Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 33 кВ     На различных тяговых подстанциях постоянного тока длительное время эксплуатируются блоки микропроцессорных  защит  фидеров  контактной  сети  постоянного тока типа БЗ-М1, разработанные кафедрой «Энергоснабжение  электрических  железных  дорог» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ). В ходе работы над аппаратной и программной  частями  БЗ-М1,  в  процессе  эксплуатации опытной партии блоков был накоплен большой опыт по вопросам создания микропроцессорных защит.

На самом первом этапе разработки блока микропроцессорных защит было необходимо решить следующие задачи:

• выбрать  наиболее  целесообразный  способ  измерения тока и напряжения фидера; 

• определить  минимальный  набор  необходимых защит блока и разработать алгоритмы их реализации;

• предложить  набор  полезных  и  эффективных сервисных и дополнительных функций блока;

• решить  проблему  электромагнитной  совместимости блока с силовыми цепями обслуживаемого фидерного выключателя;

• разработать аппаратную часть блока, включающую узлы управления и индикации состоянии блока, а также выходные узлы управления выключателями обслуживаемого фидера;

• разработать  программное  обеспечение  блока, непременно включающее самотестирование исправного состояния всех частей и узлов блока.  

Выбор  целесообразного  способа  измерения  тока и напряжения фидера во многом определял структурную схему БЗ-М1.

     Упор был сделан на использование измерительных токовых шунтов (ТШ) и высоковольтных омических делителей напряжения (ОДН) из-за их крайней простоты и дешевизны. При этом принималось во внимание, что если  устройство  защиты  сможет работать с измерительными шунтами и высоковольтными делителями напряжения,  то  использование  других  известных  датчиков тока (ДТ) и напряжения (ДН) (LEM, НИИЭФА-ЭНЕРГО, УрГАПС) будет заведомо возможным. Принималось во внимание и то, что высокоточные ДТ LEM компенсационного  типа  в  настоящее  время очень громоздки и дороги, а относительно недорогие ДТ НИИЭФА-ЭНЕРГО и УрГАПС с датчиками Холла и прямым усилением выходного сигнала в существующем исполнении имеют невысокую точность и плохие динамические характеристики (при сигнале i на входе датчика сигнал на выходе имеет вид к1•i + к2•di/dt , где к1 и к2 константы), что для цифровых защит, реагирующих на быстрые переходные процессы в тяговой сети, недопустимо. 

     Таким образом, возможность использования наиболее доступных и дешевых ТШ и ОДН и определила общую функциональную схему первого образца блока  микропроцессорной  защиты,  приведенную  на рис. 1, где: ВВУ — высоковольтный узел защиты, непосредственно подключенный к ТШ и ОДН, то есть находящийся под высоким напряжением тяговой сети и размещаемый внутри ячейки фидера 3,3 кВ постоянного тока НВУ — низковольтный узел защиты, находящийся под напряжением цепей питания 110 (220) В постоянного  или  переменного  тока,  размещаемый  снаружи ячейки фидера 3,3 кВ и реализующий команду на отключение его быстродействующего выключателя (БВ) БР — блок развязки (узел защиты, гальванически отделяющий ВВУ от НВУ, обеспечивающий двусторонний обмен информацией между ВВУ и НВУ и передачу  энергии  от  НВУ к  ВВУ для  питания  последнего, также размещаемый внутри ячейки фидера).

Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 1

     Конкретное исполнение всех узлов и блоков функциональной схемы, прежде всего, зависело от принятого разделения функций между ВВУ и НВУ.

     Анализ  возможных  исполнений  многочисленных вариантов  разделения  функций  между  ВВУ  и  НВУ, проведенный в начале работ над блоком защит (в середине  90-х  годов  ХХ  века),  позволил  остановиться на  том  варианте,  в  котором  ВВУ  не  только снимает сигналы с ТШ и ОДН, но он же и обрабатывает их в соответствии  с  алгоритмами  защит,  принимает  решения  об  отключении  выключателя  фидера  и  через  БР передает их вниз, в НВУ, посредством которого они и реализуются.

