Повышение устойчивости функционирования дистанционной защиты фидеров контактной сети переменного тока

P.S. Pinchukov, , S.I. Makasheva, , Far Eastern State Transport University, Khabarovsk, Russia

В системах тягового электроснабжения (СТЭ) электрифицированных железных дорог контактная сеть для питания электроподвижного состава не имеет резерва, что делает особенно ответственным функционирование устройств ее защиты. Правильный порядок функционирования устройств защиты фидеров контактной сети (ФКС) подразумевает срабатывание устройств при коротком замыкании (КЗ) в защищаемой зоне и несрабатывание при отсутствии замыкания в защищаемой зоне или при замыкании за пределами защищаемой зоны [1, 2]. Однако в реальных условиях эксплуатации защита может работать неправильно в силу различных причин. Среди неправильных действий защит выделяют: ложные срабатывания (ЛС), излишние срабатывания (ИС) и отказ срабатывания (ОС) [1–3]. Интенсификация тяжеловесного движения предполагает как повышение массы поезда по сравнению с обычными весовыми нормами, так и сокращение межпоездного интервала попутного следования поездов. При этом, как показывают результаты анализа работы защит ФКС в условиях эксплуатации, наряду с достаточно эффективной защитой контактной сети от металлических КЗ, с ростом интенсивности тяжеловесного движения возрастает количество случаев неправильных действий как релейных, так и микропроцессорных защит в режиме нагрузки, что связано с ростом тяговых нагрузок вследствие увеличения массы поездов [3–14]. Таким образом, исследуемая проблема заключается в низкой способности защиты выполнить установленные требования по устойчивости функционирования в условиях тяжеловесного движения, что ведет к нарушению графика движения поездов, перерыву в электроснабжении и сопровождается значительным материальным ущербом.

Постановка цели и задач исследования

Устойчивость функционирования – одно из важнейших требований, предъявляемых к устройствам защиты электрических сетей, в том числе и к защитам элементов СТЭ. Целью работы является совершенствование алгоритма работы дистанционной защиты ФКС, гарантирующее её устойчивое функционирование в различных режимах работы тяговой сети железных дорог, электрифицированных по системе 25 кВ, 50 Гц переменного тока.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

– анализ осциллограмм токов и напряжений ФКС, полученных экспериментальным путем в нормальном режиме и режиме КЗ;

– анализ параметров, характеризующих изменения гармонических составляющих кривых тока и напряжения в различных режимах работы СТЭ;

– выявление отличительных признаков для точной идентификации нормального режима и режима КЗ с обоснованием возможности их применения для построения новых принципов срабатывания защиты;

– совершенствование алгоритма работы дистанционной защиты ФКС на основании предлагаемых отличительных признаков режима работы СТЭ.

Анализ особенностей существующих терминалов защиты и автоматики фидеров контактной сети

В настоящее время на сети электрифицированных железных дорог переменного тока 50 Гц нашей страны преимущественно применяются микропроцессорные защиты ФКС типа БМРЗ-ФКС, ЦЗА-27,5-ФКС и ИнТер-27,5-ФКC [1, 10, 12, 13]. Упомянутые терминалы в качестве основных защит от КЗ содержат ступени дистанционной защиты и дополнительную токовую отсечку. Для повышения устойчивости функционирования ступеней дистанционных защит в условиях повышенных токовых нагрузок помимо основных параметров (действующие значения напряжения и тока по контролируемому присоединению) терминалы фиксируют и дополнительные параметры, в том числе величины коэффициентов содержания нечетных гармонических составляющих в кривой тока. Как правило, контроль проводится по превалирующим гармоническим составляющим (третья, пятая и седьмая гармоники тока) [4, 7, 13, 14]. Контроль дополнительных параметров должен обеспечивать блокировку действий дистанционных защит для исключения неправильных действий в нагрузочных режимах. Однако, как показали исследования [4–6, 8–10, 12], контроль указанных выше параметров не исключает неправильных действий защит в условиях тяжеловесного движения поездов.

