[10-2023] Защита аппаратуры рельсовых цепей при авариях в тяговой сети переменного тока

[Admin]

Защита аппаратуры рельсовых цепей при авариях в тяговой сети переменного тока

МАНАКОВ Александр Демьянович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах», профессор, д-р техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
РАХМОНБЕРДИЕВ Абдулазиз Абдимажитович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах», соискатель, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: обратная тяговая сеть, опасные электромагнитные воздействия, система устройств защиты от перенапряжений, математические модели, метод переменных состояния
Аннотация. Современная защита технических средств и объектов железнодорожной инфраструктуры от воздействия влияния тягового тока, атмосферных и коммутационных перенапряжений не гарантирует работоспособность аппаратуры РЦ при аварийных и коммутационных перенапряжениях в тяговой сети переменного тока. В статье рассматривается система устройств защиты аппаратуры рельсовых цепей от токов короткого замыкания в обратной тяговой сети на участках с электрической тягой переменного тока напряжением 25 кВ. Разработанные модели определения токов короткого замыкания и методика определения энергии, рассеиваемой на устройствах защиты аппаратуры рельсовых цепей, позволяют принимать обоснованные решения по их выбору в разных эксплуатационных условиях.

Увеличение веса поездов за счет пропуска сдвоенных составов, обращение на участках высокоскоростных поездов и др. приводят к увеличению тока в обратной тяговой сети электрифицированных железных дорог. Аварийные и коммутационные процессы в тяговой сети, связанные с перекрытием изоляции контактного провода на рельс и с регулировочными процессами на электроподвижном составе, оказывают опасное электромагнитное воздействие на устройства железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), подключенные к рельсам или расположенные в непосредственной близости с ними. Напряжения и токи, вызывающие повреждение технических средств (пробой изоляции, тепловое и/ или динамическое разрушение), а также поражение обслуживающего персонала создают опасные электромагнитные воздействия (ОЭМВ).
Рельсовые цепи (РЦ) являются одними из основных технических средств систем ЖАТ. Они определяют место положения подвижных железнодорожных единиц, обеспечивают контроль целост
ности рельсовой линии и тем самым гарантируют безопасность движения на железной дороге. Для надежной и безотказной работы аппаратура РЦ должна быть защищена от ОЭМВ при аварийных и коммутационных процессах в тяговой сети. В статье рассматривается система устройств защиты аппаратуры рельсовых цепей от токов короткого замыкания в обратной тяговой сети на участках с электрической тягой поездов переменного тока напряжением 25 кВ.
В основу современной концепции защиты технических средств и объектов железнодорожной инфраструктуры от воздействия атмосферных и коммутационных перенапряжений и влияния тягового тока [1] положен принцип ступенчатого построения схем защиты, основанный на требованиях зонной концепции. Она заключается в разделении пространства на зоны с установлением на границах зон устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) соответствующих классов.
Современная концепция может быть применима только для защиты от атмосферных перенапряжений (ПН). Известно, что токи молнии атмосферных ПН многообразны и имеют вероятностные характеристики [ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010]. При разработке ступенчатой защиты устройств ЖАТ задаются определенные характеристики воздействия, например, удар молнии током 30 кА и временные параметры импульса 10/350 мкс. Воздействия, превышающие эти характеристики, будут приводить к отказам средств защиты от перенапряжений и выводу из строя устройств ЖАТ.
Современная концепция не может применяться для защиты аппаратуры РЦ от аварийных и комму
тационных перенапряжений в тяговой сети переменного тока. Она не предполагает воздействия средств защиты на источник перенапряжений.
В работе [2] предлагается системный подход к защите от перенапряжений. Схема распределения средств защиты в источнике и канале распространения энергии ПН показана на рис. 1, где ипп -поперечное (противофазное) перенапряжение; ипр - продольное (синфазное). Используются меры и средства защиты: направления № 1 - для снижения перенапряжений в источнике; направления № 2 - для снижения ПН в канале распространения их энергии; направления № 3 - на вводе устройств ЖАТ; направления № 4 - в конструкции устройства разработчиком при разработке технических средств.
В данной работе предлагается для защиты аппаратуры РЦ от перенапряжений при аварийных и коммутационных процессах в тяговой сети переменного тока использовать систему устройств защиты. В нее входят должным образом подобранные устройства защиты от импульсных перенапряжений, которые обеспечивают защиту оборудования, снижая при этом количество отказов электрических и электронных систем [ГОСТ Р МЭК 62305-1 -2010].
Схема распределения мер и средств защиты в канале распространения энергии ОЭМВ для участка железной дороги, оснащенного устройствами ЖАТ, при электрической тяге переменного тока напряжением 25 кВ представлена на рис. 2 . Здесь приняты следующие обозначения: ТП - тяговая подстанция; БВ ТП - быстродействующий автоматический выключатель на ТП; ТТ - тяговый трансформатор; ИО - изоляция опоры; РР - роговой разрядник; КП -контактный провод; ДПР - провода резервного источника питания устройств ЖАТ по системе «два провода-рельс»; КЗ - короткое замыкание контактного провода на рельс; ИПМ (ИПМ-62) - искровой промежуток многократного действия; РЛ - рельсовая линия; ДТ-1МГ1-450-дроссель-трансформатор; Св. 3 (5) - (проходные) светофоры системы автоблокировки (АБ); РШ - релейный шкаф; АВМ-2 - автоматический выключатель многократного действия; ПРТ-А- путевой релейный трансформатор (изолирующий трансформатор); ВОЦН-380 - выравниватель оксидно-цинковый с ножевыми выводами.
Источником ОЭМВ является тяговый трансформатор на тяговой подстанции. Быстродействующий выключатель на ТП (БВ ТП) относится к средствам защиты направления № 1. При этом используется метод защиты - отключение цепей.