     Одновременно была решена задача передачи информации.  Предпочтение  было  отдано цифровой форме  передачи  информации,  что,  естественно,  потребовало  выполнения  аналогово-цифрового  преобразования сигналов в ВВУ.

     В  пользу  этого  варианта  распределения  функций между ВВУ и НВУ говорило также следующее обстоятельство.  Для  полноценной  передачи  в  цифровой форме от ВВУ к НВУ сигналов, снимаемых с ДТ и ОДН, необходимо  было  правильного  выбрать  шаг  дискретизации передаваемых сигналов с тем, чтобы не потерять информацию о характерных изменениях по времени (прежде всего формы тока). Для решения этой задачи  было  проведено специальное  исследование энергетического спектра импульсов тягового тока фидера контактной сети 3,3 кВ, приводящих к срабатыванию быстродействующего  выключателя  фидера. В результате  исследования  было  найдено  [1],  что  для правильной передачи тока фидера в цифровой форме шаг дискретизации должен составлять не более 1 мс.

     При  использовании  самого  простого  и  надежного способа передачи сигналов в цифровой форме по однопроводному  оптическому  каналу,  одновременно осуществляющему гальваническую развязку, для четкого разграничения разрядов информации между собой  можно  воспользоваться  только  асинхронной  передачей, при которой для передачи одного байта информации требуется передать 10 бит. Следовательно, для передачи информации о токе и напряжении фидера  (по  2  байта  на  ток  и  напряжение  при  10-битной оцифровке)  необходимо  передавать  40000  бит  в  секунду. Когда работа над блоком защит только начиналась,  обеспечить  такую  большую  скорость  передачи сигналов по однопроводному оптическому каналу было практически невозможно из-за отсутствия на российском рынке необходимых комплектующих. Поэтому и посчитали целесообразным обмен информацией между ВВУ и НВУ производить по 4 параллельным каналам оптической связи при следующем распределении функций между ВВУ, НВУ и БР (рис. 2).

     Высоковольтный узел (ВВУ):

• нормализация  аналогового  сигнала,  могущего поступать от датчиков тока и напряжения разных типов (ТШ, ДТ, ОДН, ДН и др);

• аналого-цифровое  преобразование  сигналов тока и напряжения;

• цифровая обработка информации с отработкой алгоритмов всех защит блока (кроме псевдотепловой защиты);

Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 2

• формирование  и  хранение  осциллограмм  процессов отключения тока фидера быстродействующим выключателем (БВ);

• связь с НВУ по последовательному интерфейсу (передача служебной информации, прием уставок защит, передача сигнала о срабатывании защит, прием сигнала блокировки срабатывания защит).

     Низковольтный узел (НВУ):

• управление работой всего блока (ввод уставок, задание режимов работы);

• индикация о режиме работы блока, о типе сработавшей  защиты,  заданных  уставках  всех  защит блока и т.д.;

• организация обмена информацией с ПК;

• организация обмена информацией по каналам ТУ;

• реализация псевдотепловой защиты;

• управление  исполнительными  устройствами (ИУ1, ИУ2) для отключения быстродействующего выключателя фидера;

• получение стабилизированных напряжений для работы  блока  от  первичного  источника  постоянного или переменного напряжения 110 (220) В.

     Блок развязки (БР):

• передача энергии от НВУ к ВВУ при одновременном  осуществлении  гальванической  развязки  цепей НВУ от ВВУ;

• организация канала обмена информацией между  ВВУ  и  НВУ  при  одновременном  осуществлении гальванической развязки цепей ВВУ от НВУ.

