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

Через выключатель Q4 (ПЭС2) на тяговой подстанции ТП2 осуществляется резервное одностороннее питание (первая ступень резервирования) сигнальных точек СЦБ от шин 10 кВ через трансформатор TV2. В случае отсутствия основного питания сигнальных точек СЦБ от линии автоблокировки осуществляется автоматический перевод питания от линии ПЭС через трансформатор TV8 непосредственно на каждой сигнальной точке.

При исчезновении питания сигнальных точек по линии ВЛ СЦБ от первой тяговой подстанции ТП1 в работу вступает вторая ступень резервирования. Она предполагает перевод питания линии ВЛ СЦБ от второй тяговой подстанции ТП2 через выключатель Q6. При этом тяговая подстанция ТП2 принимается в качестве второго источника питания, условно не зависящего от режима работы первой тяговой подстанции ТП1.

Таким образом, последовательность срабатывания элементов устройств РЗА ВЛ СЦБ при повреждениях в сетях внешнего электроснабжения заключается в следующем:

−срабатывает защита минимального напряжения (ЗМН);

−отключается нормально включенный МВ ВЛ СЦБ (Q5);

−по факту исчезновения или недопустимого снижения напряжения на ВЛ СЦБ от АВР включается нормально отключенный МВ ВЛ СЦБ (Q6);

−если АВР неуспешно, то по факту исчезновения или недопустимо-

го снижения напряжения отключившийся МВ (Q5) линии ВЛ СЦБ включается от АПВ ( при восстановлении питающего напряжения в ВЛ СЦБ к этому моменту).

В процессе функционирования рассматриваемой системы электроснабжения возникают различные нештатные ситуации, вызванные срабатыванием релейных защит и систем АПВ, АВР фидеров автоблокировки.Это обусловливает появление интервалов времени исчезновения напряжения в ВЛ СЦБ.

Учитывая, что полное время отсутствия напряжения на устройствах СЦБ не должно превышать 1,3 с, полный цикл автоматики фидеров, пита-

ющих ВЛ СЦБ, жестко привязан к этой величи не. Другими словами, при устойчивом повреждении (ненормальном режиме питания) на ВЛ СЦБ питание потребителя (сигнальная точка, пост ЭЦ) должно перейти на питание от резервной линии (вторая ступень) ВЛ ПЭС. В результате работы ре-

21

лейных защит РЗ и автоматики АВР и АПВ временно (на время работы РЗ и А фидеров Q5 и Q6) на потребителе будет неустойчивое напряжение.

Как показывает практический анализ, суммарное минимальное время исчезновения напряжения, вызванное срабатыванием выключателей Q5 и Q6, а также временем действия АПВ, составляет реально tmin = 1,3 с. Кроме того, это время − 1,3 с − гораздо больше, чем упомянутое время 2Δtпер = 2 ∙ 40 мс исчезновения напряжения Uп = 220 В, вызванное переключением аппаратуры с основного питания на резервное на посту ЭЦ. Поэтому временные параметры сглаживающих фильтров современных импульсных высокочастотных ИВЭП электронной аппаратуры СЦБ на посту ЭЦ должны быть ориентированы на интервал времени tmin.

В настоящем пособии рассмотрены следующие основные вопросы разработки и эксплуатации систем электроснабжения устройств СЦБ:

−анализ влияния параметров систем электроснабжения на функционирование устройств СЦБ, включающий в себя исследование влияния нестабильности напряжения питания на работу рельсовых цепей и аппаратуры преобразования информации;

−исследование основного показателя – отклонения напряжений электропитания устройств СЦБ, влияющего на режимы работы систем электроснабжения и аппаратуры;

−анализ систем электроснабжения с разработкой соответствующих эквивалентных схем и получением расчетных уравнений для определения параметров ВЛ СЦБ и входящих в систему устройств;

−разработка методов улучшения характеристик систем электроснабжения, включающая в себя разработку новых технических решений с повышенной надежностью работы и защитой от импульсных перенапряжений и лучшими характеристиками по стабильности напряжения питания устройств СЦБ.

