А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

Н А

Д И С Е Р Т А Ц И О Н Е Н Т Р У Д

за придобиване на

образователна и научна степен „Доктор”

на тема:

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВХОДНИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ

И ЦИФРОВИ РЕЛЕЙНИ ЗАЩИТИ В ТЯГОВИ МРЕЖИ ЗА ПОСТОЯНЕН ТОК

маг. инж. Тодор Кънчев Лалев

Научен ръководител: проф. д-р инж. Иван Костадинов Миленов

Факултет „КЕТ”, катедра „ЕЕТ” при ВТУ „Тодор Каблешков”

София, 2014 г.

1

Дисертационният труд е обсъден и насрочен за защита от разширен катедрен съвет на катедра „Електроснабдяване и електрообзавеждане на транспорта” при факултет „Комуникации и електрообзавеждане в транспорта” на ВТУ „Тодор Каблешков” – София, състоял се на 15.05.2014 г.

Дисертантът работи в „Метрополитен“ ЕАД – гр. София като „Главен

енергетик“. Дисертационният труд съдържа 130 страници, 90 фигури, 13 таблица и

131 броя литературни източници. Към дисертационния труд, подвързано отделно е дадено приложение, съдържащо резултати от теоретични и експериментални измервания на ТЕС, както и параметри и характеристики на съоръженията на ТЕС.

Тема на дисертационния труд: ИЗСЛЕДВАНЕ НА ВХОДНИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ И ЦИФРОВИ

РЕЛЕЙНИ ЗАЩИТИ В ТЯГОВИ МРЕЖИ ЗА ПОСТОЯНЕН ТОК

Автор: маг. инж. Тодор Кънчев Лалев Област на знанието: 5. „Технически науки” Научна специалност: 5.2 „Електротехника, електроника и автоматика“ („Електроснабдяване и електрообзавеждане в транспорта“) научен ръководител: проф. д-р инж. Иван Костадинов Миленов

Технически редактор: маг. инж. Тодор Кънчев Лалев Тираж: 15 броя Излиза от печат: Печатна база на ВТУ „Тодор Каблешков” – София

2

ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД Актуалност на проблема Проблемите на гр. София свързани с няколкократно увеличилия се през

последните години пътникопоток създават необходимостта от изграждане на ефективен градски транспорт и в тази връзка от бързо изграждане и развитие на столичната подземна железница.

Към момента основна транспортна система в столицата е „Метрополитен” ЕАД и затова всяко възникване на повреди и аварии в системите му води до големи загуби и понякога до тежки и необратими последствия.

Развитието на системите за енергозахранване на електрическия транспорт през последните години се ориентира в качествено нова посока, свързана не само с промяна на силовото електрообзавеждане в тяговата енергийна система, но и със промяна на вида и изискванията на системите за управление, мониторинг и релейна защита (ЦРЗ). Благодарение на динамичното развитие на микропроцесорната техника, съвременните ЦРЗ могат в максимална степен да покриват специфичните и високи изисквания за приложение в енергозахранващите системи на електрическият транспорт. Разбира се в тази връзка, е необходимо да се познават много добре специфичните особености на работата на тяговата електрозахранваща система (ТЕС) за конкретния вид транспорт при всички режими на работа (работни и аварийни).

В този аспект в дисертационният труд са изследвани определящите параметри и характеристики на съществуващите релейни и цифрови защити в ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД при нормални и аварийни режими. Изследването е направено по два начина - аналитично и експериментално, като за целта са избрани подходящи реални метроучастъци, получени са и са анализирани голям брой експериментални данни. На тази база е направено предложение за оптимизацията на работата на ЦРЗ, както и хардуерно предложение за изграждане на българска ЦРЗ, максимално адаптирана към спецификата на работа на защитните устройства в „Метрополитен” ЕАД.

Актуалността на разглежданите проблеми в дисертационния труд е свързана и с това, че за постигане на основните цели е разработен математически модел на ТЕС на „Метрополитен” ЕАД. Чрез него е направено симулационно моделиране на MATLAB на преходните процеси в различни метроучастъци при различни аварийни режими. Чрез анализа на резултатите от направени експериментални измервания за аналогични режими е доказана високата степен на истинност на създадения модел. Това дава възможност чрез него в бъдеще при проектиране на нови участъци да се провеждат предварителни изследвания с цел оптимално проектиране и настройка на параметрите на използваните ЦРЗ.

3

Цел и задачи на дисертацията Цел Целта на дисертационната работа е да се извърши разширено

експериментално и аналитично изследване на аварийни режими и к.с. в ТЕС. На база анализа на получените аналитични и експериментални резултати да се предложат технически решения за подобряване на функционалността на РЗ в ТЕС. Получените резултати от изследването да бъдат представени в подходящ вид, така че да се използват при предстоящо проектиране и разработване на нови ЦРЗ.

Необходимите задачи, които трябва да се изпълнят, за да бъде

постигната целта на дисертационния труд са следните: 1. Да се направи анализ на съществуващите начини и средства за

мониторинг, управление и защита на ТЕС на метрополитена, както и на входните преобразуватели използвани в релейната защита (РЗ);

2. Да се проведат разширени експериментални измервания в избрани за целта ТПС при нормални и аварийни режими на работа;

3. Да се направят теоретични изследвания на базата, на които да се създаде математически модел с помощта, на който чрез подходящи програмни продукти да се симулират различни режими на работа на ТЕС;

4. На база сравнителен анализ на резултатите да се предложи оптимизация на работата на РЗ на ТЕС.

Обект на изследванията в дисертацията Обекта на изследване в дисертационният труд е ТЕС на „Метрополитен”

ЕАД. Тя представлява сложна техническа структура, работеща при тежките условия на транспортния процес, характеризираща се с висока степен на надеждност.

Разгледани са основните видове РЗ, използвани в ТЕС на Столичния метрополитен. Направен е подробен анализ на техническите им параметри. Въз основа на получените резултати е направена оценка на функционалността на РЗ и са дадени препоръки за тяхната оптимална експлоатация.

Затова актуалността на изследването на работата на РЗ-ти, използвани в ТЕС обезпечаването на селективността и чувствителността им се явява една от най-сложните и интересни задачи.

Използвани методи, апаратура и програми Направени са теоретични изследвания с цел да се определят аналитично

параметрите на ТЕС при нормални и аварийни режими. Целта е да се правят сравнителни анализи на резултатите с тези получени от реални аварийни измервания. Използвани са специализираните програмни продукти - MАТLAB Simulink и MS Excel.

4

За изследване на процесите и режимите на работа в ТЕС са използвани следните методи:

- математическо моделиране на електромагнитните процеси в силовите и управляващи вериги на ТЕС чрез числено интегриране на система диференциални уравнения, описващи процесите в електрическите и магнитни вериги, а също така аналогови и дискретни елементи на устройството за управление на основата на използване на специализирани програмни продукти;

- спектрален анализ на токовете и напреженията на отделните елементи в съставената схема с цел изследване и определяне на характера на изменение на параметрите на ТЕС;

- експериментални реални измервания на различни режими на работа на ТЕС (номинални и аварийни) в избрани за целта ТПС посредством специализирана измервателна микропроцесорна техника.

Практическа приложимост На базата на математическият модел е създаден имитационен модел на

ТЕС посредством програмния продукт MATLAB Simulink. Анализирани са възможностите на програмната система, моделирана е ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД.

Основните резултати от изследването са адаптирани с цел оптимизация на работата на ЦРЗ в „Метрополитен“ ЕАД, както и при проектирането на ЦРЗ.

Проектирана е конкретна схемна реализация на ЦРЗ, адаптирана за нуждите и специфичните особености на процесите в Софийският метрополитен.

Получените резултати от аналитичните изследвания за изменението на основните параметри при преходните режими на работа на ЦРЗ в Софийският метрополитен помогнаха при осъществяването на ретрофита на РУ 825 V на тяговопонижаваща станция (ТПС).

На базата на получените резултати от аналитичното и експериментално изследване на параметрите на преходните процеси при аварийни режими в ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД е направено предложение за оптимизация на работата на ЦРЗ. Оптимизацията е съобразно сравнителния анализ на резултатите, получени при изследването на основните работни и гранични режими на експлоатираните в момента защити, както и съобразно изследванията за големината и характера на изменение на тяговите товари в ТЕС.