     Указанное  разделение  функций  между ВВУ, НВУ и БР определил набор электронных компонентов для их реализации.  В  ВВУ  и  НВУ  было  размещено  по  8-разрядному  микроконтроллеру  (МК,  см.  рис.  2) PCF80CE558 фирмы PHILIPS, который на момент выбора  элементной  базы  по  своей  стоимости,  набору  команд,  сопутствующему  программному  обеспечению, интегрированной на кристалл периферии и наличию в свободной продаже был оптимален.  Принципиальной и важной особенностью ВВУ БЗ-М1 является наличие второго измерительного канала по напряжению, подключаемого ко второму омическому делителю напряжения Д2 (см. рис. 2), что позволяет измерять напряжение на контактах выключателя. Эта функция блока  вдвойне  полезна,  так  как,  во-первых,  дает  возможность определять неиспользованный ресурс работы выключателя (по износу контактов и дугогасительной камеры),  используя  параметр  отключенной  выключателем мощности, а не суммарное значение максимумов отключенных токов, как это обычно ошибочно предлагается по аналогии с фидерными выключателями переменного тока 27,5 кВ. Последнее некорректно потому, что отключение тока равной величины при коротком замыкании происходит  при  существенно  большем  значении  напряжения на контактах выключателя и за гораздо большее время,  чем  тока  тяговой  нагрузки. Во-вторых, измерение напряжения на контактах выключателя позволит достоверно отслеживать  истинность  размыкания  контактов  выключателя  и исчезновение дуги, что абсолютно необходимо для грамотного  осуществления  блоком  БЗ-М1  функции  УРОВ (устройства резервирования отключения выключателя).

     Относительно  простым  в  исполнении  является блок  развязки.  Он  состоит  из  четырех  параллельных оптических каналов длиной 15-20 см каждый и развязывающего  трансформатора  для  обеспечения  питания ВВУ с разнесенными первичной и вторичной обмотками (см. рис. 2), причем вторичные обмотки выполнены в виде единого гибкого проводника с изоляцией,  рассчитанной  на  воздействие  испытательного напряжение 15 кВ переменного тока в течение 1 мин. Также  относительно  простым  в  аппаратной  реализации является НВУ. Ввод в НВУ от датчика температуры наружного воздуха необходим для более точной работы  псевдотепловой  защиты,  программный  код  которой размещен в НВУ, где есть для этого все возможности, поскольку этот алгоритм существенно медленнее алгоритмов  всех  остальных  защит  блока  (по  экспертным оценкам шаг дискретизации по току для него может составлять до 1 с).

     Ввод в НВУ от ИКЗ (искателя коротких замыканий — узла автоматики фидера, устанавливающего отсутствие  или  наличие  на  отключенном  участке  контактной сети короткого замыкания) необходим для организации  нормальной  работы  алгоритма  автоматики повторного включения (АПВ).

     Вход «БЛС от  ∆I» (см. рис. 2) необходим для реализации  функции  блокировки  срабатывания  защиты от  приращения  тока  блока  БЗ-М1,  обслуживающего фидер, принимающий ток нагрузки смежного фидера при  прохождении  подвижным  составом  под  током изолирующего  промежутка.  В  связи  с  тем,  что  НВУ функционально  перегружен  и  для  обеспечения  блокировки  не  может  непосредственно  использовать цифровое значение тока смежного фидера, так как на его  математическую  обработку  потребуется  значительное  время,  сигнал  блокировки  поступает  в  двоичной  форме  «есть  блокировка    нет  блокировки», сформированный  аналогичным  комплектом  защиты БЗ-М1, специально для этой цели устанавливаемый на  фидере  отсоса.  При  этом  используется  следующий  простой  алгоритм.  В  нормальном  не  сработавшем состоянии блок БЗ-М1 на отсосе постоянно передает на блок БЗ-М1 фидера сигнал «есть блокировка», запрещающий ему, даже если он сработал, формирование  команды  на  отключение  выключателя.  В случае  же  короткого  замыкания  на  участке  контактной  сети,  питаемом  фидером,  срабатывают  блоки БЗ-М1 на фидере и на отсосе. С блока БЗ-М1 отсоса тотчас же начинает поступать сигнал «нет блокировки», разрешающий блоку фидера формирование команды на отключение выключателя.

     В  качестве  дисплея  в  блоке  использованы  светодиодные, а не жидкокристаллические индикаторы. Такое  решение  объясняется  возможным  использованием блоков БЗ-М1 на неотапливаемых постах секционирования,  поскольку  светодиодные  индикаторы могут работать и при отрицательных температурах. Набор необходимых защит блока и разработка алгоритмов их реализации определяют эффективность и преимущества  микропроцессорных  цифровых  защит.