Для исключения неправильных действий защит ФКС предлагаются способы совершенствования алгоритмов функционирования защит, основанные на применении в качестве идентификационного показателя режима дополнительных электрических параметров. К примеру, скорость изменения напряжения на шинах тяговой подстанции, где подключено устройство защиты, рассматривается отечественными авторами [4, 8]. В терминалах защиты иностранных производителей также используются дополнительные параметры, что позволяет блокировать действия дистанционных защит в режимах нагрузки и исключать неправильные срабатывания. Например, в терминале цифровой защиты контактной сети переменного тока SIPROTEC 7ST6 от компании SIEMENS [14], распространенной в странах Европы, Китае, Австралии и Южной Америки в качестве дополнительного параметра для блокировки ступеней дистанционной защиты используются приращения тока или напряжения (соотношение di/dt и/или du/dt соответственно) [15]. Комплекты ступеней дистанционных защит с дополнительными блокирующими параметрами нашли широкое применение на полигоне железных дорог Франции, Испании и Японии [14–17], поэтому использование дополнительных параметров для отстройки защит от нормального режима представляется перспективным для российских железных дорог. Вместе с тем особенностью решаемой задачи становится необходимость поиска таких дополнительных параметров, которые позволяли бы исключать неправильную работу защит в условиях значительных токовых перегрузок при тяжеловесном движении. В этой связи научный интерес представляет исследование особенностей формирования кривых тока и напряжения в условиях резкого увеличения нагрузки.

Исследование искажения формы кривых тока и напряжения в различных режимах работы СТЭ

Искажение синусоидальной формы тока или напряжения в электрической сети переменного тока относится к области проблемы электромагнитной совместимости всех элементов цепи электропитания – от источника до конечного потреби- теля в СТЭ, так как искажение синусоидальности снижает эффективность как работы системы электроснабжения в целом, так и всех элементов, связанных с ней электромагнитно. В ходе регулярных многолетних наблюдений за параметрами СТЭ на шинах 27,5 кВ тяговых подстанций, находящихся в зоне ответственности Дальневосточной дирекции по энергообеспечению СП Трансэнерго – филиал ОАО «РЖД», были зафиксированы осциллограммы реально происходящих в тяговой сети КЗ посредством регистраторов аварийных событий (РАС). Также были записаны осциллограммы для нормального режима СТЭ, когда нагрузка ФКС резко увеличивалась в связи с прохождением по межподстанционной зоне тяжеловесного поезда.

Наличие обширной базы данных осциллограмм дало возможность провести детальное исследование гармонического состава кривых напряжения и тока на коротких (миллисекунды) временных интервалах отдельно для нормальных и аварийных режимов работы тяговой сети.

На рис. 1 приведены осциллограммы, записанные РАС за время резкого увеличения нагрузки ФКС с 100 до 409 А.

У Файл Выборка Показывать Масштаб Метка Сигнал Расчет Анализ Окно Помощь

L4 Файл Выборка Показывать Масштаб Метка Сигнал Расчет Анализ Oi

Т яга Т П Свиягимо
и
25,15 кВ	24,42 кВ
Тяга ТП Свиягимо /
101 A	409 A
198 мс L_
мс	224 мс
	Исследуемый период

Рис. 1. Осциллограммы, записанные РАС при резком увеличении тока нагрузки ФКС Fig. 1. Oscillograms during a sharp increase in the load current, stored by the emergency recorder

Гармонический анализ осциллограмм проводился для переходного процесса, который характеризуется присутствием в гармоническом спектре кривой тока ФКС постоянной гармонической составляющей, как ранее было более подробно описано авторами в [18]. Гармонический состав несинусоидальных периодических функций тока и напряжения определялся с помощью преобразования Фурье, которое встроено в алгоритмы используемых РАС. В результате обработки осциллограмм кривых тока и напряжения из рис. 1 в период переходного процесса за 26 мс были записаны численные значения действующих токов ( I д) и напряжений ( U д) и их гармонических составляющих. Для дальнейшего анализа были отобраны постоянные составляющие ( F 0 u ; F 0 i ) и первые гармоники напряжения и тока ( F 1 u ; F 1 i ), графики изменения которых представлены на рис. 2.