Внедряване на резултатите от изследванията Изследвани са основните режими на работа на релейните защити в

„Метрополитен” ЕАД, посредством провеждане на разширено експериментално и аналитично изследване на процесите в тяговата електрозахранваща система (ТЕС). Анализирани са получените резултати и са предложени технически решения за подобряване на тяхната функционалност и модернизация. Основните резултати от направените изследвания са представени в подходящ вид така, че

5

да бъдат използвани при предстоящи модернизации на ТЕС и разработване на нови ЦРЗ.

Направеното изследване включва следните основни етапи: 1. Сравнителен анализ на основните параметри на видовете входни

преобразуватели, намиращи приложение в основните схеми на управление и защити на ТЕС;

2. Изследване и анализ на входни устройства, което послужи като основа при реализацията на експерименталните и теоретични изследвания на функционалността на релейните защити в Метрополитен ЕАД;

3. Създаден е имитационен модел на ТЕС, посредством програмния продукт MATLAB Simulink. Анализирани са възможностите на програмната система, като посредством използване на програмната среда и симулационните блокове на продукта е моделирана ТЕС на Метрополитен ЕАД. Изследвани са стар и нов тип ТПС, динамично моделиране на тяговата мрежа (ТМ) в аварийни режими, както и различни варианти на метросъстави;

4. Разработена е методика за изчисляване на преходни процеси при к.с. на базата на създадения математически модел на ТЕС на Софийския метрополитен..

5. Предлаганата методика е използвана при аналитичното определяне на параметрите на ТЕС при нормални и аварийни режими и изготвяне на сравнителни анализи на резултатите с тези получени от реални аварийни измервания;

6. Резултатите от проведените изследвания са използвани за решаване на конкретни проблемни задачи при експлоатацията и определяне на режима на работа (настройка) на използваните ЦРЗ в ТЕС.

7. Извършено разширено експериментално изследване на работни и аварийни режими в ТЕС на Метрополитен ЕАД – София. Изследвани са к.с. и преходни процеси провокирани от метросъставите;

8. Основните резултати от изследването са използвани при настройките на граничните режими на работа на ЦРЗ в Метрополитен ЕАД;

9. Направено е предложение за конкретна схемна реализация на ЦРЗ, даваща възможност за проектиране и изработване на българска цифрова релейна защита адаптирана за нуждите и специфичните особености на процесите в Софийският метрополитен;

Получените резултати от проведеното изследване и сравнителен анализ ще послужат за изготвяне на експертна оценка на експлоатираните ЦРЗ в ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД по отношение и тяхната работа (надеждност, селективност, бързодействие и чувствителност).

6

СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД ГЛАВА 1. Специфични особености на ТПС, релейните защити и

входните преобразуватели използвани в тяговата мрежа на Софийският метрополитен. Основни режими на работа, технически параметри и характеристики.

В първа глава е направен литературен обзор по отношение на специфичните схемни и конструктивни особености на ТПС, начините на захранване на страни 10kV и РУ 825V. Разгледани са основните типове РЗ и ЦРЗ, експлоатирани в съвременните тягови електрозахранващи системи за постоянен ток. Направен е анализ на основните им параметри и характеристики.

Разгледани са основните видове РЗ използвани в ТЕС на Столичния метрополитен. Защита тип NA7D2 на фирма CKD Praha, комбинираните защитни устройства и контролери Sitras PRO и Track Feed DCP2. Направен е подробен анализ на основните им режими на работа, техническите параметри и характеристики. Направена е оценка на тяхната функционалност, предимства и недостатъци.

1.1. Защита тип NA7D2 на фирма ČKD Praha Защита NA7D2 на фирма ČKD Praha е от аналогов тип, като

управлението и основните функции се осъществяват от няколко електронни блока. Характеризира се с висока степен на надеждност, поради опростения начин на следене на големината на параметрите на първичната верига (Хол сензор и електронен блок).

За да осигури максимална селективност и надеждност NA7D2 е проектирана така, че да разпознава токове на к.с. по два алгоритъма, т.е. в нея са интегрирани два електронни блока. Те служат за защита по скорост на нарастване на тока (di/dt) и следене на скока на нарастване ΔI [82, 83, 86, 101]. Блокова схема на интегрираните електронно импулсна защита е показана на фиг. 1. 1. а, б.

ХС

Ф РН БВЗ ВР ПР

БДП

i

i2 Uрн UБЗВ UРВБ K1

ПР

iВ1

И1 К2

II(III)П

БДПa) б)

Фиг. 1. 1. а, б. Блокови схеми на електронните блокове на защита тип NA7D2

Основните недостатъци на NA7D2 са, че при повреда на електронния

блок трябва да се подмени и Хол сензора, като настройката и калибрирането на отделните блокове от защитата се осъществява само в заводски условия. Единствените параметри, които могат да се настройват са ΔI, (di/dt) и времезакъснението t.

7

Друг съществен недостатък на този тип защити е липсата на модул за оперативна памет, който да запаметява основните параметри на процесите при настъпване на авариен режим.

1.2. Комбинирани устройства за релейна защита, мониторинг и управление

Комбинираните защитни устройства и контролери се използват за защита на постояннотокови ТМ в обществения транспорт. Те предпазват разпределителната уредба (РУ 825V) и контактна релса (КР) от критични експлоатационни условия и къси съединения. ЦРЗ следи постоянно захранващите параметри на тяговата верига (ток и напрежение). Блоковите схеми на такава защита са показани на фиг. 1. 2 и 1.3 [100, 124, 126].

Фиг. 1. 2. Продуктова линия Sitras PRO Фиг. 1. 3. Продуктова линия Track Feed

1.2.1. Основни режими на работа, технически параметри и

характеристики на заработване на ЦРЗ в ТЕС Поради сериозните и специфични изисквания към защитите в

постояннотоковите тягови вериги ЦРЗ са многофункционални и изпълняват защитните си функции по няколко критерия за заработване: максималнотокова защита (imax, imax обр.); токово-импулсна защита с оптимална характеристика (ΔI di/dt); защита по скорост на нарастване тока (di/dt); максималнотокова времезависима защита (iUMZ, iUMZобр.); минимално напреженова защита (umin); максимално напреженова защита (umax); защита при авария на БДП; импедансна защита; температурна защита на кабелите; защита от пробив на кабелната изолация и др.

1.2.2. Максималнотокова защита – imax При този алгоритъм на заработване на ЦРЗ се следи моментната

стойност на тока, като в случая, когато моментният ток i надхвърли граничната настроена стойност imax (т.е. i > imax), а времезакъснението на това състояние е по-голямо от настроеното времезакъснение tзр, се предизвиква изключване на

8

БДП. В нормалния случай времезакъснението tзр се настройва tзр=0 ms (фиг.1.4). Алгоритъма на работа се запазва и в обратна посока на протичане на тока - imaxобр [8, 11, 34, 124, 126].

I, А

t, s

заработванеimax

tзр

iзр

Фиг. 1. 4. Характеристика на заработване на защитата при imax

1.2.3. Цифрова токово импулсна защита (ΔI di/dt)

„Sitras PRO“ и Track Feed DCP2, по програмен алгоритъм и по заложени критерии се следят скоростта на нарастване (di/dt) на тока и скокообразното му изменение ΔI и разпознават аварийния режим (к.с.). Т.е. когато настъпи късо съединение то ще бъде разпознато и ограничено преди токът във веригата да достигне върховата си стойност. По този начин значително по–малко се натоварва електрообзавеждането при изключване на късото съединение и се постига значително по голяма селективност от колкото при РЗ тип NA7D2 .

На фиг. 1. 5 са показани конкретни случаи на заработване на защитата по този критерии.

обхват на заработване

ΔI з

араб

отва

не

закъснение

di/dtΔI превишаванестартира се разпознаването

ΔIdi/dt продължителност

ΔIdi/dt превишена продължителностстартира се разпознаването

(1)

(2)

(3)

(4)

I

t

α

tΔI

Фиг. 1. 5. Криви на заработване на защитата по алгоритъма (ΔI, id/dt) при различни критерии

1.2.4. Скорост на нарастване на тока (di/dt) Този алгоритъм на заработване се използва за разпознаване на далечно

к.с. В този случай се извършва настройка на скоростта на нарастване на тока di/dt, като интервала на настройка е от 2 А/ms до 200 А/ms (фиг. 1. 6) [50, 124].

За показаните графики на фиг. 1. 6 имаме два случая:

9

Случай 1 – когато скоростта на нарастване на тяговия ток di/dt надхвърли зададената стойност за време, по-голямо от настроеното времезакъснение tзр ЦРЗ заработва.