    Естественным первоначальным желанием явилось оснащение блока БЗ-М1 защитами, эквивалентными реализованным в быстродействующих выключателях (БВ) или аналогичными им, реализованным в реле защиты типа РДШ, конечно, с возможными корректировками в сторону их улучшения. Как известно [3], в быстродействующих выключателях и в реле РДШ реализуется так называемая  максимально-импульсная  защита,  срабатывание которой определяется величиной приращения тока  ∆I, постоянной времени приращения тока τ (приближенно считают, что приращения тока происходят по экспоненциальному закону) и величиной тока в цепи I.

    Характеристики срабатывания РДШ не селективны, так как обеспечивают обостренную реакцию реле на приращения  тока  при  пусках  подвижного  состава  вблизи тяговой подстанции ( τ ≤ 0,01 с) и загрубленную на приращения  тока  при  далеких  коротких  замыканиях ( τ ≥ 0,07 с). В целом, это приводит к большому числу ложных  отключений  выключателя  из-за  бросков  тока подвижного состава при пусках.

     В  отличие  от  максимально-импульсных  защит РДШ и БВ максимальная токовая защита и защита по приращению тока в блоке БЗ-М1 реализована в виде двух независимых защит — максимальной и по приращению  тока.  Их  уставки  регулируются  раздельно  и, кроме того, защита по приращению тока имеет целый ряд отличительных достоинств. 

    Максимальная  токовая  защита  выполнена  направленной, действующей при положительном направлении тока от шины «+ 3,3 кВ» в линию, без выдержки времени, с регулируемой уставкой, одинаково реагирующей как на величину I, так и на приращение тока  ∆I, а защита по приращению тока с уставкой  ∆IУ — автоматически адаптирующейся к току нагрузки I, предшествующего приращению, однако степень адаптации (наклона характеристики срабатывания к оси тока) выполнена регулируемой в широких пределах. Согласно алгоритму приращение тока определяется разницей мгновенных значений тока, замеряемого в текущий момент времени и замеренного Т секунд тому назад. По этой причине уставка  ∆IУ блока БЗ-М1 будет одинаковой для всех постоянных времени  τ , утроенное значение которой меньше Т.

     Величина Т регулируется при настройке БЗ-М1 и, например, при выбранном Т = 200 мс будет одинаковой для приращений тока с постоянными времени 0 ≤  τ ≤ 70 мс, то  есть  одинаковой  для  приращений  тока  при  пуске электроподвижного состава и при далеких коротких замыканиях. Существенное отличие защиты по приращению тока в блоке БЗ-М1 заключается еще и в том, что она выполнена с регулируемой выдержкой времени, что позволяет  отстроиться  от  ложных  отключений  при  коротких замыканиях за постом секционирования. В максимально-импульсных  защитах  выключателей  и  реле РДШ мгновенного действия это недостижимо.

   По  указанным  выше  причинам  комбинированная максимально-импульсная защита блока БЗ-М1 может быть  выполнена  с  характеристикой  срабатывания, близкой к оптимальной [4]. 

    Скорость  функционирования  микропроцессорных систем  позволяет  дополнительно  к  рассмотренным выше реализовать множество других защит и, таким образом, создать мощную многопараметрическую защиту. Так, для исключения подпитки коротких замыканий на поврежденном соседнем пути через шины тяговой подстанции в случае, если отказал быстродействующий выключатель фидера поврежденного пути, а  также  для  локализации  короткого  замыкания  в  РУ 3,3 кВ тяговой подстанции, в состав защит блока была введена максимальная направленная токовая защита, действующая  при  отрицательном  направлении  тока от линии к шине «+ 3,3 кВ» с фиксированной выдержкой времени 100 мс, большей, чем необходимая для селективного  отключения  выключателя  фидера  поврежденного пути. Для увеличения чувствительности блока  БЗ-М1  к  далеким  коротким  замыканиям  в  состав его защит была введена защита, реагирующая на минимальное  сопротивление  или,  как  ее  называют иначе,  дистанционная  зашита  с  фиксированной  выдержкой времени 100 мс. 