Из рис. 2 следует, что в кривой напряжения ФКС на исследуемом интервале времени значение постоянной гармонической составляющей во много раз меньше, чем действующие значения напряжения (наибольшее значение F 0 u max = 0, 235 кВ соответствует значению U д = 24,84 кВ). В отличие от напряжения, постоянная гармоническая F0i в кривой тока составляет более существенную долю. Так, в пиковом моменте своего роста на рис. 2 при t = 210 мс постоянная гармоническая составляющая тока равна F 0 i max = 158 А при величине действующего тока I д = 318 А. Вдобавок для кривой тока F 0 i = f ( t ) характерен скачкообразный характер изменения в широких пределах против относительно незначительно и монотонно изменяющейся кривой напряжения F 0 u = f ( t ). Таким образом, целесообразным представляется дальнейшее исследование именно кривых тока, нежели напряжения. Далее рассмотрим записи аварийных событий, представленных на рис. 3, когда возникшее КЗ отключалось каскадно.

Как следует из рис. 4, постоянные гармонические составляющие как тока F 0 i , так и напряжения

F 0 u присутствуют в течение переходного процесса, что и в вышеописанном режиме роста нагрузки. Тем не менее, в отличие от нормального режима, при КЗ возрастает содержание и постоянной составляющей тока F 0 i , и постоянной составляющей напряжения F 0 u . Постоянная гармоническая составляющая тока F 0 i имеет максимальное значение 385 А при значении действующего тока 614 А. Постоянная гармоническая составляющая напряжения F 0 u достигает значения 3,848 кВ при действующем значении напряжения 24,12 кВ, что в процентном соотношении значительно больше, чем ранее было описано для нормального режима при росте нагрузки.

На этом этапе исследования можно сделать промежуточные выводы:

• 1)    содержание постоянных гармонических составляющих F 0 i и F 0 u в режиме КЗ и в нагрузочном режиме различно;

• 2)    доля F 0 i и F 0 u в режиме КЗ больше, чем в нагрузочном режиме;

• 3)    доля содержания постоянной гармонической составляющей в кривой тока значительно больше, чем в кривой напряжения, как для нормального, так и для аварийного режимов.

Однако в контактной сети могут возникать КЗ, при которых остаточное напряжение на шинах тяговых подстанций соизмеримо с уровнем напряжения в нагрузочном режиме. Такие КЗ, как правило, удалены от шин тяговой подстанции и могут находиться за постами секционирования, т. е. в зоне резервирования, и их принято называть удаленными [1–3]. В этих случаях, как правило, работают третьи ступени дистанционных защит ФКС тяговых подстанций, которые являются резервными для защит ФКС постов секционирования [1, 2]. Осциллограмма такого удаленного КЗ приведена на рис. 5, а графики изменения действующих значений напряжения и тока ФКС и их гармонических составляющих, соответствующих этому режиму – на рис. 6.

Рис. 2. Действующие значения напряжения ( U д ), тока ( I д ) ФКС и их гармонические составляющие ( F 1 u ; F 0 u ; F 1 i ; F 0 i ) при резком росте нагрузки

Fig. 2. Feeder voltage ( U д ) and current ( I д ), and their harmonic components ( F 1 u ; F 0 u ; F 1 i ; F 0 i ) with a sharp increase in the load

Сигнал Расчет Анализ Окно Помощь

I +1 ♦ Ы * I lJ©!^ ®1^]

27,82 кВ

90 A

225 мс

775 A

249 мс

Исследуемый период

12,44 кВ

Рис. 3. Осциллограмма, записанная РАС при КЗ

Fig. 3. A short circuit mode oscillogram, stored by the emergency recorder

Рис. 4. Действующие значения напряжения ( U д ), тока ( I д ) ФКС и их гармонические составляющие ( F 1 u ; F 0 u ; F 1 i ; F 0 i ) при коротком замыкании

Fig. 4. Feeder voltage ( U д ) and current ( I д ), and their harmonic components ( F 1 u ; F 0 u ; F 1 i ; F 0 i ) in short circuit mode

Рис. 5. Осциллограмма, записанная РАС при удаленном КЗ

Fig. 5. Oscillogram recorded by the emergency recorder at remote short circuit

Рис. 6. Действующие значения напряжения ( U д ), тока ( I д ) ФКС и их гармонические составляющие ( F 1 u ; F 0 u ; F 1 i ; F 0 i ) при удаленном КЗ