Случай 2 – прага на заработване по ток е достигнат, но е за по-дълъг времеви период (настройва се в интервала от 6 ms до 200 ms със стъпка 1 ms) и е задействана е само сигнализация. Вижда се, че в случая (при този алгоритъм на настройка) защитата може да локализира и ограничи едно далечно късо съединение.

I, А

t, s

di/dt

di/dtdi/dt заработване отново превишнапродължителност

продължителност

di/dtзаработване

заработване(случай 1)

няма заработване(случай 2)

(1)

(2)

(случай 1)

Фиг. 1. 6. Характеристики на заработване защитата по критерий - (di/dt)

1.2.5. Максималнотокова времезависима защита - iUMZ С помощта на този алгоритъм на заработване на защитата се разпознават

аварийни режими, характеризиращи се с протичане на максимални токове продължително време, примерно токове на претоварване (фиг.1.7) [124, 126].

На фиг. 1. 7. е показана характеристика на заработване по алгоритъма на работа iumz .

I, A

t, s

iзр

заработване

Тзр Фиг.1.7. Характеристика на заработване по критерий - iUMZ

Разгледани и анализирани са параметрите и характеристиките на

основните видове входни преобразуватели и АЦП, използвани в съвременните системи за управление и защита на ТЕС. Извода, е че техните качества до голяма степен определят изискваната функционалност на защитата и сложността на алгоритмите на работа на ЦРЗ при аварийни режими. Тяхната степен на точност, чувствителност, надеждност и бързодействие определят надеждната работа на

10

РЗ и ЦРЗ в ТЕС. Това изследване е насочено към определяне на критериите за избор на хардуерната и софтуерната част на РЗ.

Направеното изследване и анализ на входни устройства в тази глава е използвано при реализацията на експерименталните и теоретични изследвания на функционалността на релейните защити в Метрополитен ЕАД, както и в предложеният вариант за хардуерно изграждане на ЦРЗ в дисертационната работа.

На тази база са формулирани основната цел и произтичащите задачи на дисертационният труд.

ГЛАВА 2. Моделиране на преходните процеси при аварийни режими в ТЕС

2.1. Създаване на модел за изчисляване на преходни процеси при къси съединения в ТЕС

За да се създаде адекватен модел на ТЕС на Софийското метро е необходимо изграждащите елементи на ТЕС да бъдат представени посредством подходяща електрическа заместваща схема. Елементите на модела се подбират така, че максимално точно да опишат процесите при изследване на преходните аварийни режими развиващи се в ТЕС [16, 30, 33, 41, 94].

Основните елементи на ТЕС на Софийския метрополитен са, както следва:

• Тяговопонижаваща станция (ТПС), състояща се от ТТ и ТИ; • Тягова мрежа (TM), изградена от захранващи кабели, контактна релса; • Ходова релса и обратни фидери.

2.2. Моделиране и определяне на параметрите на ТПС - Модел на захранваща система на страна 10 kV Моментните стойности на трите синусоидални напрежения на входа на

ТТ се определят от зависимостите 𝑢𝑎(𝑡) = √2𝑈𝑎 sin (2.𝜋𝑓𝑡 + 𝜑𝑎),

(2.1) 𝑢𝑏(𝑡) = √2𝑈𝑏 sin(2.𝜋𝑓𝑡 + 𝜑𝑏), 𝑢𝑐(𝑡) = √2𝑈𝑐 sin (2.𝜋𝑓𝑡 + 𝜑𝑐),

Ůa

Ůb

Ůc

Rsa Lsa

Rsb Lsb

Rsc Lsc

Фиг. 2. 1. Модел на първичната страна 10kV на ТПС

11

От изразa (2.2) се определят индуктивността на първичната страна на ТПС Lтпс10kv. За изчисленията е необходимa мощността на к.с. на шини 10 kV, която за нашия случай е Sк.с. 10kV=300, MVA. (2.2) 𝐿тпс10𝑘𝑣 = 3𝑈н1

2

𝑆𝑘∗ 0.52𝜋𝑓

= 0,000159 H За пресмятането на 𝜏 е необходимо 𝐿тпс10𝑘𝑣 да се приведе към

вторичната страна на ТПС, т.е. 𝐿тпс825𝑣=0,00673.10-3 H. Активното съпротивление на първичната страна на ТПС 𝑅тпс10kv е

(2.3) 𝑅тпс = 75𝐿тпс10kv=0,0119 Ω. 2.3. Модел на тягов трансформатор В Софийския метрополитен най-масово използваните типове тягови

трансформатори са 4GJ6544 и 38TV164/84 производство на фирмите GEAFUL и ČKD Praha. В зависимост от броя на намотките те биват двунамотъчни (ČKD Praha) и тринамотъчни (GEAFUL).

Gтт Bтт

Rтт1 Lтт1 L`тт2 R`тт2

Фиг. 2. 2. Т образна приведена схема на двунамотъчен трансформатор

Привеждането е към страната с по-ниско напрежение (фиг. 2. 1.), затова

импедансите се делят на 𝑘𝑇2, а проводимостите се умножават с 𝑘𝑇2. Индуктивното съпротивление е по-голямо от активното с повече от един

порядък. Затова при трансформаторите с мощност над 1000 кVА се приема, че 𝑍lтт ≈𝑋lтт и при определянето на еквивалентните индуктивности на ТТ Lтт1 и L`тт2 се прави по следните зависимости: [15, 131, 89] (2.4) 𝑋lтт = 𝑢кс%.𝑈н

2

100.𝑆н, Ω (2.5) 𝐿тт = 𝑋lтт

2πf, H

Активните съпротивления на отделните намотки при двунамотъчен ТТ, Rтт1 и R`тт2, Ω се определя по: [15, 131, 89]

(2.6) 𝑅тт = 𝛥𝑃кс �𝑈н𝑆н�2 , Ω

Съпротивлението, отчитащо загубите в стоманата 𝑅ттст, Ω се изчислява по: (2.7) 𝐺тт = 𝑃0

𝑈2; 𝑅ттст = 1

𝐺тт

12

За построяване на математическия модел на тринамотъчния тягов трансформатор (фиг. 2. 3.) са съставени уравнения описващи електрическото равновесие за всички намотки на трансформатора. [16, 35, 87]

Първа намотка

Фаза B Фаза C

I1 U1

I2 U2

I3U3

I4 U4

I5 U5

I6U6

I7U7

I8U8

I9U9

Втора намотка

Трета намотка

Фаза А

Фиг. 2. 3. Тринамотъчен трансформатор

(2.8) ,

Потокосцеплението се определя от израза

(2.9) , където Ф0 е основният магнитен поток.

(2.10) ;

(2.11) . След преобразувания и като се заместят (2.9) и (2.10) в (2.8), се

получава:

(2.12) . Коефициентите пред di/dt представляват собствените и взаимните

индуктивности

dtd

R.iu

..dt

dR.iu

dtdR.iu

nnnn

2222

1111

Ψ

Ψ

Ψ

+=

+=

+=

)ФФ(w i0ii σΨ +=

)wi........wiwi(Ф nn221100 +++= λ

11ii wi.Ф σσ λ=

dtdi

wdtdiww

dtdiwwRiu

dtdi

wwdtdiw

dtdiwwRiu

dtdi

wwdtdiww

dtdiwRiu

nnnnnnnn

nn

nn

)(...........

.................................................................................................

.........)(.

........)(.

022

021

01

022

2022

1012222

012

0211

1021111

σ

σ

σ

λλλλ

λλλλ

λλλλ

+++++=

+++++=

+++++=

13

(2.13) ; . Уравненията, записани в матрична форма имат следния вид:

(2.14) ; . Коефициентите на матриците се явяват параметри на тяговия

трансформатор на ТПС. Те се определят на основата на каталожните данни на ТТ (за активните съпротивления от непосредствени измервания, а за индуктивността от опити на п.х. и к.с.).

(2.15) ; .

По показаният алгоритъм от (2.8) до (2.15) използваната моделираща система MATLAB Simulink изчислява основните параметри на модела, като данните за ТТ тип 4GJ6544 GEAFUL са взети от каталожните данни на завода производител.

2.4. Модел на тягов изправител в ТПС В ТПС се използват два вида тягови изправители (ТИ). Първият вид са

трифазни неуправляеми мостови изправители, известни като схема на свързване „Ларионов“. Вторият тип е шестфазен двуполупериоден изправител, също схема „Ларионов”. Тази схема се използва при новите типове ТПС. Трифазната схема на токоизправителите и диаграмите на токовете и напреженията са показани на фиг. 2. 4. а, б, в.

