ВАБ-49-3200 3 000 15,2
2 600 3 х А185 ВАБ-49-3200 2 900 11,7
3 2 100 3 х А185 ВАБ-43-4000 3 400 -
РП Инская-Восток 4 620 3 х А185 ВАБ-43-4000 2 900 0,7
5 610 3 х А185 ВАБ-43-4000 2 900 3,0
6 672 3 х А185 ВАБ-43-4000 2 900 4,2
7 123 3 х А185 ВАБ-43-4000 2 900 3,3
8 123 3 х А185 ВАБ-43-4000 2 900 0
9 2 100 3 х А185 ВАБ-43-4000 3 000 -
Таблица 2 - Уставки защиты фидеров контактной сети Ф3 и Ф-9 ТПС Инская
№ фидера Тип БВ Вид защиты 1к.з/ Як.з., А/Ом Уставка Выдержка времени
МИЗ, А 4 500 -110 мс
МТЗ, А 8 000 -
ДЗ, Ом 0,3 20 мс
Ф-3, Ф-9 2хВАБ-49 ДЗ-2, Ом (на сигнал) 20 100 / 0,13 0,6 -
ЗСНТ, А/мс 760 -
КВТЗ 4ред=72 оС; /у=80 оС; Кн=0,994°С/(сА2) 10-7; Ко=0,57, 1/с 10-2 -
Выдержки времени в 60 мс будет достаточно, чтобы обеспечить селективность МИЗ Ф3 и Ф9 ТПС при коротких замыкания на отходящих фидерах поста, так как полное время отключения аварийного тока выключателями типа ВАБ-49 и ВАБ-43, установленными на РП, обычно не превышает 20 мс.
В дальнейшем были проведены дополнительные замеры времени срабатывания реле РДТТТ выключателя БВФ3-3,3, которые проводились с различной величиной пакета стали на ветви меньшего сечения - 1,0; 0,75; 0,5 и 0,0 от общего объема. В качестве регистраторов использовались цифровой осциллограф и цифровой терминал ЦЗАФ-3,3 с действием встроенной защиты «на сигнал».
Итогом проведенных измерений стало построение временной зависимости срабатывания РДТТТ при полном отсутствии пакета стали (рисунок 3).
Полученная выдержка времени около 120 мс отличается от результатов эксперимента в лабораторных условиях (см. рисунок 1), по следующим причинам:
72 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28)
2016
1) уставка МИЗ РДШ в лабораторных условиях была равна 2,9 кА при максимальном значении тока прогрузочного устройства ПРУС, равном 3,9 кА; а в случае эксперимента на ТПС Инская соответственно 3,5 кА при значении тока ПРУС в 4 кА;
2) эксперимент в лабораторных условиях проводился только с РДШ без участия непосредственно выключателя, который вносит дополнительную индуктивность;
3) расположение прогрузочного аппарата ПРУС с кабелями относительно РДШ в обоих случаях было различным, что также могло повлиять на результаты измерений.
Выдержка времени при пакете стали 0,75; 0,5 и 0,25 от общего объема минимальна и составляет около 10 - 15 мс, что является недостаточной величиной для решаемой задачи.
БВ фидеров Ф-3 и Ф-9 подстанции Инская с уменьшенным до нуля пакетом стали на шине меньшего сечения РДШ были введены в работу 19 августа и 13 сентября 2016 г. соответственно с уставками защиты, приведенными в таблице 2.
За две недели наблюдений выключатель Ф-3 отключился один раз при штатном среднем количестве отключений 11 (см. таблицу 1).
Рисунок 3 - Зависимость времени срабатывания РДШ от скорости нарастания тока при полном отсутствии пакета стали
Осциллограмма единственного отключения приведена на рисунке 4. В этом случае выключатель отключился от действия РДШ, которое сработало несмотря на большую выдержку времени из-за длительных и больших тяговых нагрузок.
Рисунок 4 - Осциллограмма отключения выключателя от действия РДШ с выдержкой времени
Кроме этого было зафиксировано три отключения на РП Инская - Восток с помощью дистанционной защиты ДЗ-2 ЦТ фидера Ф3 на ТПС Инская, установленной на сигнал. Параметры всех трех отключений, осциллограмма одного из которых приведена на рисунке 5, идентичны. Отключения выключателя Ф3 подстанции при этом не происходило, хотя при использовании РДТТТ с полным пакетом стали выключатель в подобной ситуации всегда отключался.
