Автоматизация систем электроснабжения. Электроснабжение, защита и автоматика устройств СЦБ. Учебное пособие

отношении отличительным свойством является усложнение перспективной перегонной и станционной аппаратуры по сравнению с существующими устройствами СЦБ, которые выполняют лишь функции контроля свободности блок-участков, положения стрелок и соответствующего переключения показаний светофоров.

Несмотря на то, что системы электроснабжения устройств СЦБ напряжения переменного тока внедряются, эксплуатируются и модернизируются на сети дорог на протяжении многих десятилетий, надежность их работы недостаточна и их характеристики во многих случаях не удовлетворяют требованиям эксплуатации и безопасности движения поездов. В частности, анализ производственно-хозяйственной деятельности и безопасности движения на одной из железных дорог ОАО «РЖД» показывает примерно равное процентное распределение значения δэ = (Nэ / Nобщ)100 % отказов устройств СЦБ по вине эксплуатационного штата дистанций электроснабжения по 2001−2007 гг. (рис. 1.1).

Однако при этом следует отметить, что приведенные данные во многих случаях не отражают достаточно полной и объективной картины отказов устройств СЦБ по вине дистанций энергоснабжения. Это объясняется следующими обстоятельствами.

Аппаратура СЦБ состоит из различных функциональных узлов, определенная часть из которых критична к отклонениям величины переменного напряжения питания 220 В, причем степень критичности может быть различна. На гистограмме (рис. 1.2) показано процентное соотношение отказов

11

функциональных узлов аппаратуры СЦБ одной и той же дороги. Здесь в раздел «аппаратура» включены следующие приборы: реле и релейные блоки, трансформаторы, электронная аппаратура ДК, ДЦ и аналогичные устройства, резисторы, конденсаторные блоки и защитные устройства.

Рис. 1.2. Процентное распределение δСЦБ отказов функциональных узлов СЦ: 1 – аппаратура; 2 – монтаж; 3 – рельсовые цепи; 4 – кабельные сети;

5 – стрелочные электроприводы; 6 – элементы защиты; 7 – светофоры; 8 – пульты, табло, аппаратура управления; 9 – аккумуляторы; 10 – электропитающие устройства

Если практически измеренное в какой-либо момент времени переменное напряжение питания Uп = 220 В находится в пределах норм, то при расследовании браков в работе устройств СЦБ во многих случаях не выясняется первопричина отказа того или иного функционального узла, а констатируется только факт появления брака в работе. В случае сгорания трансформатора аппаратуры СЦБ обычно это списывается на его производственный дефект. Перегорание лампы светофора является типичным и также не выясняемым случаем отказа. Причины кратковременной и конкретно не зафиксированной контрольными и измерительными приборами занятости рельсовых цепей иногда тоже остаются не выясненными. Перечень подобных примеров, когда причиной отказа устройств СЦБ являются отклонения в функционировании устройств электроснабжения, может быть продолжен.

Эти обстоятельства определяют сложную картину взаимосвязи функциональных узлов аппаратуры СЦБ и их связи с величинами

12

напряжения переменного тока Uп. Вместе с тем нельзя утверждать, что отсутствие стандартной методики выявления истинных причин отказов устройств СЦБ является недоработкой эксплуатационного штата сети дорог или связано с недостаточностью научно-технических проработок в этой области. Принципиально возможно создание сколь угодно сложных и достаточно достоверных диагностических систем, но для этого требуются определенные финансовые затраты и эксплуатационные расходы. В современной практике разработки и эксплуатации устройств СЦБ происходит увеличение сложности диагностических систем, однако при этом находится определенный компромисс между финансовыми вложениями и функциональными возможностями вводимых контрольных систем. Очевидно, что усложнение контрольно-диагностических систем приведет к уточнению стандартных методик определения причин отказов и более достоверному определению их истинных виновников. Рациональное развитие и совершенствование диагностических систем в настоящее время возможно при использовании современных средств микроэлектроники, информатики и вычислительной техники, стоимость которых непрерывно снижается.