Фиг. 2. 4. а, б, в. Трифазната схема на токоизправителите и диаграмите на токовете и

напреженията

212

i1

10ii w.

KL σλλ +

= 21

j1i1

0ij w.

K.KL

λ=

RidtdL + ui =

nn2n1n

n21221

n11211

L...LL................

L...LLL...LL

L =

n

2

1

R.........00.................

0........R00........0R

R =

14

Амплитудата на междуфазното напрежение U2ФТ се определя от зависимостта [106]: (2.16) 𝑈2ФТ = √3𝑈2м𝑚

Средната стойност на изправеното напрежение UТ се изчислява от (2.17) 𝑈т = 6

𝜋𝑠𝑖𝑛 �6

𝜋�𝑈2фт = 0,95𝑈2фт = 1,65𝑈т

Максималното обратно напрежение върху диодите е (2.18) 𝑈обр.𝑚𝑎𝑥 = √3𝑈2фт = 1,05𝑈т

Честотата на пулсациите fп е шест пъти по-голяма от тази на захранващата мрежа fм, а коефициентът на пулсациите е кп=0,06.

Фиг. 2. 5. Шестфазна схема на токоизправителите инсталирани в новите типове ТПС

2.5. Определяне и моделиране и на параметрите на ТМ Захранването на метросъставите се осъществява от ТПС и ТМ. Те

притежават специфични параметри, оказващи влияние на електромагнитните процеси при настъпване на к.с. и аварийни режими. При това параметрите на участъка от ТМ, от мястото на метросъстава до ТПС се променят при неговото движение.

В общия случай ТМ следва да се разглежда като електрическа верига с разпределени параметри. Те представляват модел със съсредоточени елементи, съставени от последователно включени активни и индуктивни съпротивления, съответстващи на участъци с дължина ΔХ (фиг. 2. 6) [70, 92].

RтмLтм

Фиг. 2. 6. Заместваща схема на ТМ

15

2.5.1. Създаване на еквивалента заместваща схема на ТЕС за определяне на параметрите на ТМ

Пред вид факта, че релсовият път е изграден от две ХР, за да се улесни задачата той е представен посредством еквивалентните му индуктивни и активни съпротивления. В редица литературни източници [35, 41, 87, 89] изчисляването на еквивалентните величини на ХР се прави по показаните зависимости (2.19) и (2.20).

Lхр Rхр

Lхр Rхр

Lекв.хр Rекв.хр

a) б)

Фиг. 2. 7. а. Заместваща схема на ХР Фиг. 2. 7. б. Еквивалентна заместваща схема на ХР

(2.19) 𝑅екв.хр. = 0,5𝑅хр. ; (2.20) 𝐿екв.хр. = 0,5�𝐿хр. + 𝑀хр−хр.�. В резултат от това ТМ може да се представи като система от четири проводника. На фиг. 2. 8. а , б са показани разположението на отделните компоненти в тунелите (или открити участъци) и еквивалентна заместващата схема.

Хр Хр

КрI

ахр-хр

акр-хр

ПЪТ I

Хр Хр

КрII

ахр-хр

ПЪТ II

ik

IRекв.хр IIRекв.хр

Uтт

Lтт

Rтт

Lкр Rкр

Lхр Rхр

L хр Rхр

Мкр-хрII

Мхр-хр

Мкр-хрI

lk

iрII

iрII

ik

iрI

ik

ik

ikк

lk

lk

lk

lk

lk

фиг. 2. 8. а, б. Разположение на отделните пътища и еквивалентна заместваща схема на ТМ

По нататък съгласно показаната на фиг. 2. 8. б еквивалентана

заместваща схема на ТЕС и основните закони на електротехниката е представен математически модел използван при моделирането на преходни процеси в ТЕС.

От фиг. 2. 8. б е дадена опростена заместваща схема, по която може да се определят Lтм и Rтм на ТМ.

Тук Uтт е напрежението на ТМ след ТА на ТПС; к - мястото на к.с.; LТТ и RТТ - индуктивността и съпротивлението на ТПС, H, Ω; Lкр.;хр. и Rкр.;хр. - индуктивността и съпротивлението на един километър

КР и ХР, H/km, Ω/km; I и II - номерата съответно на път 1 и път 2; Мкр-хр.I, Мкр-хр.II и Мхр-хр. - взаимна индуктивност между КР и ХР път 1,

КР и ХР път 2 и ХР път 1 и ХР път 2, H/km; lk - разстоянието от ТПС до мястото на к.с., km.

16

ХР е изолирана от земя и при едно к.с. токът ik протича през ХР, като по този начин се затваря веригата.

По нататък съгласно показаната на фиг. 2. 8. б еквивалентана заместваща схема на ТЕС и основните закони на електротехниката е представен математически модел използван при моделирането на преходни процеси в ТЕС.

В съответствие с еквивалентаната заместваща схема на фиг. 2. 8. б, първи и втори закон на Кирхов за съответните контури и възли се съставят следните уравнвния (2.21), (2.22) и (2.23):

(2.21) 𝑖𝑘 = 𝑖р𝐼 + 𝑖р𝐼𝐼,

където 𝑖р𝐼 е тока през ХР на път I а 𝑖р𝐼𝐼 е през ХР на път II. Уравнението за контура на път I има следния вид:

(2.22) 𝑈тт = 𝑅тт𝑖𝑘 + 𝐿тт𝑑𝑖𝑘𝑑𝑡

+ �𝑅кр𝑖𝑘+𝐿кр𝑑𝑖𝑘𝑑𝑡− Мкр−хр.𝐼

𝑑𝑖р𝐼𝑑𝑡

− Мкр−хр.𝐼𝐼𝑑𝑖р𝐼𝐼𝑑𝑡

+

+𝑅екв.хр.𝑖р𝐼+𝐿екв.хр.𝑑𝑖р𝐼𝑑𝑡−Мкр−хр.𝐼

𝑑𝑖𝑘𝑑𝑡

+ Мхр𝐼−хр𝐼𝐼𝑑𝑖р𝐼𝐼𝑑𝑡� . 𝑙𝑘.

При съставяне на допълнителното уравнение за контура на еквивалентните ХР, също така трябва да се отчете и взаимоиндуктивната връзка с кабелите. Тя има пренебрежимо малка стойност при екранирани кабели и поради това за Столичния метрополитен се използва зависимостта (2.23): (2.23) �𝑅екв.хр.𝑖р𝐼+𝐿екв.хр.

𝑑𝑖р𝐼𝑑𝑡

− Мкр−хр.𝐼𝑑𝑖к𝑑𝑡− 𝑅екв.хр.𝑖р𝐼𝐼−𝐿екв.хр.

𝑑𝑖р𝐼𝐼𝑑𝑡� . 𝑙𝑘 = 0.

При решаване на задачата, най-голям интерес се явява моментът от време интервала 0 < t ≤ τ в началният момент на к.с., когато стойността на тока 𝑖𝑘 е незначителна. При така зададените условия за този момент от време, чрез необходимите преобразувания и като се пренебрегне 𝑅екв.хр.𝑖р𝐼 и −𝑅екв.хр.𝑖р𝐼𝐼. от (2.23) се получава (2.24). (2.24) 𝑑𝑖р𝐼

𝑑𝑡= 𝑑𝑖к

𝑑𝑡 �𝐿екв.хр.+Мкр−хр.𝐼

2𝐿екв.хр.�

Ако означим множителя 𝐿екв.хр.+Мкр−хр.𝐼

2𝐿екв.хр. с α се получава (2.25)

(2.25) 𝑑𝑖р𝐼𝑑𝑡

= 𝑑𝑖к𝑑𝑡𝛼 ,

където α ( коефициент на разпределение на тока) варира в зависимост от участъка, за кой се съставя модела. За тунели с железобетонни конструкции α=0,72, а за открити линии или еднопътен тунелен участък α=0,62.

Във физичен смисъл α е коефициент, който характеризира разпределението на тока между релсите на път 1 и път 2 в преходен режим в първият момент от к.с. [35, 61, 87, 88].