    Для  направленных  максимальных  токовых  защит обоих направлений и для дистанционной защиты предусмотрена  возможность  введения  трех  наборов  уставок.  Это  дает  возможность  быстрой  оперативной замены  действующего  набора  уставок  на  любой  из двух резервных при изменении длины или конфигурации защищаемой зоны в вынужденных режимах.

     Для локализации короткого замыкания в РУ 3,3 кВ была  введена  защита  минимального  напряжения  с фиксированной выдержкой времени 100 мс, а с целью обеспечения  максимально  быстрого  отключения  выключателя при близких коротких замыканиях — защита, реагирующая на скорость нарастания тока.

     Как известно, одной из давних проблем тяговой сети электрифицированного  транспорта  является  проблема защиты проводов контактной сети от пережогов вследствие длительного протекания большого рабочего тока или же малого тока короткого замыкания, величина которого меньше уставки максимальной токовой защиты и не приводит к срабатыванию дистанционной защиты. Обеспечение отключения выключателя фидера в таких случаях возлагается на так называемую тепловую защиту. Ввиду сложности  реализации  тепловой  защиты,  непосредственно определяющей температуру проводов контактной сети, в блоке БЗ-М1 была реализована псевдотепловая защита, которая определяет температуру проводов контактной  сети,  моделируя  процесс  их  нагревания  током фидера с учетом температуры наружного воздуха, определяемого специальным датчиком (см. рис. 2).

     Оснащение блока БЗ-М1 дополнительными и сервисными функциями, которыми не обладает существующая система защиты, должно помочь руководству энергоучастков  заинтересованно  пойти  на  дополнительные капитальные и трудовые затраты, связанные с освоением и дальнейшим использованием блоков.

     Эти  функции  должны  быть  принципиально  новыми, жизненно  необходимыми  в  эксплуатации,  выгоды  от которых неоспоримы и убедительны. Таковыми, на взгляд авторов, являются функции  блокировки отключения выключателя смежного фидера при проходе изолирующего промежутка подвижным  составом  под  током,  позволяющей  предотвратить пережоги проводов воздушного промежутка; 

• мгновенного  (быстродействующего)  автоматического повторного включения при появлении напряжения со стороны контактной сети, также позволяющего предотвратить пережог проводов изолирующего  промежутка  в  случае  заезда  подвижного состава под током на отключенный, но исправный участок контактной сети, находящийся, например, в режиме ожидания  завершения  нормального  цикла  первого  или второго АПВ;

• опробования  состояния  отключенного  участка контактной  сети  с  целью  запретить  его  автоматическое повторное включение, если при опробовании устанавливается,  что  на  отключенном  участке  есть  короткое замыкание (функция реализуется при наличии  соответствующей дополнительной аппаратуры, подающей в сеть рабочее напряжение через ограничивающее сопротивление); 

• статического осциллографа для записи и сохранения 16 последних осциллограмм процессов отключения  выключателя  (тока  через  выключатель  до  и  в процессе  отключения,  напряжения  в  тяговой  сети  и на  контактах  выключателя)  с  указанием  того,  когда произошло отключение, по команде какой защиты и каковы на момент отключения были действующие уставки защит блока; 

• индикатора  текущих  значений  тока  и  напряжения  фидера,  максимального  значения  тока  во  время последнего  срабатывания  защиты,  а  также  температуры окружающего воздуха;

• технического счетчика энергии, отпущенной по фидеру в тяговую сеть;

• канала  связи  с  переносным  компьютером (RS-232);

• канала связи с цепями телеуправления (RS-485);

• устройства  самотестирования  нормального функционирования всего блока БЗ-М1.

