Моделирование переходных процессов при КЗ в тяговой сети: графики, формулы, токи

Одной из причин повреждений контактных проводов и несущих тросов тяговых сетей электрифицированных железных дорог являются их пережоги электрической дугой в месте короткого замыкания. В результате воздействия дуги снижается термоустойчивость проводов, они оплавляются и обрываются. Исследования показывают, что, вследствие практической независимости падения напряжения на короткой дуге (0,1-2,5 см) от тока, термоустойчивость контактного провода при короткой дуге можно характеризовать интегральной величиной — числом ампер-секунд воздействия тока, проходящего через место дугового короткого замыкания, необходимых для пережога провода. Так, для пережога контактного провода МФ-100 достаточно 280–350 А•с.

Количество ампер-секунд воздействия тока короткого замыкания (к.з.) от тяговых подстанций (ТП) постоянного тока межподстанционной зоны на провода контактной сети ограничивается фидерными быстродействующими выключателями.

Обработка осциллограмм токов к.з., отключенных фидерными выключателями межподстанционной зоны на действующих участках электрифицированных железных дорог, а также компьютерное моделирование этих процессов показывают, что ампер-секунды суммарного воздействия указанных токов по величине ниже нормы пережога.

Однако при к.з. в контактной сети через место к.з. протекают и токи, кратковременно генерируемые электроподвижным составом (ЭПС), который до момента к.з. потреблял тяговый ток. В режим такой кратковременной генерации ЭПС переходит тогда, когда напряжение контактной сети в месте нахождения ЭПС при к.з. становится меньше, чем противо-э.д.с. двигателей.

При этом амперсекунды воздействия генерируемого ЭПС тока на провода контактной сети могут быть весьма значительными и иногда даже в разы превышать амперсекунды воздействия токов к.з. от ТП межподстанционой зоны.

Интересное видео о том, как построить переходной процесс в матлабе:

Современные методы моделирования позволяют достоверно установить степень влияния генерируемых ЭПС токов на вероятность пережога проводов при сопровождаемых дугой к.з., поскольку дают возможность установить суммарные ампер-секунды воздействия токов от ТП и ЭПС. Для моделирования переходных процессов в тяговой сети и на ЭПС постоянного тока при коротком замыкании в тяговой сети была использована комбинированная программа расчета переходных процессов, разработанная на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог» МГУПС. рис 1. Принятые исходные данные для проведенных расчетов следующие:

моделируется двухпутный участок межподстанционой зоны длиной L = 12 км с постом секционирования ПС в середине зоны, L_пс = 6 км (рис. 1);
контактная сеть участка выполнена по формуле: несущий трос М-120 + 2 контактных провода МФ-100;
рельсы на путях типа Р-65;
фидеры тяговых подстанций оборудованы выключателями ВАБ-43 (по два на фидер), фидеры поста секционирования — выключателями ВАБ-28 (по одному на фидер);
при расчетах принято, что статические уставки выключателей подстанций равны 4000 А, поста секционирования — 2000 А;
при моделировании работы выключателей учитывалось наличие индуктивного шунта на выключателях ВАБ-43 и реле индуктивного шунта РДШ у выключателей ВАБ-28;
внутреннее сопротивление тяговых подстанций принималось равным 0,1Ом, индуктивность первичной сети и реакторов сглаживающих устройств — 0,0065 Гн, напряжение холостого хода — 3700 В;
электровозы, обращающиеся на дороге, приняты типа ВЛ-10 с двигателями ТЛ-2К1 как наиболее часто используемые в настоящее время для грузового движения;
моделирование электровоза проводилось с учетом вихревых токов в массивных ферромагнитных частях двигателей.

При расчетах принималось, что все короткие замыкания происходят на нечетном пути вблизи тяговой подстанции A (ТП А, см. рис. 1). В результате моделирования определялись ампер-секунды суммарного воздействия токов от ТП и генераторных токов ЭПС на провода контактной сети в месте дугового к.з. как при отсутствии, так и при наличии на линии нагрузки в межподстанционной зоне (до четырех поездов – Э₁Э₄ , см. рис. 1).