Когато се замести (2.25) в (2.21) и се отчете, че разстоянията акрI-хр.II и ахрI-хр.II са почти еднакви, може да се пренебрегнат Мкр−хр.𝐼𝐼

𝑑𝑖р𝐼𝐼𝑑𝑡

и Мхр𝐼−хр𝐼𝐼𝑑𝑖р𝐼𝐼𝑑𝑡

. При малки времеви интервали от (2.25) се получава (2.26) 𝑑𝑖р𝐼 = 𝑑𝑖к.𝛼

След направените допускания за уравнение (2.22) се извежда уравнение

17

(2.27) 𝑈тт = �𝑅тт + (𝑅кр+𝑅екв.хр.𝛼)𝑙𝑘�𝑖𝑘 + �𝐿тт−(𝐿кр − Мкр−хр.𝐼𝛼+𝐿екв.хр.𝛼 −−Мкр−хр.𝐼)𝑙𝑘�

𝑑𝑖𝑘𝑑𝑡

За опростяване пресмятанията и на заместващата схема на фиг. 2. 8 б,

ТПС е представено от източник на постоянно напрежение Uтт и последователно свързана индуктивност и активно съпротивление и математически се описва чрез (2.28): (2.28) 𝑈тт = 𝑅∞𝑖𝑘 + 𝐿0

𝑑𝑖𝑘𝑑𝑡

. От направените допускания за началният момент от време на к.с.

0 < t ≤ τ и от зависимости (2.27) и (2.28) за фиг. 2.10, б се получават следните равенства: (2.29) 𝑅тм = �𝑅тт + (𝑅кр+𝑅екв.хр.𝛼)𝑙𝑘�; (2.30) 𝐿тм = �𝐿тт−(𝐿кр − Мкр−хр.𝐼𝛼+𝐿екв.хр.𝛼 −Мкр−хр.𝐼)𝑙𝑘�.

При изчисляване на индуктивността на ТМ, трябва да се определи общото съпротивление на контурите, състоящи се от проводници ХР и КР: (2. 30. а) 𝐿кр=𝐿′кр + 𝐿″кр; (2. 30. б) 𝐿хр=𝐿′хр + 𝐿″хр; (2. 30. в) 𝐿′екв.хр. = 0,5𝐿′хр.; (2. 30. г) 𝐿″екв.хр. = 0,5�𝐿″хр. + 𝑀р−р.�.

Като заместим в (2.30) се вижда, че за различните индуктивности се получават различни множители: (2.31) 𝐿тм = 𝐿тт+(𝐿′кр+𝐿′екв.хр.𝛼)𝑙𝑘 + �𝐿″кр+𝐿″екв.хр.𝛼−Мкр−хр.𝐼(1 + 𝛼)�. 𝑙𝑘 или (2.32) 𝐿тм = 𝐿тт+𝐿′тм𝑙𝑘+𝐿″тм. 𝑙𝑘,

където 𝐿′тм е „вътрешна индуктивност“, определена от разпределението на магнитното поле в проводника, H/km; (2.33) 𝐿′тм = 𝐿′кр.+𝐿′екв.хр.

С 𝐿″тм се означава т. нар. „външна индуктивност“, определена от разпределението на магнитното поле извън проводника, H/km; (2.34) 𝐿″тм = 𝐿″кр+𝐿″екв.хр.𝛼−Мкр−хр.𝐼(1 + 𝛼)

2.5.2. Определяне на параметрите на КР и ХР Активното съпротивление на тяговата мрежа е взето от паспортните

данни на КР и ХР, като за сравнение то е измерено и проверено експериментално за разгледаните участъци. Протоколи от измерванията са приложени в Приложение 10.

За определяне на активното еквивалентно съпротивление Rхр.екв. е необходимо да се пресметне изразът: (2.35) Rхр.екв.=1/2.Rх.р.=0,0159 Ω/km.

18

- Определяне външната индуктивност на ТМ Индуктивността на ТМ може да бъде определена от израза (2.37) само

ако предварително знаем индуктивността на отделните елементи (ХР и КР) и коефициента α. Приема се, че тяговият ток в изследваната верига се изменя по закона (2.36) (2.36) 𝑖 = 𝐼∞(1 − 𝑒−

𝑡𝜏)

Външната индуктивност и взаимоиндуктивност на елементите на тяговата мрежа L″ и М″ се определя от зависимостите: (2.37) 𝐿КР,ХР.

″ = �2𝑙𝑛𝐾 104√𝜏�10𝛾з𝑟𝑒

� . 10−4 H/km.

(2.38) МКР− ХР,ХР−ХР.″ = �2𝑙𝑛𝐾 104√𝜏

�10𝛾за� . 10−4 H/km.

По формула (2.38) е изчислена взаимната индуктивност между ХР и КР и между двете ходови релси. Получени са следните резултати: Мхр-хр= 1,83.10-3 H/km и М″кр-хр= 1,82.10-3 H/km.

Изчислението на еквивалентната външна индуктивност 𝐿″тм на ТМ се прави по изразите: (2.39) L″еквхр. =1/2(LКР + Мкр-хр)=2,1. 10-3 H/km, (2.40) 𝐿″тм = 𝐿кр + 𝐿екв𝛼 −𝑀кр−хр(1 + 𝛼) H/km.

- Определяне на вътрешната индуктивност в ТМ Вътрешната индуктивност 𝐿′тм може да бъде изчислена само ако предварително се знае коефициента α, индуктивността на КР 𝐿′кр. и на ХР 𝐿′хр.. (2.41) 𝑥 ′ = 1,2

𝑃�𝜇𝜌𝑓.

От (2.41) следва: (2.42) 𝐿′тм = 𝑥′

2𝜋𝑓= 0,48

2𝜋𝑓𝑃�𝜇𝜌𝑓.

Индуктивността при хармоничен ток с честота f и индуктивността при експоненциално изменящ се ток с времеконстанта 𝜏 във веригата се изменят по аналогичен начин, но в (3.43) 2𝜋𝑓 трябва да се замени с 1/ 𝜏. Предвид факта, че 𝜏тес можем да изчислим от израза (2.43):

(2.43) 𝜏тес = � А2𝑅∞

𝑙𝑘 + �� 𝐴2𝑅∞

𝑙𝑘�2

+ 𝐿″тм𝑅∞

𝑙𝑘 + 𝐿тпс𝑅∞�2

,

Вижда се, че за всеки конкретен случай на моделиране на к.с. трябва да се изчислява 𝑅тес а от тук 𝜏тес и 𝐿′тм

(2.44) A = �0.48Рк�μсркρк + 0.48

Рр�μсррρр�.

В (2.44) Рк=0,5 m и Рр=0,62 m са съответно периметъра на КР и ХР, 𝜇срк=250 и 𝜇срр = 250 са средните стойности на изчислената магнитна проницаемост на КР и ХР, а 𝜌к=0,12.10-6, Ω/m и 𝜌р=0,21.10-6, Ω/m са специфичните съпротивления на материала, от който са изработени ХР и КР. Като се замести за А се получава А=0,00699.

19

За да се пресметне 𝜏тес е необходимо да се изчислят � 𝐴2𝑅∞

𝑙𝑘� и �𝐿″тм𝑅∞

𝑙𝑘 + 𝐿тпс𝑅∞�.

Като се използва израза (2.42), за 𝐿′тм ще получим уравнение за вътрешната индуктивност на ТМ, H/km при експоненциално изменение на тока в ТЕС: (2.45) 𝐿′тм = 0,48

𝑃 �𝜇𝜌√𝜏. Този параметър се изчислява за всеки конкретен случай на разглеждане на метроучастък, като за целта е разработена изчислителна програма на EXCELL.

- Определяне на параметрите на модела на тяговия състав При моделирането на ТД те се представят във вид на електрическа

верига, съдържаща еквивалентен източник на е.д.н., активно съпротивление и индуктивност (фиг. 2.9) [20, 53, 73, 66, 95].

UтдRтдLтд

Фиг. 2.9. Заместваща схема на тягов двигател

В дисертационния труд е разгледан ТД тип ДК-117М. Параметрите му

са отчетени от паспортните данни Приложение 2. Предвид факта, че двигателите са с последователно възбуждане

RТД=0,06 Ω; индуктивноста на намотките на тяговия двигател LТД, се изчислява по формулите (2.46) [4, 87] (2.46) 𝐿тд. = 𝛾 𝑈н

𝑝.𝜔н𝐼н =1,11.10-3 , H.

Напрежението на тази верига се определя от израза (2.47) 𝑈тд. = 𝑈н − 𝐼н𝑅тд + 𝐿д

𝑑𝑖𝑑𝑑𝑡≈356, V

Предвид факта, че в един метровагон на един метросъстав тяговите двигатели са 4 броя и че по време на регулиране на скоростта схемата им на свързване се мени постоянно, се приема, че в момента на к.с.𝑈тд. ≈860 V

ГЛАВА 3. Аналитично изследване на аварийни режими в ТЕС на Метрополитен ЕАД – София

В тази глава е представена методика за изчисляване на преходни процеси на базата на създаден математически модел на ТЕС на Софийския метрополитен. Направена е оценка на приложимостта на методиката при изследване на преходните процеси при аварийни режими симулирани посредством Matlab Simulink. Едновременно с това са представени изследвания

20

за характерни аварийни режими в тяговата мрежа, осъществени посредством софтуерни симулации с помощта на разработения модел.