     Сами по себе перечисленные выше дополнительные сервисные функции крайне важны и отнесение их к категории дополнительных чисто условное. В связи с этим хотелось бы особо отметить полезность и важность сервисной функции статического осциллографа на следующем примере. Анализ более 250 осциллограмм процессов отключения выключателя на тяговых подстанциях Очаково и Ховрино Октябрьской ж.д. показал, что, вопреки расхожему  мнению  об  относительной  редкости  отключений выключателя по причине коротких замыканий в тяговой сети, таковых на самом деле оказалось более 35 %, причем практически все они произошли на подвижном составе, очевидно, в силу его крайней изношенности. Обеспечение  электромагнитной  совместимости блока с силовыми цепями обслуживаемого выключателя оказалось одной из самых трудных задач. Здесь завязались  в  один  узел  проблемы:  построения эффективных электромагнитных экранов, защищающих аналоговую и цифровую части схемы ВВУ от электромагнитного влияния силовых цепей ячейки фидерного быстродействующего выключателя (токов шин 3,3 кВ, катушек включения и отключения БВ, дуги в камерах БВ при отключении и т.д.); уменьшения влияния паразитных емкостей между корпусом  и  проводниками  электрической  схемы  ВВУ; исключения прохождения внутрь корпуса ВВУ помех через псевдоантенны — проводники от ТШ и ОДН; разработки надежной системы пересброса микропроцессора схемы ВВУ в случае его зависания; уменьшения стартового  времени  программы  при  пересбросе  с  одновременным  восстановлением  всех  рабочих  режимов,  исключения пульсации питающего напряжения и т.д.

     По результатам испытаний на высоковольтных испытательных стендах отдела быстродействующих выключателей  завода  «Уралэлектротяжмаш»  в  качестве обязательных стало требование размещения электрической схемы ВВУ в металлическом корпусе из вязкого железа и подача на корпус, при его размещении в ячейке, высокого потенциала «+ 3,3 кВ». Было найдено оптимальное взаимное расположение элементов схемы  и  дорожек  печатной  платы  внутри  корпуса  ВВУ.  К существующему интегрированному в микроконтроллер сторожевому  таймеру,  который  обеспечивает  пересброс  микроконтроллера  в  случае  его  зависания, был добавлен  внешний  сторожевой  таймер,  обеспечивающий внешний аппаратный пересброс микроконтроллера    (блок  «Менеджер  питания  +  внешний  сторожевой таймер», см. рис. 2). Все общие точки для различных групп  входных  сигналов  были  созданы  вне  корпуса, чтобы исключить протекание токов помех по проводникам, расположенным внутри корпуса, и тем самым исключить сбои в работе ВВУ по этой причине.

     Было установлено, что в подавляющем большинстве случаев зависание микроконтроллера ВВУ происходит в момент отключения БВ короткого замыкания, когда влияние  электромагнитных  помех  наиболее  интенсивно,  но когда блок БЗ-М1 свою основную функцию уже выполнил (подал сигнал на отключение выключателя). В этом случае задача двухступенчатой схемы защиты от зависания состоит  лишь  в  том,  чтобы  как  можно  быстрее  вернуть микроконтроллер в рабочее состояние. С этим схема успешно справляется в течение 5-10 мс и блок БЗ-М1 полностью возвращается к нормальной работе.

     Как показал дальнейший опыт эксплуатации блоков защит БЗ-М1, чтобы существенно уменьшить влияние электромагнитных  помех,  ВВУ  должно  размещаться как можно ближе к измерительному шунту, причем между точками подключения ВВУ к шунту и точкой присоединения корпуса ВВУ к точке высокого потенциала «+ 3,3 кВ» не должно быть БВ. Разработан и ряд других полезных рекомендаций по изготовлению и размещению  ВВУ,  которые  носят  всеобщий  характер,  так  как применимы для любого набора элементной базы ВВУ и  для  любого  типа  ячейки  фидерного  выключателя  с любым местоположением измерительного шунта.

     В  результате  испытаний  первых  образцов  блока БЗ-М1  на  заводе  «Уралэлектротяжмаш»  выяснилось также,  что  причиной  их  нестабильной  работы  могут быть  резкие  просадки  напряжения  на  шинах  собственных нужд 110 (220) В переменного или постоянного тока, от которых они питаются. Это обстоятельство добавило ряд требований к узлу питания БЗ-М1. 