Fig. 6. Feeder voltage ( U д ) and current ( I д ), and their harmonic components ( F 1 u ; F 0 u ; F 1 i ; F 0 i ) at remote short circuit

Анализ данных, зафиксированных РАС, показал, что, в отличие от режима близкого КЗ, минимальный уровень напряжения ФКС при удаленном КЗ составил 23,6 кВ. В процессе эксплуатации подобное снижение напряжения часто фиксируется и в нагрузочных режимах при пропуске поездов повышенной массы [4, 5, 8, 11]. Для КЗ, иллюстрируемого рис. 6, постоянная гармоническая составляющая в кривой напряжения достигает значения 1,092 кВ при действующем значении напряжения 25,67 кВ. При этом постоянная гармоническая составляющая тока достигает значения F 0 i = 772 А при действующем значении тока 1249 А, что свидетельствует о значительном (более 60 %) её содержании в кривой тока.

В соответствии с широко распространенными расчетными и нормативными методиками [17–20] значения гармонических составляющих принято записывать не только в именованных значениях (Амперы или Вольты), но и в процентном соотношении, а также в децибелах (дБ).

Расчет процентного содержания в кривой напряжения постоянной гармонической составляющей F0u показал, что в режиме роста нагрузки его максимальное значение составило 0,96 %, в режиме близкого КЗ – 19,39 %, удаленного КЗ – 4,26 %. Наибольшее из трех обозначенных значений F0u при близком КЗ объясняется значительным снижением напряжения Uд и высокой скоростью его изменения dUд/dt. Подобного эффекта не наблюдается при удаленных КЗ с незначительным изменением величины напряжения Uд и низкой скоростью его изменения dUд/dt. Исходя из этого, было принято решение не рассматривать далее величину F0u в качестве признака, по которому можно отличить режим нагрузки от режима КЗ. Во всех вышеозначенных режимах доля содержания постоянной гармонической составляющей тока F0i значительно больше, чем напряжения F0u, поэтому дальнейший анализ проводился для кривых тока. Изменения F0i за время переходного процесса рассматривались для нормального режима, близкого и удаленного КЗ. Рассчитанные значения процентного содержания F0i для каждого режима представлены на рис. 7.

Анализ осциллограмм для нормального режима работы ФКС показал, что пиковое значение F 0 i max наиболее часто имеет значение менее 40 %, и только при резком (в 3–5 раз) увеличении нагрузки приближается к 55–60 %, пример такого изменения приведен на рис. 7а, и соответствует осциллограмме рис. 1.

Для режимов КЗ (как близких, так и удаленных) значения F 0 i max существенно превышали значения, зафиксированные в нормальном режима. Так, в нормальном режиме для осциллограммы рис. 1 величина F 0 i max достигла 60,7 %, как показано на рис. 7а. Для осциллограммы близкого КЗ, изображенной на рис. 3, F 0 i max достигло значения 80,63 %, как показано на рис. 7b. Для режима удаленного КЗ, осциллограмма для которого приведена на рис. 5, значение F 0 i max достигло 78,5 %, как показано на рис. 7с. Общее количество осциллограмм, подвергнутых анализу, для случаев КЗ различной удаленности составило 17 шт., и во всех случаях пиковые значения F 0 i max превышали 75 %. Таким образом, базируясь на результатах проведенного исследования, предлагается в качестве нового дополнительного параметра для отличия нормального режима от режима КЗ применять постоянную составляющую тока ФКС F 0 i , появление которой в кривой тока ФКС соответствует началу переходного процесса. Величину пикового значения F 0 i max свыше 75 % на интервале 20–30 мс от момента ее появления предлагается считать маркером идентификации режима КЗ.