Методика за изследване на къси съединения в ТЕС

Етд

Lтд

Rтд

Lтм Rтм Lтм Rтм Lтм Rтм

к.с.

Id

Uтпс1

Lтпс

Rтпс

u(t)

+ -

Lтпс

Rтпс

u(t)

+ -

Lтпс

Rтпс

u(t)

+ -

Lтпс

Rтпс

u(t)

+ -

ТПС 1ТПС 2

ТТ ТТ

ТИ ТИ

ТТ ТТ

ТИ ТИ

ТМ

Мет

росъ

став

Uтпс2

Iтпс1 Iтпс2

Iк.с.

Фиг. 3.1. Примерна схема за онагледяване на параметрите на веригата (ток, напрежение и др.)

Основната задача, която трябва да бъде решена, е определянето на

интегралните характеристики, получени при к.с. В тази глава с помощта на създадения модел и програмния продукт MATLAB Simulink са изследвани най-типичните к.с. настъпващи в ТЕС. Също така са симулирани к.с. и при различни аварийни работни режими на ТЕС. Под авариен работен режим на ТЕС се има предвид такъв режим на работа, при който изследваният участък не се захранва двустранно от две ТПС посредством четири ТА.

Предварително съобразно изискванията на създадения математически модел за дадената симулация се приемат следните начални условия [15, 41, 56]:

- напрежение на празен ход на ТПС – UТПС; - местоположение на метросъстава във захранвания участък; - установен ток на метросъстава – Id; - индуктивността 𝐿тм и активното съпротивление 𝑅тм на ТМ се определя

за всеки конкретен случай; - приема се, че захранващите фидери на ТМ са с дължина 250 m и са със

сечение 3х400 mm2; - преходно съпротивление в мястото на к.с. Rд – разглежданите к.с. с

тази глава са метални к.с. Според металните к.с. с висока точност се симулират през много малко преходно съпротивление Rд. Типичен случай за метално КС е включване на уредба при включено заземление.

- сечението и дължината на захранващите (плюсови) и обратните (минусови) фидери са еднакви;

21

- Тъй като метросъставът и процесите настъпващи в него не са обект на настоящия дисертационен труд, характерът на изменение на скоростта и режимите на работа му не се разглежда.

Аналитични резултати от направените симулации • Симулация на к.с. в мястото на присъединяване на захранващия

фидер към ТМ при различните типове ТПС Условията, при които е извършена симулацията са следните: 1. К.с. настъпва в мястото на присъединяване на захранващите фидери към

ТМ; 2. В участъкът няма метросъстав; 3. Участъка се захранва едностранно от едно ТПС; 4. Разглеждат се ТПС с 6 фазни ТА. На фиг. 3.3 и 3.2 са показани зависимостите на тока (I) на к.с. и

напрежението на шините (U) на ТПС при електрозахранване с шестфазни ТА. От зависимостите се вижда, че токът на к.с. достига 30 kA, което съответства на максималната стойност на тока на к.с. в ТЕС в началото на участъка. Виждат се и силни изкривявания в кривата на напрежението, предизвикани от тока на к.с..

Фиг. 3. 2. Напрежение на шините на ТПС при шестфазен ТА

Фиг. 3. 3. Ток на к.с. на края на захранващите фидери при шестфазен ТА

От кривата на изменение на напрежението на фиг. 3.2 се вижда момента

на настъпване на к.с. и колебанието на напрежението до установяване на тока на к.с.. При преходния процес се наблюдават импулсни нараствания на напрежението, имащи характера на пренапрежения, предизвикани от колебания на тoка на к.с. в изследваната верига.

22

След необходимите пресмятания на стойностите получени при симулацията по израза (3.1) за скоростта на нарастване на тока се получава (di/dt)=833 A/ms.

От получените при дадената симулация резултати и като се отчетат фактите, че максималната стойности на настройката на тока на РЗ е 6kA, тази стойност на тока на к.с. е достигната за tр=1,07 ms. Времето за реакция на новите типове БДП е 4,1, ms, както се вижда от приложената техническата документация в приложение 5. От направената симулация и получения графичен резултат на MATLAB се вижда, че максималният ток, който би комутирал БДП при шестфазни ТА е imaxком=19870 А.

(3.1) 𝑑𝑖𝑑𝑡

= 𝐼∞𝜏тес

. е−𝑡

𝜏тес, На фиг. 3. 5. и фиг. 3. 4. са показани зависимостите на тока (I) на к.с. и

напрежението на шините (U) на ТПС при електрозахранване с трифазни ТА.

Фиг. 3. 4. Напрежение на шините на ТПС при трифазен ТА

На фиг. 3. 6 са показани зависимостите на напреженията (U) на шините на ТПС1 и ТПС2, захранващи к.с. при използване на шестфазни ТА. Виждат се силни колебания в кривите на напрежението, предизвикани от тока на к.с.

Фиг. 3. 5. Ток на к.с. на края на захранващите фидери при трифазен ТА

На фиг. 3. 4 е показано графичното изменение на захранващото

напрежението при ТПС с трифазни ТА. Вижда се, че то е с по-големи пулсации от режим с шестфазно изправяне.

• Симулация на к.с. при двустранно захранване без метросъстав в тунелен участък

Началните условия, при които е извършена симулацията са следните: 1. Разглеждания подстанционен участък е дълъг 2,180 km; 2. В участъкът няма метросъстав;

23

3. Участъка се захранва двустранно от две ТПС от нов тип; 4. Късото съединение настъпва на 400m от едната ТПС и на 1780 m от

другата. Тази симулация се прави, за да се изследва характера на к.с., когато то е

настъпило в ТМ при двустранно захранване в най-дългия експлоатационен участък (МС „Стадион Юнак“ – МС „Жолио Кюри“). Този участък е оборудван с нови типове ТПС и ТА са шестфазни. По този начин може да се анализира, както тока на к.с. в ТМ, така и токът през отделните ТПС. Може да се анализира и влиянието на разстоянието до мястото на к.с. върху измененията на напреженията и токовете през отделните ТПС. Определя се скоростта на нарастване на тока на к.с. (di/dt) през отделните ТПС, максималната му стойност im, графичното му изменение във веригата и др.. Симулацията се прави за възможно най-дългия експлоатиран в Столичния метрополитен участък [42, 78, 88, 123].

Таблица 3.1 Параметри на ТМ тунел (близко ТПС1)

Rтм, Ω/km Lтм, H/km τтес, s lкс,km α, тунел 0,01705 0,000600211 0,07694 0,4 0,62

Таблица 3.2 Параметри на ТМ тунел (далечно ТПС2)

Rтм, Ω/km Lтм, H/km τтес, s lкс,km α, тунел 0,0682 0,002400842 0,09956 1,78 0,62

Фиг. 3. 6. Напрежения на шините на ТПС1 и ТПС2

На фиг. 3. 7. са показани зависимостите на тока на к.с. (I) в ТПС при

двустранно електрозахранване с шестфазни ТА. След необходимите пресмятания на стойностите получени при

симулацията по израза (3.1) за скоростта на нарастване на тока се получава през ТПС1 е (di/dt)=241 A/ms, а за ТПС2 е (di/dt)=64,14 A/ms.

24

Фиг. 3. 7. Ток на шините на ТПС

На фиг. 3. 8 е показана зависимостта на тока на к.с. в мястото на к.с. От

графиката се вижда, че Iк.с.=28,18 kA.

Фиг. 3. 8. Графика на тока в мястото на к.с.

• Симулация на к.с. при двустранно захранване с метросъстав

Тук е разгледан същият участък (МС „Стадион Юнак“ – МС „Жолио Кюри“), но в него има метросъстав, който е излязъл на установен режим на работа.

Фиг. 3. 9. Напрежения на шините на ТПС1 и ТПС2

25

От анализа на изменението на напреженията на двете ТПС при натоварване в сравнение с тези при празен ход (фиг. 3. 2.) се вижда, че в нормален режим на работа при наличие на товар, преди настъпване на к.с., напрежението има пулсиращ характер, което показва истинността на създаденият модел. След настъпване на к.с. процесът е един и същ.

Фиг. 3. 10. Ток на метросъстава преди к.с.

На фиг. 3. 10. е показана графиката на изменение на тока, породен от

товара.