В результате расчетов в графической форме выводились: – кривые изменения тока короткого замыкания по фидеру Ф1 тяговой подстанции и Ф5 поста секционирования, по которым протекают токи к месту к.з.; – токи электровозов до и после к.з.; – суммарный ток от ТП и ЭПС через место к. з.

Кроме того, по суммарному току от ТП и ЭПС через место к.з. определялась интегральная величина ампер-секунд воздействия суммарного тока на провода контактной сети в месте дугового к.з. Значения всех величин определяются при заданном режиме ведения электровозов. В результате моделирования определено: • при отсутствии тяговой нагрузки на фидерной зоне амплитуда суммарного тока в месте дугового к.з. I_кз составляет около 7 кА (рис. 2), а ампер-секунды воздействия суммарного тока на провода контактной сети равны 155;

• при одном электровозе Э₁ , находящемся вблизи ТП А, в точке а (см. рис. 1), идущем на полном поле при параллельном соединении двигателей, амплитудное значение суммарного тока в месте дугового к.з. I _к.з. составляет около 16,5 кА. При этом амплитудное значение генераторного тока электровоза I_э1 в месте к.з. равно 10 кА (рис. 3), а ампер-секунды воздействия суммарного тока на провода контактной сети равны 385;

• при двух электровозах Э₁ и Э₃ (см. рис. 1), находящихся в точках а и в (на расстоянии 7 км от ТП A), идущих на полном поле при параллельном соединении двигателей, амплитудное значение суммарного тока в месте дугового к.з. I _к.з. составляет около 16,5 кА, а ампер-секунды воздействия суммарного тока на провода контактной сети равны 365, кривые изменения токов электровозов Э₁ и Э₃ показаны на рис. 4;

• при трех электровозах Э₁, Э₂ и Э₃ (см. рис. 1), находящихся в точках а, б и в (на расстоянии 7 км от ТП A), идущих на полном поле при параллельном соединении двигателей, амплитудное значение суммарного тока в месте дугового к.з. I_к.з. составляет около 28 кА, а ампер-секунды воздействия суммарного тока на провода контактной сети равны 400, кривые изменения токов электровозов Э₁, Э₂ и Э₃ показаны на рис. 5;

• при четырех электровозах Э₁, Э_{2 ,}Э₃, Э₄ (см. рис. 1), находящихся в точках а, б, в (на расстоянии 7 км от ТП A) и г (на расстоянии 8 км от ТП A), идущих на полном поле при параллельном соединении двигателей, амплитудное значение суммарного тока в месте дугового к.з. I_к.з. составляет около 28 кА, а ампер-секунды воздействия суммарного тока на провода контактной сети равны 398, кривые изменения токов электровозов Э₁, Э_{2 ,}Э₃ и Э₄ показаны на рис. 6.

Видео с расчетом переходного процесса из курса ТОЭ:

Выводы

Из результатов моделирования следует, что при наличии на фидерной зоне электровозов, движущихся в режиме тяги, пережоги проводов при коротких замыканиях, сопровождающихся дугой, в тяговой сети более чем вероятны, так как количество ампер-секунд воздействия суммарного тока на провода контактной сети в месте короткого замыкания лежит выше нормы пережога, определенной С.Д. Соколовым (280–350 А•с для контактного провода МФ-100).

Из результатов моделирования также следует, что количество ампер-секунд воздействия суммарного тока на провода контактной сети практически не зависит от числа электровозов при условии, что на участке между тяговой подстанцией и постом секционирования с местом короткого замыкания находится один электровоз.

Наибольшее влияние на число ампер-секунд воздействия тока, проходящего через место короткого замыкания, сопровождающегося дугой, оказывает электровоз, находящийся вблизи подстанции. Чтобы снизить вероятность пережогов проводов контактной подвески, необходимо предотвратить протекание к месту короткого замыкания токов, генерируемых электроподвижным составом.

Автор: Ануров В.И., МГУПС, г. Москва