УДК 621.331.5

Анализ надежности работы существующего оборудования защиты СТЭ 3.3 кв

Болотина Евгения Дмитриевна – аспирант кафедры Электроэнергетики транспорта Российского университета транспорта.

Болотина Александра Борисовна – кандидат технических наук, доцент Российского университета транспорта.

Аннотация: В статье рассматривается существующее оборудование защит системы тягового электроснабжения постоянного тока. Производится анализ достоинств и недостатков как классических электромеханических защит, выполненных на релейно-контактных элементах, так и современных цифровых микропроцессорных защит. Приводится анализ неправильных срабатываний, и даются рекомендации по дальнейшему улучшению оборудования защит.

Ключевые слова: постоянный ток, оборудования защит, микропроцессорные защиты, электромеханические защиты, надёжность.

В настоящее время развитие железных дорог происходит большими темпами. Увеличивается масса составов, число пар поездов, электрифицируются новые участки, и происходит техническое перевооружение уже имеющихся. Рост объема перевозок существенно увеличивает требования к надёжности систем тягового электроснабжения (СТЭ) и обеспечению бесперебойности перевозок.

Основной проблемой в сети тягового электроснабжения являются короткие замыкания (КЗ). Их возникновение может не только привести к остановке движения вследствие аварийного отключения питания контактной сети, но и вывести из строя оборудование, что неизбежно приведёт к значительным финансовым потерям. Особенно остро эта проблема стоит на дорогах постоянного тока.

В тяговой сети различают два режима работы: нормальный и аварийный[1]. К штатным режимам работы можно отнести пуск электроподвижного состава (ЭПС), его проход под изолирующим сопряжением или кратковременный отрыв пантографа от контактной сети. Во всех этих случаях, токи могут достигать значений, сопоставимых с токами короткого замыкания.

Короткие замыкания соответственно относят к аварийным режимам работы. Они могут быть вызваны разными причинами: неисправностью ЭПС, неправильной эксплуатацией оборудования и т.д. Значения токов КЗ могут быть как большими, так и малыми, однако и те и другие представляют опасность. Большие значения токов КЗ могут вызвать большие электродинамические усилия на оборудования тяговых подстанций, а малые при их длительном протекании - пережог проводов в месте КЗ.

В тяговой сети за надёжность отвечает коммутационная и защитная аппаратура, образующая систему противоаварийной автоматики. В неё входят устройства автоматического повторного включения (АПВ), автоматического включения резерва (АВР) и релейная защита. Именно последняя является основным органом защиты. Исходя из сказанного выше, основным требованием к ней является быстродействие и селективность.

Релейная защита выполняется на релейно-контактных элементах, и может реагировать на разные параметры контактной сети. Если говорить о дорогах постоянного тока, то основной защитой, выполненной на этих элементах, будет максимальная токовая защита (МТЗ). Состоит она из нескольких ступеней с разной выдержкой времени, которая выбрана так, что ток, в случае возникновения аварийной ситуации просто не успеет достигнуть критических значений. Само время срабатывания с отдалением от источника тока, уменьшается, что позволяет обеспечить селективность работы и снизить риск возникновения ложных срабатываний.

Конструктивно такая защита состоит из релейно-контактного элемента и быстродействующего выключателя (БВ). Основным критерием к их выбору является время отключения коротких замыканий. Если ранее применялись АБ-2/4 и ВАБ-28, с полным временем отключения 0,08 с, то со временем перешли на ВАБ-43, ВАБ-49 и ВАБ-206, полное время отключения у которых может составлять до 0,025 с.

Несмотря на все достоинства МТЗ, разные выдержи по времени, всё равно исключить ложные срабатывания не удалось. Чаще всего оно происходит при проходе поезда через изолирующее сопряжение или вовремя пуска ЭПС. Чтобы снизить риск ложного срабатывания, в дополнение к основной, максимальной токовой защите добавляются резервные, контролирующие уже другие параметры тяговой сети.

К дополнительным защитам постоянного тока можно отнести:

• направленную защиту по приращению тока;
• защиту по сопротивлению / дистанционная защита;
• защиту по минимальному напряжению.