Фиг. 3. 11. Ток на шините на ТПС

Фиг. 3. 12. Графика на тока в мястото на к.с.

Получените резултати за токовете на к.с. в ТЕС са показани на фиг. 3.11

и 3.12. От направеното сравнение на графичните резултати получени за двата изследвани режима (с и без състав) може да се направи извода, че характера на изменение на к.с. в ТЕС настъпили в товарите са идентични с тези в режим на

26

празен ход (без товар). Извода е, че за късите междуподстанционни участъци характерни за Столичния метрополитен товарите не оказват съществено влияние върху процесите при к.с.

• Симулация на к.с. при двустранно захранване с метросъстав при

стар тип ТПС. Тази симулация се прави за да се изследва характерът на к.с., когато то е

настъпило в ТМ в експлоатационен учатък захранван от едно старо и едно ново ТПС-та (МС „Сливница“ - МС „Обеля“). По този начин може да се анализира както токът на к.с. в ТМ, така и през отделните ТПС (старо ново) и да се види как разстоянието до к.с. влияе на напреженията и токовете през отделните ТПС. Основната цел на това изследване е да се направи сравнителен анализ на режима на работа на различни поколения ТПС при авариен режим на к.с..

Условията, при които е извършена симулацията са определени на базата на равномерно разпределение на параметрите на ТМ и са следните:

1. Разглежданият подстанционен участък е дълъг 1,7 km; 2. В участъка има метросъстав; 3. Участъкът се захранва двустранно от две ТПС от стар и нов тип; 4. Късото съединение настъпва в метросъстава в средата на участъка. Предвид факта, че к.с. е в средата на участъка то параметрите на ТМ за

двете ТПС са еднакви и са дадени в таблица 3.3.

Таблица 3.3 Параметри на ТМ тунел (ТПС1 и ТПС2)

Rтм, Ω/km Lтм, H/km τтес, s lкс,km α, тунел 0,028985 0,001480187 0,097871 0,85 0,62

На фиг. 3.13 е показано изменението на захранващото напрежение при

шестфазни и трифазни ТА. Виждат се предимствата на шестфазното изправяне при симулацията на ТПС1.

Фиг. 3. 13. Напрежения на шините на ново ТПС1 и старо ТПС2

27

Фиг. 3. 14. Ток на метросъстава

На фиг. 3.14 се вижда изменението на тока на състава при горната симулация. Характерът на изменение на тока преди и след момента на к.с. е аналогичен на предходния случай.

Фиг. 3. 15. Ток на шините на ТПС

На фиг. 3.15 е показано графичното изменение на токовете на к.с на

двете ТПС, а на фиг. 3.16 токът на к.с. в мястото на к.с..

Фиг. 3. 16. Графика на тока в мястото на к.с.

28

• Симулация на к.с. при авариен режим на захранване (едностранно захранване с включен един ТА)

Тази симулация се прави за да се изследва характерът на к.с., когато то е настъпило в ТМ при едностранно захранване в най-дългия експлоатационен учатък (МС „Стадион Юнак“ – МС „Жолио Кюри“). К.с. се симулира за най-лошия за разпознаване от РЗ режим. По този начин може се анализира минималният ток на к.с. в ТМ на Столичното метро. Определят се и се изследват характерните параметри на процеса, като скорост на нарастване (di/dt)=50,4 А/ms, максималната му стойност im= 6490 A, както и моментното му изменение във веригата.

Фиг. 3. 17. Напрежения на шините на ТПС при едностранно захранване с един ТА

Фиг. 3. 18. Ток на шините на ТПС при едностранно захранване с един ТА

ГЛАВА 4. Експериментално изследване на работни и аварийни режими в ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД В Глава 4 от дисертационната работа са показани графичните изменения

на определящите параметри (ток и напрежение) при настъпване на аварийни режими и последващите преходни процеси в ТЕС. Независимо от мястото на провеждане, измерванията се осъществяват по принципната схема от фиг.4.1.

Най-съществено за ЦРЗ е да се запише токът на к.с. Iк.с. от ТПС и скоростта му на нарастване (di/dt). Регистрират се и напреженията на шините на изследваните ТПС.

Разгледаните к.с. за изследваните участъци са настъпили в метросъставите, когато те са излезли на установен режим на работа и се намират на определени места в изследвания участък, при нормална схема на захранване. Изследваните случаи са аналогични на аналитично изследваните в Глава 3.

29

На фиг. 4. 2 е показана графика на изключване на к.с., измерено в ТПС22. В таблица 4.1 е дадена причината за изключване и стойностите на различните параметри в ТЕС при самото изключване. Защитата, която e следяла развитието на процесите във веригата и е извършила изключването е от типа Sitras PRO.

≤ 10 V

≤ 1000 V

≤ 2000 V

≤ 4000 V

U

БДП

+ 825 V

Измервателен шунт Rш

Р-л

ДЕЛИТЕЛ НА НАПРЕЖЕНИЕ

4000A/60mV

Буфер усилвател

±300 mV

ЦРЗ

КОМПЮТЪР

LANКР

0...10V

Фиг. 4.1. Принципна схема на присъединяване на измервателната и защитна апаратура

От графиката на фиг. 4. 2. се вижда преходният процес развиващ се във

ТЕС по време на аварийния режим. Вижда се, че през времевия интервал от t = -115 ms до t = -30 ms токът в товара се колебае, все още няма трайно к.с., т.е. стартира аварийния процес в метросъстава. През този период тока във веригата има характер на тягов ток и ЦРЗ не стартира алгоритъм на разпознаване. През следващия времеви интервал от t = -10 ms до t =0, ms във веригата на метросъстава настъпва трайно к.с., което се вижда от кривата на нарастване на тока в този времеви интервал и ЦРЗ стартира алгоритъм на заработване по критерия за токово импулсна защита (ΔI di/dt).

4.1. Резултати от реални къси съединения, настъпили в ТЕС

Таблица 4. 1

Фиг. 4. 2. Графика на изменение на тока и напрежението на шините на ТПС 22

30

Този алгоритъм на разпознаване и заработване е за близки к.с. От

фиг. 4. 2. се вижда, че в момента t = 0 ms токът в тяговата верига е превишил настроените условия за заработване на ЦРЗ (di/dt ≥ 40 A/ms; ΔI = 2500 А) и тя подава сигнал за изключване на БДП. В разглеждания случай параметрите на тока на късо съединение са били са di/dt = 250 A/ms и ΔI = 2510 А. Вижда се, че ЦРЗ в новоизградените участъци бързо и селективно разпознава характера на процеса и предизвиква изключване на БДП при стойности на тока, щадящи комутационната апаратура.

Таблица 4. 1

Фиг. 4. 3. Графика на изменение на тока и напрежението на шините на ТПС 22 На фиг. 4. 3 е показана графика на изключване на к.с., измерено в ТПС

22. К.с. е настъпило във метросъстава на около 2000 m от ТПС 22. В таблица 4.2 е дадена причината за изключване и стойностите на различните параметри в ТЕС при самото изключване

4.2. Резултати от експериментално изследване и анализ на токовете

породени от метросъставите По отношение на подвижен състав на този етап в „Метрополитен” ЕАД

се експлоатират два типа метровагони. Първият тип - 81-717.4/81-714.4, са производство от края на 80-те години на миналият век с постояннотоково задвижване и резисторно-контакторно управление. Тези състави се експлоатират от 1998 г. и са произведени от „Метровагонмаш”, гр. Митищи, Московска област.

Вторият тип - 81-740.2/741.2 и 81-740.2Б/741.2Б, са с инверторно захранване, реализирано с IGB транзистори и асинхронно задвижване, като управлението е микропроцесорно.

За целите на експерименталното изследване, на 10.04.13 г. в ТПС 35 на МС „Хан Кубрат“ са извършени серия от записи на потегляния на метросъстави. Събраната информация за изменението на тяговите токове породени от метровагоните е систематизирана в 6 файла като в дисертационната работа са представени само най-интересните. За периода на измерванията са отчитани

31

както моментните стойности на токовете i така и скоростта им на нарастване (di/dt).

Интервалът от време, показан на фиг. 4.5, включва всички основни режими на движение на състава - ускоряване, движение по инерция и електрическо спиране с използване на рекуперация (интервалите от време през които графиката на тока има отрицателна стойност). Трябва да се отбележи, че алгоритъмът на управление по зададени параметри на движение на състава се определя от машиниста и се контролира автоматично от АЛС и АРС.