22

РАЗДЕЛ 2 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СЦБ

2.1. Структурная схема сигнальной точки СЦБ

Устройства СЦБ являются структурно сложными системами, состоящими из ряда функциональных узлов, работоспособность которых определяется изменениями напряжения Uп в различной степени. Для анализа влияния напряжения Uп рассмотрим обобщенную структурную схему сигнальной точки СЦБ, которая приведена на рис. 2.1. Здесь обозначения соответствуют: ПК и РК – аппаратура питающего и релейного концов РЦ соответственно; Пр. инф. – аппаратура сигнальной точки, осуществляющая преобразование соответствующей информации, полученной от РК или других объектов, что необходимо для функционирования сигнальной точки СЦБ; Св. – светофор сигнальной точки; TV – линейный трансформатор, преобразующий переменное напряжение ВЛ СЦБ в напряжение Uп электропитания сигнальной точки, где Uп = 220 В, а напряжение ВЛ СЦБ равно 6 или 10 кВ. Направление движения поездов по рассматриваемому участку пути показано стрелкой.

Основными и наиболее значимыми потребителями напряжения Uп с точки зрения функционирования сигнальной точки являются: питающий конец рельсовой цепи, аппаратура преобразования информации (Пр. инф.) и светофор (Св.). Для определения влияния нестабильности напряжения Uп на функционирование сигнальных точек СЦБ необходимо отдельно рассмотреть наиболее критичные функциональные узлы сигнальных точек, для которых изменения напряжения Uп могут привести к наиболее значительным негативным последствиям.

Показанные на схеме рис. 2.1 функциональные узлы являются типовыми, они используются как в перегонных устройствах, так и в станционных. Поэтому сделанные далее выводы могут быть распространены прак-

23

тически на любые виды устройств СЦБ, использующихся на железнодорожном транспорте.

Uп

TV

ВЛ СЦБ

Рис. 2.1. Структурная схема сигнальной точки СЦБ

В соответствии с изложенным рассмотрим взаимосвязь параметров напряжения Uп и функционирования показанных на рис. 2.1 функциональных узлов сигнальной точки СЦБ.

2.2. Влияние отклонений напряжения питания на работу рельсовых цепей

Наиболее ответственным элементом, обеспечивающим безопасность движения поездов, являются рельсовые цепи (РЦ), которые выполняют функции контроля свободности и занятости участков пути на станциях и перегонах.

Рассмотрим влияние изменения напряжения Uп на работу рельсовых цепей и выполнение ими функций безопасности движения поездов. Схема рельсовой цепи приведена на рис. 2.2, где ПР – путевое реле, контролирующее свободность РЦ; Zрег – сопротивление, осуществляющее регулирование путевого тока Iпк на входе рельсовой нити для достижения требуемой

24

величины тока Iрк на выходе рельсовой нити; TVп – путевой трансформатор сигнальной точки.

Iрк Iпк

TVп

Uп

Рис. 2.2. Схема рельсовой цепи

Рельсовые цепи могут функционировать в трех режимах работы: нормальном, шунтовом и контрольном. Из них основными являются нормальный и шунтовой, так как в основном они обеспечивают установленную пропускную способность участков пути и наиболее полно реализуют на практике условия безопасности движения поездов. Для этих режимов работоспособность РЦ должна выполняться безусловно при любых практически имеющих место изменениях напряженияUп и для всех параметров РЦ.

Эквивалентная схема функционально законченной РЦ приведена на рис. 2.3. Схема состоит из питающего ПК и релейного РК концов и собственно рельсового четырехполюсника с волновыми параметрами γ и Zв.

Четырехполюсник в наиболее общем виде должен представляться как линия с распределенными параметрами. Вследствие относительно большой длины РЦ (от сотен метров до нескольких километров), соизмеримой с длиной волны электромагнитных колебаний частоты fст напряжения переменного сигнального тока. В этой линии возникают отражения от ПК и РК, что делает точный анализ функционирования РЦ весьма труд о- емким. Поэтому обычно линия с распределенными параметрами заменяется четырехполюсником с сосредоточенными параметрами A, B, C, D (рис. 2.3), численные значения которых определяются по результатам экспериментальных измерений различных видов РЦ и являются нормативными при осуществлении регулировки РЦ электромеханиками СЦБ по соответ-

25

ствующим таблицам. Критериями работоспособности РЦ являются включенное состояние путевого реле при свободности участка пути (нормальный режим работы РЦ) и выключенное его состояние при занятости участка пути подвижным составом (шунтовой режим работы РЦ).