Таким образом, данные по отказам устройств СЦБ, приведенные на гистограмме рис. 1.1, не являются абсолютно достоверными, и в общем случае величины δэ могут быть больше, чем в реальных статистических данных отчетности. При этом необходимо также учитывать, что в некоторых случаях требуемые нормы устойчивого отклонения напряжения Uп не выполняются по ряду объективных причин и не могут быть обеспечены эксплуатационным штатом дистанций электроснабжения.

Обследование одной из железных дорог в части измерения напряжения Uп на входных светофорах станций и на сигнальных точках автоблокировки показал, что реальное распределение величин Uп имеет вид, приведенный на рис. 1.3, где Nс.т – количество сигнальных точек СЦБ, соответствующее различным значениям напряжений. График показывает большой разброс значений напряжения Uп, выходящий за пределы норм, допускаемых ПТЭ. Имеются также сигнальные точки и входные светофоры, у которых напряжения Uп имеют экстремальные значения в диапазонах от 160 до 180 В и от 255 до 260 В.

13

Конкретные данные графика рис. 1.3 по количеству сигнальных точек с различными значениями напряжения Uп приведены в табл. 1.1

Низкое напряжение питания Uп имело место на участках с автономной тягой, когда напряжение питания входных светофоров и сигнальных точек поступало от ненадежных источников электроснабжения городских или производственных сетей. В некоторых случаях снижение напряжения Uп было вызвано использованием временных схем электроснабжения из-за аварийных ситуаций в системах электроснабжения устройств СЦБ.

Отсутствие устройств регулирования напряжения на тяговых подстанциях (пунктах питания) и изменение нагрузок энергосистем также приводит не только к недопустимому снижению, но и к превышению заданных норм напряжения Uп.

14

Следовательно, как видно из приведенного примера данных, в условиях эксплуатации существующих систем электроснабжения устройств СЦБ имеют место недопустимые и практически существующие отклонения норм напряжений Uп. Они приводят к нарушению работы устройств СЦБ и вызывают ухудшение основных показателей участков железных дорог. В некоторых случаях отклонения напряжения Uп от заданных норм могут, кроме того, вызывать нарушение условий безопасности движения поездов, что приводит к существенно более тяжелым последствиям. Очевидно, что эти выводы можно распространить и на остальные железные дороги Российской Федерации и страны СНГ, так как рассмотренная железная дорога является во многих отношениях типичной не только для ОАО «РЖД», но и для сети дорог бывшего СССР.

На рис. 1.4 приведены погодовые данные числа повреждений устройств электроснабжения сигнальных точек постов ЭЦ и устройств безопасности одной из железных дорог. Они определяют большое влияние работоспособности систем электроснабжения на надежность работы устройств СЦБ.

.

Рис. 1.4. Количество отказов устройств автоблокировки с 2011 по 2023 гг.

За грозовой период с апреля по декабрь 2023 г. произошло 14 отказов устройств автоблокировки (рис. 1.4), из них: 0 по вине ЭЧ (КАСАНТ), за энергоснабжающей организацией – 1 отказ, за прочими – 8 отказов (в 2022 – 1), технологические нарушения – 7 отказов.

15

Отказы допущены по следующим причинам (в 2023 г.):

−излом кронштейна – 1 отказ;

−падение деревьев, наброс веток – 8 отказов;

−внешнее электроснабжение – 3 отказа;

−повреждение изолятора – 1 отказ;

−схлестывание – 1 отказ.

Втечение грозового периода наибольшую долю в последствиях повреждений занимает отсутствие кодирования и ложная занятость (рис. 1.5 и 1.6).

Рис. 1.5. Доля последствий отказов устройств электроснабжения автоблокировки

16

В связи с широким внедрением электронной аппаратуры и вычислительной техники в устройства СЦБ и при использовании современных импульсных методов преобразования электрической энергии в ИВЭП появляется определенная специфика их взаимодействия с системами электроснабжения.