249 251 253 255 257 259 261 263 265 267 269 t,мс

c)

Рис. 7. Постоянная гармоническая составляющей тока ФКС F 0 i за время переходного процесса: а – при росте нагрузки; b – близкое КЗ; c – удаленное КЗ

Fig. 7. The constant harmonic component of the current F 0 i at transient process of: a – the a sharp increase of the load; b – close short circuit; c – remote short circuit

Дистанционная защита с блокировкой по постоянной симметричной составляющей тока

В современных микропроцессорных терминалах защиты и автоматики, которыми оснащены ФКС, возможно построение алгоритма работы дистанционных защит с использованием постоянной гармонической составляющей в качестве дополнительного признака аварийного режима для исключения случаев неправильной работы и, тем самым, повышения устойчивости их функционирования. В условиях тяжеловесного движения и резкого увеличения нагрузочных токов ФКС возможно предложить новый алгоритм работы дистанционной защиты, который будет строиться на принципе блокировки дистанционной защиты в нормальном режиме даже при резком росте тяговой нагрузки и использовании дополнительного маркера идентификации режима. В общем виде функциональную схему ступени дистанционной защиты с блокировкой по предлагаемому дополнительному маркеру ( F 0 i ) можно представить в виде рис. 8.

Функциональная схема защиты, показанная на рис. 8, состоит из следующих элементов, обозначенных цифрами: 1 – датчик тока; 2 – датчик напряжения; 3 – орган вычисления полного сопротивления; 4 – пороговый элемент сопротивления;

5 – орган вычисления постоянной составляющей кривой тока F 0 i ; 6 – пороговый элемент постоянной составляющей кривой тока F 0 i ; 7 – логический элемент И; 8 – элемент регулирования выдержки времени; 9 – выходной элемент. При достижении постоянной гармонической составляющей F 0 i значений больше выбранной уставки (предварительно можно принять уставку 65–75 %) будет поступать разрешение на срабатывание ступени дистанционной защиты через логический элемент & (элемент И под номером 7 на рис. 8). При увеличении нагрузки значение постоянной гармонической составляющей F 0 i будет менее выбранной уставки, и даже если величины входного сопротивления будут попадать в зону срабатывания ступени дистанционной защиты, то будет происходить блокировка срабатывания защиты логическим элементом &. Такой принцип действия будет способствовать исключению неправильного действия защиты, что повышает устойчивость её функционирования. Данный алгоритм будет актуален к применению в схемах третьей и второй ступеней дистанционной защиты ФКС. Для третьей ступени (резервной для защит постов секционирования) работа по такому алгоритму наиболее востребована, так как именно третья ступень, по многолетним статистическим данным, имеет наибольшее количество неправильных срабатываний

1   56

Рис. 8. Функциональная схема ступени дистанционной защиты с блокировкой по постоянной симметричной составляющей тока

Fig. 8. Functional scheme of distance-based protection with blocking by a current constant symmetrical component

в нагрузочных режимах. Для второй ступени такой алгоритм также желателен, особенно для защит ФКС на участках с протяженными межподстанци-онными зонами и затяжными подъемами, где неправильные срабатывания защит также наблюдаются с высокой частотой.

Заключение

В результате проведенных исследований можно заключить следующее.

• 1.    Проведенный анализ натурных осциллограмм токов и напряжений ФКС для нормальных и аварийных режимов работы СТЭ позволил выделить ряд параметров изменения гармонических составляющих кривых тока и напряжения, пригодных для идентификации режима.

• 2.    Предложено использование нового параметра – постоянной гармонической составляющей тока F 0 i , %, для точной идентификации нормального режима работы СТЭ и режима КЗ, что способствует повышению устойчивости функционирования защит ФКС.

• 3.    Приведены числовые значения отличительных параметров для нормального и аварийных режимов работы СТЭ, позволяющие производить выбор уставок для срабатывания дистанционной защиты ФКС.

• 4.    Предложена новая функциональная схема ступени дистанционной защиты с блокировкой по постоянной симметричной составляющей тока, позволяющая улучшить алгоритм работы дистанционной защиты ФКС за счет использования нового отличительного признака режима работы СТЭ.

• 5.    Предлагаемые решения могут быть реализованы в современных микропроцессорных терминалах защиты и автоматики ФКС, обладающих скоростными аналого-цифровыми преобразователями, что позволяет использовать их вычислительные функции для онлайн-обработки спектра сигнала и формировать новые, более сложные алгоритмы функционирования этих устройств с учетом роста токовых нагрузок при обращении поездов повышенной массы.