     В заключение проиллюстрируем работу блока БЗ-М1 несколькими осциллограммами отключения выключателей по команде блока БЗ-М1 (рис. 3) в виде, в котором они  предстают  на  дисплее  ноутбука  или  в  распечатке. Каждая осциллограмма строится по 600 последовательно измеренным и записанным в память блока значениям тока и напряжения, причем каждое записанное значение представляет собой так называемое скользящее среднее, вычисленное по четырем  предшествующим измеренным значениям, отстоящим друг от друга на 1 мс, а каждое  последующее  значение  скользящего  среднего отстоит от предыдущего также на 1 мс — шаг дискретизации. На первых 450 мс каждой осциллограммы записан процесс, предшествующий моменту подачи блоком команды  на  отключение  выключателя,  а  на  последующих  150  мс    сам  процесс  отключения  выключателя (20-50 мс) и процесс после отключения БВ.   Таким образом,  момент,  отстоящий  от  начала  осциллограммы  на 450 мс, всегда соответствует срабатыванию какой-либо защиты  блока.  Это  хорошо  видно  на  осциллограммах рис. 3.  На  верхней  осциллограмме, иллюстрирующей отключение выключателя от перегрузки, сигнал был подан сразу же, как только значение тока превысило значение уставки максимальной защиты 3200 А (первый пичок на отметке времени 450 мс). Далее в течение 23 мс происходит процесс отключения выключателем тока.

Опыт разработки и эксплуатации блоков микропроцессорных защит фидеров постоянного тока 3

     Сверху  над  осциллограммой  содержатся  данные  о времени ее записи, о типе сработавшей защиты и имени файла, в котором хранится эта осциллограмма. Внизу, в прямоугольной области под осциллограммой, приведены значения уставок всех защит на момент записи осциллограммы, причем, уставки защит, находящихся в работе (включенных), отображаются зеленым цветом и сопровождаются словом «On» в правом нижнем углу соответствующей  области,  а  уставки  защит,  выведенных из работы, отображаются красным цветом и сопровождаются словом «Off». Для удобства сравнения осциллограмм все они воспроизводятся в одном масштабе по осям абсцисс и ординат, однако программное обеспечение для отображения и распечатки осциллограмм позволяет произвести увеличение любой области осциллограммы для более детального изучения. 

    Нижняя  осциллограмма  на  рис. 3 иллюстрирует процесс  отключения  выключателя  от  максимальной токовой защиты блока (см. надпись сверху над осциллограммой) при коротком замыкании на электроподвижном составе. Команда на отключение была подана на отметке 450 мс, после чего, спустя 23 мс, состоялось отключение цепи. Несовпадение значения тока на отметке 450 мс и уставки по току (см. уставки защиты внизу под осциллограммой во втором столбце справа) и существенное превышение током уставки миллисекунду  спустя  объясняется  влиянием  «скользящего среднего»,  несколько  сглаживающего  запись  резко меняющихся процессов.

     На базе блока БЗ-М1, МГУПС (МИИТ), в лице авторов  настоящей  статьи,  совместно  с  сотрудниками «НИИЭФА-ЭНЕРГО» (г. С-Петербург) разработал интеллектуальный  терминал  ЦЗАФ-3,3,  предназначенный для ячеек фидеров вновь сооружаемых и модернизируемых тяговых подстанций постоянного тока З,З кВ [4]. ЦЗАФ-3,3 выполняет функции защиты, автоматики, управления,  измерения  и  контроля  фидеров  контактной  сети  постоянного  тока  3,3  кВ.  Основное  отличие блока микропроцессорной защиты в терминале ЦЗАФ-3,3, от блока БЗ-М1 состоит в том, что в ЦЗАФ-3,3 он рассчитан на возможность работы только с датчиками тока и напряжения производства «НИИЭФА-ЭНЕРГО», и поэтому ранее гальванически разделенные узлы блока ВВУ и НВУ теперь объединены в едином низковольтном корпусе. При этом набор защит блока, их алгоритмы  и  реализация  полностью  заимствованы  из  блока БЗ-М1, однако набор функций автоматики существенно  расширен  и  обеспечивает  для  фидера  контактной сети 3,3 кВ:

• слежение  за  положением  всех  коммутационных аппаратов  очередность переключений всех коммутационных аппаратов

• блокировку от недопустимых действий с разъединителями

• функцию устройства резервирования отказов выключателя (УРОВ), то есть формирование и выдачу на центральный сервер тяговой подстанции сигнала УРОВ в случае, если за время 100 мс после выдачи блоком сигнала  на  отключение  выключателя  последний  остается во включенном положении, а также прием сигналов УРОВ с центрального сервера от других выключателей и земляной защиты тяговой подстанции и выдачу команды на отключение обслуживаемого выключателя

• блокировку от многократных включений выключателя.

Кроме того, с помощью блока ЦЗАФ-3,3 обеспечивается возможность местного (с пульта блока) и дистанционного (по ТУ) управления быстродействующим выключателем  фидера  и  линейным  разъединителем контактной сети. Оба устройства (БЗ-М1 и ЦЗАФ-3,3) пригодны  и  для  использования  в  качестве  основных защит тяговых сетей метрополитена.

     Очень  важно  отметить,  что  за  счет  применения FLASH-памяти  для  хранения  программного  кода  блоки ЦЗАФ-3,3 и БЗ-М1 являются устройствами с так называемой  гибкой  логикой.  Поэтому  набор  функций  защиты блока, а также его дополнительных и сервисных функций может быть изменен соответствующим перепрограммированием математического обеспечения блока.

     Опыт, накопленный в ходе разработки и эксплуатации  блоков  микропроцессорных  защит  БЗ-М1  и ЦЗАФ-3,3,  позволяет  перейти  к  созданию  более  совершенного,  принципиально  нового  блока  защит,  лишенного  всех  недостатков  своих  предшественников.

     Разработка такого блока защит в настоящее время завершается на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог« МИИТа. Его основу составляет разработанный при участии авторов настоящей статьи и успешно испытанный в течение года универсальный цифровой осциллограф-анализатор (УЦО-А), который представляет собой устройство на базе 8-разрядного микроконтроллера с интегрированным 12-разрядным АЦП,  оборудованное  электронными  аттенюаторами для  мгновенной  настройки  на  любые  существующие датчики тока и напряжения постоянного и переменного тока, в том числе датчики фидеров контактной сети. 

     УЦО-А представляет первый модуль нового блока защиты. Он оборудован высокоскоростным оптическим каналом,  выполняющим  одновременно  роль  гальванической развязки, позволяющим передавать с шагом дискретизации 1 мс оцифрованные данные о токе фидера, напряжении на шинах тяговой подстанции и на контактах выключателя, получаемые от 12-разрядного АЦП.

     Второй модуль нового блока защиты низковольтный с 16-разрядным микроконтроллером. Получая оцифрованный сигнал о токе и напряжении фидера от УЦО-А, низковольтный модуль реализует все функции защит — дополнительные  и  сервисные.  Отличительной  особенностью схемы низковольтного модуля является наличие двух оптических портов для подключения одновременно двух модулей УЦО-А, установленных на смежных фидерах, разделенных изолирующим промежутком. Это позволит реализовать полноценную защиту по приращению тока  с  блокировкой  от  ложных  отключений  выключателей  при  прохождении  по  изолирующему  промежутку подвижного  состава  под  током,  так  как  в  этом  случае оцифрованные значения токов смежных фидеров будут обрабатываться в едином алгоритме, запатентованном авторами настоящей статьи [5]. Более того, блоки защит смежных  фидеров  смогут  полноценно  резервировать друг друга, что не менее чем на порядок повысит надежность функционирования блоков защит в целом. 

Авторы:
Гречишников В.А., канд. техн. наук
Пупынин В.Н., докт. техн. наук, Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)


Рекомендуйте эту статью другим!