К одной из них относится существенная несинусоидальность тока, потребляемого устройствами СЦБ в сети напряжения Uп = 220 В. Это обусловлено тем, что в структурной схеме современных импульсных ИВЭП первым (входным) структурным звеном ИВЭП является мостовой выпрямитель с емкостным сглаживающим фильтром, обладающий определенными недостатками.

На рис. 1.7 показан пример осциллограмм напряжения uп и тока iп, потребляемого стандартным персональным компьютером от сети напряжения переменного тока Uп = 220 В. Осциллограммы показывают, что при среднем токе, потребляемом компьютером, Iп = 0, 06 А амплитуда импульса потребляемого тока достигает величиныIп max= 0, 36 А, т. е. они увеличиваются в 6 раз. Это обстоятельство требует уточнения габаритной мощности линейного трансформатора системы электроснабжения питающего тот или иной объект СЦБ, состоящий из электронной аппаратуры. Это же определяет изменение

17

соотношения между активной и реактивной составляющими полной потребляемой аппаратурой мощности. Практически у современных ИВЭПимеет место величина cos φ = 0,5−0,6, что обусловливает увеличение реактивной мощности, потребляемой устройствами СЦБ от ВЛ СЦБ.

Рис. 1.7. Осциллограммы переменного напряжения uп и тока Iп, потребляемого электронной аппаратурой

Другая специфическая особенность заключается в том, что аппаратура вычислительной техники критична к длительности кратковременных отключений напряжения Uп = 220 В. Обычно кратковременные отключения аппаратуры происходят при переключении фидеров с основного питания на резервное. На рис. 1.8 и 1.9 приведены осциллограммы напряжения питания устройств СЦБ при переключении фидеров. Осциллограммы показывают, что интервал времени отсутствия напряжения, длительность которого определяется временем переключения контакторов, не превышает ∆tпер = 40 мс. Очевидно, что для устранения отказов компьютерных систем СЦБ постоянные времени сглаживающих фильтров ИВЭП аппаратуры вычислительной техники должны быть выбраны такими, чтобы напряжения на нагрузках за интервал времени ∆tпер не выходили за пределы нижнего допуска напряжений питания логических ИМС.

18

Так как современные ИВЭП содержат высокочастотные импульсные преобразователи постоянного напряжения с частотой преобразования электрической энергии fпр = 50−150 кГц, параметры сглаживающих фильтров должны выбираться исходя из существования указанного интервала времени.

uп, В

Рис. 1.8. Осциллограммы напряжения Uп = 220 В при переключении с основного фидера на резервный

uп, В

t, с

t, с

Рис. 1.9. Осциллограммы напряжения Uп = 220 В при переключении с резервного фидера на основной

19

Необходимость наличия определенных эксплуатационных запасов по функционированию аппаратуры требует, чтобы при расчетах параметров фильтров ИВЭП в учет брался интервал времени 2∆tпер. В случае невыполнения этого условия в аппаратуре вычислительной техники, в отличие от аналоговых устройств, возможны невосполнимая потеря информации или катастрофический отказ некоторых функциональных устройств.

1.2. Типовая схема системы электроснабжения устройств СЦБ

Типовая схема системы электроснабжения СЦБ приведена на рис. 1.10. В нормальном режиме работы на первой тяговой подстанции ТП1 включены выключатели Q1 и выключатель линии автоблокировки (СЦБ1) Q5. На второй тяговой подстанции ТП2 включены выключатели Q2 и выключатель продольного электроснабжения (ПЭС2) Q4. Выключатель линии автоблокировки (СЦБ2) Q6 отключен. Выключатель продольного электроснабжения (ПЭС1) Q3 отключен. Выключатель Q5 (СЦБ1) на тяговой подстанции ТП1 осуществляет основное одностороннее питание сигнальных точек СЦБ от шин 0,4 кВ и 10 кВ через трансформаторы TV1, TV3 и TV5.

К сигнальной точке СЦБ

Рис. 1.10. Типовая схема системы электроснабжения устройств СЦБ

20