Рис. 2.3. Эквивалентная схема рельсовой цепи

Рельсовый четырехполюсник, показанный на рис. 2.3, функционально состоит из нескольких элементов, которые определяют электрические параметры РЦ и надежность ее работы.

К первому из них относится рельсовая нить, в которую входят последовательно соединенные рельсы и рельсовые соединители. Ее полное сопротивление выражается уравнением вида, Ом/км:

где rа – активное сопротивление целой (без соединителей) рельсовой нити, Ом/км; ∑n0 rа.с – активное сопротивление соединителей на 1 км рельсовой

нити, Ом/км; n – число соединителей на 1 км рельсовой нити; k =10001000−nlс

– коэффициент, определяющий относительную длину целой рельсовой нити на один километр; Lс – расстояние между точками закрепления соединителя, м; Lе – внешняя индуктивность рельсовой нити, мкГн/км; Li –

внутренняя индуктивность целой рельсовой нити, мкГн/км; ∑n0 Lс – индук-

тивность соединителей одного километра рельсовой нити, мкГн/км;

26

ω = 2πfст – угловая частота сигнального тока, в зависимости от вида тяги частота fст может быть равна 25, 50 или 75 Гц.

Широкое распространение в последнее время получило использование тональных рельсовых цепей с частотой fст в несколько сотен герц.

Если участок дороги электрифицирован, то в состав рельсового четырехполюсника входят дроссель-трансформаторы с соответствующими тяговыми перемычками. При этом необходимо учитывать, что параметры дрос- сель-трансформаторов, определяющие качество передачи сигнального тока, зависят от величины тягового тока и его асимметрии по раздельным рельсовым нитям, что может привести к существенной нелинейности условий передачи сигнального тока на протяжении следования поезда или нескольких поездов по участку пути и последующему возможному отказу РЦ.

Наиболее значимым с точки зрения обеспечения работоспособности рельсовых цепей является электрическое сопротивление верхнего строения пути, в которое входят сопротивление балласта и шпал. С позиций существующей принятой терминологии эти две составляющие обобщенно называют «сопротивлением балласта» Zб, не разделяя их по отдельности. При анализе допускается, что это сопротивление является активным, т. е. Zб = Rб. Для сети железных дорог принята минимально допустимая норма сопротивления балласта: Rб min = 1 Ом/км, которую должен обеспечивать эксплуатационный штат дистанций пути. Очевидно, что в зависимости от атмосферных условий значение Rб может изменяться в сотни или более раз. Например, можно сравнить условия работы РЦ в зимнее время для промерзшего грунта, когда Rб может составлять сотни Ом, с летним периодом при появлении дождя или после него, когда сопротивление балласта Rб → Rб min, а иногда и менее из-за наличия влаги, засоленности и загрязненности элементов верхнего строения пути.

Как показывают приведенные данные, зависимость напряжения Uр на путевом реле от напряжения питания Uп и параметров рельсового четырехполюсника носит комплексную форму, имеет сложный многофакторный характер и определяется параметрами, достаточно точное прогнозирование которых чрезвычайно затруднительно, а иногда практически невозможно. Это определяет необходимость введения определенных, но достаточно корректных упрощений.

27

Для дальнейшего анализа примем, что зависимость между напряжениями Uп и Uр имеет следующий вид:

где WРЦ – обобщенная функция РЦ, в которую входит все многообразие параметров рельсового четырехполюсника и аппаратуры питающего и релейного концов РЦ, определяющих характеристики передачи энергии сигнального тока от источника Uп на путевое реле. Примем, что функция WРЦ является линейной для изменений токов и напряжений, существующих в элементах РЦ. Очевидно, что для двух режимов работы РЦ – нормального и шунтового – значение функции WРЦ имеет два значения: WРЦнорм и WРЦшунт ,

причем в соответствии с условиями работы рельсовой цепи: WРЦнорм > WРЦшунт .