Каналами распространения энергии ОЭМВ в тяговой сети служат контактная сеть и рельсовая линия, в которой для пропуска тягового тока в обход изолирующих стыков включены дроссель-трансфор-маторы. Обладая эффектом насыщения магнитопровода [3], ДТ оказывают ограничивающее действие на передачу энергии ОЭМВ через магнитную связь во вторичную обмотку ДТ, к которой подключена аппаратура РЦ. При этом ДТ представляют собой средства защиты направления № 2 (функциональная защита).
Средство защиты направления № 3, устанавливаемое на вводе аппаратуры РЦ, реализует метод выравнивания потенциалов за счет уменьшения их разности потенциалов и выполняется в виде выравнивателей ВОЦН-380-УЗИП ограничивающего типа.
Рассмотрим последовательность работы системы устройств защиты аппаратуры РЦ. При действии энергии ОЭМВ на аппаратуру РЦ из-за высокого быстродействия (t = 10~9 с) первоначально срабатывает средство защиты направления № 3 УЗИП на вводе аппаратуры РЦ (ВОЦН-380), на котором будет рассеиваться энергия ОЭМВ до момента насыщения магнитопровода ДТ (средство защиты направления № 2). В момент насыщения магнитопровода ДТ ограничивается энергия, передаваемая через магнитную связь ДТ, и действующая на ввод аппаратуры РЦ.
Графики, поясняющие защитные свойства ДТ при насыщении магнитопровода током КЗ и расчет величины энергии ОЭМВ, которая рассеивается на УЗИП на вводе аппаратуры РЦ (ВОЦН-380) при КЗ в тяговой сети переменного тока, приведены на рис. 3.
В первом и третьем квадрантах показана зависимость потокосцепления - у полуобмотки ДТ от тока намагничивания ip - v|/(i ) (основная кривая намагничивания полуобмотки ДТ). Кроме того, в третьем и четвертом квадрантах приведен график зависимости тока КЗ в тяговой сети переменного тока от времени -iK3(t). Этот ток состоит из суммы тока намагничивания ДТ - ip(t) и тока, проходящего через ВОЦН-380, который установлен на вводе аппаратуры РЦ.
При нарастании тока КЗ от нуля до точки А идет изменение магнитного потока магнитопровода и передача энергии через магнитную связь ДТ. При этом энергия ОЭМВ - (W^ выделяется на УЗИП (ВОЦН-380), которое установлено на вводе аппаратуры РЦ. В точке А происходит насыщение магнитопровода ДТ, при этом резко уменьшается наклон характеристики v(ip), что приводит к уменьшению индуктивности намагничивания и резкому уменьшению энергии, передаваемой во вторичную обмотку ДТ.

При уменьшении тока КЗ ниже точки Б на УЗИП будет передана энергия от тока КЗ (W2). Энергия ОЭМВ действует на аппаратуру РЦ при каждом переходе переменного тока в тяговой сети через ноль с периодичностью 10 мс. За следующий интервал времени, равный 10 мс, на УЗИП будет передана энергия (W3, W4) (см. рис. 3). Зная время срабатывания защиты на ТП - (13), общая энергия, рассеиваемая на УЗИП, будет равна:

W£ = 2 t3 -100 W1, (Дж)
Актуальной задачей исследования при создании системы является согласование средств защиты направлений №1 - №3. Цель согласования - определение энергии, рассеиваемой на УЗИП, установленных на вводе аппаратуры РЦ (ВОЦН-380), при коротком замыкании в тяговой сети переменного тока до момента отключения БВ-ТП. Эта энергия не должна превышать величину, допустимую для УЗИП (ВОЦН-380) защиты аппаратуры РЦ. Такое согласование позволит устройствам защиты на вводе аппаратуры РЦ длительно выполнять свои функции, создать высоконадежную систему защиты и исключить задержки поездов, связанные с отказами аппаратуры РЦ.
Факторами, влияющими на величину энергии, действующей на УЗИП, являются: удаленность места короткого замыкания в тяговой сети от тяговой подстанции, параметры тягового трансформатора на ТП, тип контактной подвески, рельсов, дроссель-трансформатора, а также время срабатывания защиты на ТП при отключении тока КЗ. Многие из этих факторов можно учесть при исследованиях на математических моделях. Такие модели позволят принимать обоснованные решения при проектировании системы защиты аппаратуры РЦ для конкретных эксплуатационных условий. Согласование устройств системы защиты от токов КЗ производилось на математических моделях с использованием метода переменных состояния [4].
Математическая модель тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ для определения тока КЗ в тяговой сети на различном удалении от ТП показана в работе [5]. Для определения энергии, рассеиваемой на средстве защиты, которое установлено на вводе аппаратуры РЦ, была разработана методика расчета и определены величины энергий. Энергия, рассеиваемая на варисторе выравнивателя ВОЦН-380 (варистор СН2-2В-680) при удалении места КЗ (S) от ТП на расстоянии 5 и 20 км, показана в таблице, где tH - время, за которое происходит насыщение магнитопровода полуобмотки ДТ за одно намагничивание (от 0 до точки A); W - энергия, рассеиваемая на выравнивателе защиты за два намагничивания (за время 10 мс); Ws1, Wv2, Wv3 -суммарные энергии, рассеиваемые на ВОЦН-380 для различных устройств защиты от токов КЗ на ТП; t3 - время срабатывания устройств защиты на ТП; ^/УдрП — допустимая энергия, рассеиваемая на ВОЦН-380; R - переходное сопротивление рельс-земля. Фаза КЗ напряжения питании тяговой сети, при которой происходит аварийный процесс, равна 56°, R = 0,25 Ом-км (лето).

Данные таблицы показывают, что при удалении места КЗ от ТП возрастает время насыщения магни- ‘ топровода полуобмотки ДТ и величина энергии, рассеиваемая на ВОЦН-380. Для устройств защиты на ТП от токов КЗ с временем срабатывания (t3), равном 0,37 и 0,64 с, энергия, рассеиваемая на ВОЦН-380, превышает допустимую величину, что приведет к отказам средств защиты и аппаратуры РЦ.
В работе предлагается для защиты аппаратуры РЦ от ОЭМВ при аварийных и коммутационных процессах в тяговой сети переменного тока использовать систему защиты, которая представляет собой набор устройств защиты, должным образом подобранных, согласованных и установленных, предназначенную для снижения числа отказов электрических и электронных систем. Согласование устройств системы защиты от токов КЗ производится на математических моделях с применением метода переменных состояния. Математическая модель тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ разработана для расчета тока КЗ в тяговой сети на различном удалении от ТП. Для определения энергии, рассеиваемой на средстве защиты, установленного на вводе аппаратуры РЦ, с учетом эффекта насыщения магнитопровода ДТ, была разработана методика расчета и определены величины энергий. При этом расчеты показали, что применение средств защиты ВОЦН-380 неэффективно. Разработанные модели и методика позволяют принимать обоснованные решения по выбору устройств защиты аппаратуры РЦ от токов КЗ в тяговой сети при разных эксплуатационных условиях.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Концепция комплексной защиты технических средств и объектов железнодорожной инфраструктуры от воздействия атмосферных и коммутационных перенапряжений и влияния тягового тока : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 24.12.2013. N 2871/р. URL: https://www.garant.ru/products/ ipo/prime/doc/70490588/
2. Манаков А.Д. Системный подход к защите от перенапряжений // Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности : труды 44-ой Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. Хабаровск: ДВГУПС, 2006. С. 65-72.
3. Манаков А.Д. Динамическая индуктивность трансформатора// Известия Петербургского университета путей сообщения. 2010. №2 (23). С. 208-220.
4. Чахмахсазян Е.А., Бармаков Ю. Н., Гольденберг А. Э. Машинный анализ интегральных схем : вопросы теории и программирования. М.: Советское радио, 1974. 272 с.
5. Манаков А.Д., Рахмонбердиев А.А. Опасное электромагнитное воздействие обратной тяговой сети переменного тока напряжением 25 кВ на устройства ЖАТ // Автоматика на транспорте. 2022. Том 8. № 3. С. 233-251. DOI: 10.20295/2412-9186-2022-8-03-233-251.