На осциллограмме рисунка 5 видно, что время отключения выключателя на РП составило не более 22 мс, что является удовлетворительным показателем для выключателя одиночного исполнения.
Рисунок 5 - Осциллограмма отключения выключателя на РП Инская - Восток
Анализ работы выключателей фидеров Ф3 и Ф9 на основе осциллограмм, полученных с помощью цифровых терминалов ЦЗАФ-3,3, показал, что количество их неселективных срабатываний при коротких замыканиях на участках контактной сети, защищаемой выключателями распределительного поста Инская - Восток, уменьшилось практически до нуля, что является положительным результатом применения предложенной методики выбора уставок выключателей и проведенного анализа работы РДТ без пакета стали.
В качестве основного вывода можно выделить экспериментально полученный результат - возможно снижение числа отключения БВ при проходе ЭПС изолирующих сопряжений без снижения надежности защиты ФКС, а уменьшение количества неселективных отключений выключателей позволяет снизить эксплуатационные затраты на их капитальный ремонт и обслуживание.
Кроме того, в ходе эксперимента выявлено свойство РДТТТ, не описанное ни в одном научном источнике, посвященном рассмотрению работы указанного реле (например, [5, 7, 9]), что в перспективе позволит дополнить существующую теорию работы и характеристики реле дифференциальных шунтов выключателей типа ВАБ-28 и ВАБ-49 [9].
Список литературы
1. Горькин, А. В. Анализ работы коммутационных аппаратов тяговой подстанции постоянного тока в условиях прохождения электроподвижным составом изолирующих сопряжений под током [Текст] / А. В. Горькин // Приборы и методы измерений, контроля качества и
74 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016
—— 1 V
диагностики в промышленности и на транспорте: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - 425 с.
2. Горькин, А. В. Анализ процессов изменения токов смежных фидеров при прохождении электроподвижным составом изолирующих сопряжений под током [Текст] / А. В. Горь-кин // Метрологическое и нормативное обеспечение качества и безопасности продукции: Материалы всерос. науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. -224 с.
3. Колин, А. Ф. Предупреждение пережогов проводов в местах секционирования контактной сети [Текст] / А. В. Колин, В. А. Савченко. - М.: Транспорт, 1978. - 72 с.
4. Векслер, М. И. Защита тяговой сети постоянного тока от токов короткого замыкания [Текст] / М. И. Векслер - М.: Транспорт, 1976. - 120 с.
5. Такарлыкова, А. С. Изолирующий промежуток тяговой сети постоянного тока для условий скоростного и тяжеловесного движения [Текст]: Автореферат дис... канд. техн. наук / А. С. Такарлыкова.- М., 2009. - 20 с.
6. Фигурнов, Е. П. Релейная защита устройств электроснабжения железных дорог [Текст] / Е. П. Фигурнов - М: Транспорт, 1981. - 215 с.
7. Гречишников, В. А. Измерительно-аналитическая программно-аппаратная система защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока [Текст]: Дис. доктора техн. наук / В. А. Грешников. - М., 2013. - 182 с.
8. Инструкция о порядке расчета и выбора уставок защиты тяговой сети постоянного тока [Текст] / Управление электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры - филиала ОАО «РЖД» - 16 января 2012 г. № ЦЭт-2/1 (П-01/12). - М., 2012. -97 с.
9. Пупынин, В. Н. Полная теория работы и характеристика параллельных индуктивных шунтов быстродействующих выключателей типов ВАБ-2, АБ-2\3, АБ-2\4 и реле дифференциальных шунтов выключателей ВАБ-28 [Текст] / В. Н. Пупынин // Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог: Труды МИИТа. - М., 1965. - Вып. 213. - С. 61 - 85.
References
1. Gor'kin, A. V. Job analysis of switching offices of traction substation of a direct current in the conditions of passing by electrorailway vehicles of the isolating interfaces alive. [Analiz raboty kommutatsionnykh apparatov tiagovoi podstantsii postoiannogo toka v usloviiakh prokhozhdeniia elektropodvizhnym sostavom izoliruiushchikh sopriazhenii pod tokom]. Pribory i metody izmerenii, kontrolia kachestva i diagnostiki v promyshlennosti i na transporte: Materialy Vserossiiskoi nauch-no-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Devices and methods of measurements, quality control and diagnostics in the industry and on transport: Materials of the All-Russian scientific and technical conference with the international participation). Omsk, 2013, 425 p.