Направленная защита по приращению тока реагирует на скорость изменения тока в сети, однако при кратковременном отрыве токоприёмника или же проходе ЭПС через изолирующее сопряжение может наблюдаться резкое возрастание тока, что, в свою очередь приводит к ложным срабатываниям.

Защита по сопротивлению / дистанционная защита работает по принципу измерения условного сопротивления тяговой сети. При возникновении короткого замыкания, когда ток увеличивается, а напряжения падает, меняется и сопротивление, на что и реагирует реле. Недостатком данной защиты является наличие мёртвых зон, что ведёт к пропуску тех КЗ, что происходят вблизи тяговых подстанций.

Защита по минимальному напряжению сопоставляет напряжения в рабочем режиме и при коротком замыкании. Как только напряжение в определённой точке станет ниже установленного, то сработает реле. И хотя в данном типе защит уставка подбирается так, чтобы исключить ложные срабатывания, наличие «мёртвых» зон существенно увеличивают риск пропуска короткого замыкания, и требуют тщательного выбора места установки реле[4]. Более того, некоторые подвиды данной защиты требуют обязательного наличия линии связи, от состояния которой будет зависеть качество и скорость срабатывания защиты.

Описанные выше типы защит относят к электромеханическим типам защит. Они, несмотря на простоту конструкции, как уже было сказано, обладают рядом существенных недостатков, таких как ложные срабатывания и наличие «мертвых» зон. Возникает вопрос, как повысить надёжность устройств защиты.

Одним из возможных вариантов является создание защит, что будут реагировать сразу на несколько признаков, то есть многопараметрических защит. К подобным защитам можно отнести цифровую микропроцессорную защиту ЦЗФА-3,3. Она включает в себя целый ряд защит, таких как:

• двунаправленная максимальная токовая защита;
• направленная защита по приращению тока;
• защита по сопротивлению;
• защита по минимальному напряжению.

Более того, ЦЗФА-3,3 способна осуществлять управление выключателями и разъединителями фидеров, что безусловно является её достоинством. К ним также можно отнести многофункциональность, дистанционное управление, наличие целого набора уставок и выбора одной их них как расчётной. Более того, ЦЗФА-3,3 имеет связь с автоматизированной системой управления, способна накапливать данные и проводить самодиагностику, что в совокупности помогает полностью оценить состояние контактной сети.

Сравнение числа неправильных срабатываний у микропроцессорных и у электромеханических защит представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Неправильные срабатывания устройств защит.

Если подробнее рассматривать причины неправильных срабатываний, то можно увидеть, что больше примерно половина всех неправильных срабатываний, как у электромеханических, так и у микропроцессорных защит приходится на ложные срабатывания (рисунки 2,3).

Рисунок 2. Причины неправильных срабатываний у электромеханических защит.

Рисунок 3. Причины неправильных срабатываний у микропроцессорных защит.

Если причина ложных срабатываний у электромеханических защит кроется в выборе уставки, то у микропроцессорных защит ложное срабатывание может быть вызвано наличием помех [2], а также устареванием программного обеспечения (ПО). Поскольку темпы роста железной дороги достаточно велики, замену программного обеспечения необходимо проводить раз в пять лет, что достаточно затратно.

Для того, чтобы снизить расходы на обновление ПО, при этом сохранив должный уровень надёжности цифровых микропроцессорных защит, возможно внедрение гибких самообучающихся систем на базе искусственного интеллекта.

Список литературы

1. Гречищников В. А. Измерительно-аналитическая программно-аппаратная система защиты и диагностики основного оборудования тяговых подстанций постоянного тока/ кандидат наук 05.09.03: Москва, 2013 – 442 с.
2. Кураш И.М. Преимущества и недостатки использования микропроцессорных защит // Вестник магистратуры. 2020. № 3-3 (102) с. 52 -54
3. Салтовский Н. А., Сундуков А. С. Анализ статистики отказов микропроцессорных и электромеханических устройств релейной защиты // Science time 2017 № 5(41) с.250-254
4. Тер-Оганов Э. В., Пышкин А. А. Электроснабжение железных дорог - Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2014. - 431 с.