Определение влияния величины напряжения Uп на функционирование РЦ в нормальном и шунтовом режимах ее работы

Эквивалентная схема РЦ для нормального режима работы приведена на рис. 2.4. Условием работоспособности РЦ в этом режиме служит выполнение неравенств

где Uр. пр и Iр. пр – соответственно напряжение и ток надежного притяжения якоря ПР.

Рис. 2.4. Эквивалентная схема РЦ для нормального режима работы

28

Как видно из сравнения зависимостей (2.2) и (2.3), любое увеличение напряжения Uп, в том числе и свыше заданных норм, всегда будет удовлетворять неравенству (2.3). Поэтому в нормальном режиме работы рельсовая цепь будет некритична к выходу за верхний предел напряжения Uп.

Снижение значения напряжения Uп и выход его за пределы допустимых норм обусловит уменьшение тока Iр и напряжения Uр, что может вызвать невыполнение неравенств (2.3). Можно установить определенные закономерности работы РЦ в нормальном режиме.

Наихудший случай влияния снижения напряжения Uп на функционирование РЦ имеет место при минимальном сопротивлении балласта Zб, когда то к Iб будет максимальным (рис. 2.4). Аналогичный вывод можно сделать и для случая, когда сопротивление (Z1н + Z2н) → max. Очевидно, что совместное воздействие этих факторов в существенно большей степени будет определять негативные последствия уменьшения напряжения Uп.

Таким образом, уменьшение напряжения Uп и выход его величины за пределы допустимой нижней нормы могут вызвать ложную занятость РЦ с соответствующими возможными задержками поездов. Практически это означает, что бóльшая вероятность появления ложной занятости РЦ по этой причине будет иметь место в теплое время года при появлении осадков, а также на участках с интенсивной перевозкой химически активных грузов, упаковка которых неудовлетворительна. К этим же последствиям приведет отсутствие большого количества рельсовых соединителей и наличие асимметрии тягового тока, когда уменьшается индуктивность намагничивания дроссель-трансформаторов.

Определение влияния величины напряжения Uп на функционирование РЦ в шунтовом режиме работы

Эквивалентная схема РЦ для этого режима работы имеет вид, показанный на рис. 2.5, где наличие подвижного состава на РЦ показано сопротивлением Rш. Для сети железных дорог нормативное сопротивление шунта принимается следующее: Rш = 0,06 Ом, т. е. при всех величинах сопротивления Rш ≤ 0,06 Ом должно обеспечиваться выключенное состояние ПР.

Работа РЦ в этом режиме характеризуется необходимостью гарантированного выключенного состояния ПР для обеспечения контроля нахож-

29

дения подвижного состава. Это обусловливает необходимость выполнения неравенства:

где Uр. отп и Iр. отп – соответственно напряжение и ток надежного отпускания якоря ПР.

Рис. 2.5. Эквивалентная схема РЦ для шунтового режима работы

При общей длине РЦ, равной l, могут быть различные случаи расположения шунта Rш, что показано на рис. 2.5 участками длиной l и (l – x). При этом принимается, что Rб = ∞, так как в этом случае обеспечиваются наихудшие условия шунтирования РЦ.

Степень выполнения неравенства (2.4), т. е. надежность контроля нахождения подвижного состава, нелинейно зависит от расположения шунта Rш по длине l. Наихудшие условия обеспечения выключенного состояния ПР имеют место при x = l и при x = 0, т. е. при расположении шунта Rш либо на питающем, либо на релейном концах РЦ.

Как видно из схемы рис. 2.5, увеличение напряжения Uп приводит к увеличению напряжения Uр на путевом реле, что может обусловить невыполнение неравенства (2.4) и вызвать появление ложной свободности рельсовой цепи.

Таким образом, увеличение напряжения Uп свыше допустимых норм может нарушить условия безопасности движения поездов. Очевидно так-

30