2. Gor'kin, A. V. Organizational and technological parameters of operation of the liner-tamping-straightening machines cyclic action [Analiz protsessov izmeneniia tokov smezhnykh fid-erov pri prokhozhdenii elektropodvizhnym sostavom izoliruiushchikh sopriazhenii pod tokom]. Metrologicheskoe i normativnoe obespechenie kachestva i bezopasnosti produktsii: Materialy Vse-rossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Metrological and standard quality assurance and safety of products: Materials of the All-Russian scientific and technical conference). Omsk, 2014, 224 p.
3. Kolin, A. F. Preduprezhdenie perezhogov provodov v mestakh sektsionirovaniia kontaktnoi seti (The prevention of perezhog of wires in places of sectioning of contact network). Moskow: Transport, 1978. - 72 p.
4. Veksler, M. I. Zashchita tiagovoi seti postoiannogo toka ot tokov korotkogo zamykaniia (Protection of traction network of a direct current against currents of short circuit). Moskow: Transport, 1976. - 120 p.
5. Takarlykova, A. S. Izoliruiushchii promezhutok tiagovoi seti postoiannogo toka dlia uslovii skorostnogo i tiazhelovesnogo dvizheniia (The isolating interval of traction network of a direct current for conditions of high-speed and heavy movement). Abstract of the thesis for a degree of Candidate of Technical Sciences, Moskow, 2009, 153 p.
6. Figurnov, E. P. Releinaia zashchita ustroistv elektrosnabzheniia zheleznykh dorog (Relay protection of devices of power supply of the railroads). Moskow: Transport, 1981, 215 p.
7. Grechishnikov, V. A. Izmeritel'no-analiticheskaia programmno-apparatnaia sistema zash-chity i diagnostiki osnovnogo oborudovaniia tiagovykh podstantsii postoiannogo toka (Measuring and analytical hardware-software system of protection and diagnostics of the capital equipment of traction substations of a direct current). Thesis for a degree of the Doctor of Engineering, Moskow, 2013, 182 p.
8. Instruktsiia o poriadke rascheta i vybora ustavok zashchity tiagovoi seti postoiannogo toka (The instruction about a procedure of payments and the choice of settings of protection of traction network of a direct current), Moskow, Upravlenie elektrifikatsii i elektrosnabzheniia Tsentral'noi direktsii infrastruktury - filiala OAO «RZhD», 2012.
9. Pupynin, V. N. A complete theory of work and the characteristic of parallel inductive shunts of high-speed switches of the VAB-2, AB-2\3, AB-2\4 types and the relay of differential shunts of VAB-28 switches [Polnaia teoriia raboty i kharakteristika parallel'nykh induktivnykh shuntov by-strodeistvuiushchikh vykliuchatelei tipov VAB-2, AB-2\3, AB-2\4 i rele differentsial'nykh shuntov vykliuchatelei VAB-28]. Works MIET, Questions of power supply of the electric railroads, Release 213, 1965, pp 65 - 81.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Горькин Артем Владимирович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог», ОмГУПС.
Тел.: +7 (960) 991-23-56.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Горькин, А. В. Снижение числа неселективных отключений быстродействующих выключателей фидеров контактной сети [Текст] / А. В. Горькин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2016. - № 4 (28). - С. 69 - 76.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Gor'kin Artem Vladimirovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Post-graduate student of the department «Rolling stock electric railway», OSTU. Phone: +7 (960) 991-23-56. E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Gor'kin A. V. Decrease in number of not selective shutdowns of high-speed switches feeders of overhead contact system. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 28, no. 4, pp. 69 - 76. (In Russian).
УДК 621.331: 621.311
В. П. Закарюкин1, А. В. Крюков1, Е. А. Алексеенко2
1 Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация. 2Восточно-Сибирская дирекция по энергообеспечению - структурное подразделение ОАО «РЖД»,
г. Иркутск, Российская Федерация
АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ ЭКВИВАЛЕНТОВ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
В ТЯГОВОЙ СЕТИ 27,5 кВ
Аннотация. Предметом исследований, результаты которых представлены в статье, являются аварийные режимы в системах тягового электроснабжения (СТЭ) 27,5 кВ, вызванные короткими замыканиями (КЗ).
76 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(28) 2016
—— faV 1 V