Фиг. 4. 5. Работен ток фидера на БДП62 на ТПС35 в нормален режим

За да се сравни аварийния и нормалния режим на работа на ТЕС е

необходимо да се изследва изменението на тока на захранващия фидер при пусков режим на различните типове меросъстави, използвани в „Метрополитен“ ЕАД. По този начин чрез експериментално изследване се установяват важни параметри на тяговите токове Imaxd, ΔI и (di/dt). Чрез изследване и сравнение за различните типове метросъстави се установяват оптималните настройки на РЗ, като по този начин се осигурява максимална селективност за конкретен участък от ТМ. Изследват се преходните процеси, настъпващи в ТЕС при потегляне на метросъставите.

Фиг. 4. 6. Работен ток фидера на БДП 62 на Фиг. 4. 7. Работен ток фидера на БДП 62 на ТПС35 в нормален режим при потегляне на ТПС35 в нормален режим при потегляне на

метросъстав тип 81-717.4 / 81-714.4 метросъстав тип 81-740.2/81-741.2

32

На фиг. 4. 6 е показан работният ток в нормален режим при потегляне на метросъстав тип 81-717.4 / 81-714.4. Вижда се, че максималната стойност на тока при потегляне на стария тип метросъстави е достигнала Imaxd=2103А, ΔI =940 А, а (di/dt)=30 А/ms. На фиг. 4.7 е показан работният ток в нормален режим при потегляне на метросъстав тип 81-740.2/81-741.2. Вижда се, че максималната стойност на тока при потегляне на стария тип метросъстави е достигнала Imaxd=2221А, ΔI =1409 А, а (di/dt)=30 А/ms. Чрез натрупването на подходящ експериментален материал в направеното изследване и обработката му посредством MS Excel бе установено, че средната стойност на тока на метросъстава, когато той е излязъл на установен режим е Id≈330 А.

ГЛАВА 5. Оптимизация на работата на РЗ на ТЕС На базата на получените резултати от аналитичното и експериментално

изследване на параметрите на преходните процеси при аварийни режими в ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД в настоящата глава е направено предложение за оптимизация на работата на ЦРЗ. Оптимизацията е съобразно сравнителния анализ на резултатите, получени при изследването на основните работни и гранични режими на експлоатираните в момента защити, както и съобразно изследванията за големината и характера на изменение на тяговите товари в ТЕС [5, 68, 70, 91].

Получените в Глава 3 и Глава 4 резултати за изменението на основните параметри при преходните режими на работа на ЦРЗ в Софийският метрополитен помогнаха при осъществяването на ретрофита на РУ 825 V.

На база на резултатите от Глава 3 и Глава 4 е предложено хардуерно решение чрез избор на подходящ тип микроконтролер, който да бъде вграден в РЗ на ТЕС от стар тип. Предложена е конкретна схемна реализация, като са описани основните функции и възможности.

5.1. Резултати от модернизацията на РУ 825 V ТПС. След направената модернизация на РУ 825 V многократно се повишиха

технически и работни показатели на ТПС 13. Това се вижда като се съпоставят параметрите на модернизираните съоръжения.

По долу са описани някои от основните предимства на новите съоръжения.

Подмяната на РЗ тип ČKD Praha NA7D2 с нови ЦРЗ тип Sitras DPU 96 се характеризират с редица предимства:

1. На първо място се избягват съществените недостатъци свързани с настройка, измерване, сигнализация и запис на процесите развиващи се в ТЕС;

2. Натоварват се по-малко измервателните преобразуватели и се дава възможност за използване на различни типове преобразуватели;

33

3. По-малка консумация на оперативните вериги; 4. По-добра точност и гъвкавост при настройките; 5. По-добър интерфейс и възможности за телеуправление; 6. Характерно за новите ЦРЗ Sitras DPU 96 е, че записват във вътрешна

памет всички процеси развиващи се в тяговата верига, както и стойностите на основните електрически параметри. Това дава възможност да се натрупва полезна информация, която може да се визуализира, обработва по определени критерии и анализира. Освен това, селективността на новата релейна защита е много по-голяма, тъй като критериите за заработване на новата РЗ са 4.

След инсталирането на операторския панел и възможността за дистанционно управление на местно ниво на съоръженията, безопасността на персонала при работа се увеличи, като освен това, визуализацията на състоянието на съоръженията и записването на предупредителните сигнали и авариите позволява бързо ориентиране на обслужващия персонал при конкретна ситуация.

Като цяло извършената модернизация многократно улесни работата на персонала и повиши работните параметри на уредбата. Новия тип ЦРЗ покрива най-новите европейски стандарти, като същевременно локализира и ограничава селективно и бързо аварийните режими, развиващи се в силовите електрозахранващи вериги.

Основната препоръка към ръководния екип на „Метрополитен“ ЕАД е да се ускори модернизацията на старите съоръжения за електроснабдяване на ЕПС, както и съоръженията за управление и защита, и при бъдещи модернизации да се извършват цялостни реконструкции въпреки нуждата от по-големи инвестиции.

5.2. Оптимизация на работата на РЗ на ТЕС чрез проектиранеЦРЗ за ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД

Тъй като електрооборудването на първия тип ТПС е поддържано в добро техническо състояние и комутационният ресурс на апаратите не е изчерпан по-надолу в Глава 5 е дадено предложение за хардуерно проектиране на ЦРЗ (Фиг. 5. 1). Проектирането е направено на базата на сравнителен анализ на предлаганите на пазара микропроцесорни контролери и е съобразено със съществуващата схема за РЗ и основните резултати получени от изследването в дисертационната работа. От направения подробен сравнителен анализ на ЦРЗ и входни преобразуватели в Глава 1 и Глава 2 на настоящия дисертационен труд се дефинират и необходимите портове за следене и контрол на първичните величини в ТЕС. Изискванията за това защитно устройство са резултат от аналитичните изследвания, проведени посредством разработения в Глава 2 математически модел и на база резултатите от експерименталните изследвания, описани в Глава 4.

34

За контрол на първичните величини и защита на ТЕС се дефинират следните входове: - TTL in RBO - този порт осигурява прекъсване, ако е разрешено и следи за евентуална промяна в посоката на протичане на тяговия ток (напр. при рекоперативен режим на работа на метросъстава). Необходимо е в токовата измервателна верига да се инсталира и операционен усилвател с двуполярно захранване, работещ като компаратор; - RA0 е програмиран да работи като 12 битово АЦП. Той е присъединен към токовия сигнал. Посредством този порт се следи моментната стойност на тока в ТЕС и при настъпване на дадено събитие токът се записва в оперативната памет на процесора; - RA1 е програмиран да работят като 12 битово АЦП и чрез него се следи напрежението. Този порт е присъединен към сигнала от сензорът за напрежение U; - RA3 е програмиран да работи като 12 битово АЦП и чрез него, и сензора на съпротивление, и 50Ω резистор при АПВ на БДП микропороцесора прави проверка на веригата в ТЕС за наличие на КС; - RA4 е програмиран да работи като 12 битово АЦП и чрез него и кабелния модул Д Изол. микропороцесора прави проверка на кабелната изолация на захранващите ТЕС фидери; - Портовете изведени на клемореда X2 могат да бъдат програмирани да работят и като входно/изходни устройства, като чрез тях по определен алгоритъм, както и по помощни вериги и със сигнализации, може да се управлява БДП; - RC6 и RC5 работят като серийни портове за предаване на данни по промишления протокол RS-485. Чрез тях може да се осъществява както връзка с вече изградената в „Метрополитен“ ЕАД SCADA система, така и с преносим компютър. Избрания микроконтролер PIC16F1788 се произвежда и в модификация PIC16F1789. При тази модификация микроконтролера разполага не с 28 програмируеми порта, а с 48. Предвид този факт при разработването на развойната платка се предвижда цокъл за микроконтролер с 48 пина. Това позволява при необходимост да бъдат управлявани и други съоръжения от ТЕС (тунелни разединители, секционни разединители и други). Всички входове и изходи на микроконтролера с цел безопасност и надеждност са разделени от първичните вериги чрез използването на оптронни двойки. Предимството тази ЦРЗ е факта, че портовете, които следят първичните величини са програмируеми и по този начин тази ЦРЗ може да бъде монтирана във вериги с различни видове входни преобразуватели. Също така на тази ЦРЗ може да бъде програмирана и използвана като мрежов анализатор за постоянно напрежение, което да следи и записва преходните процеси в ТЕС. По този начин, при стартиране на разпознаване на

35

к.с. в схемите за РЗ при старите типове ТПС ( РЗ тип NA7D2) процесът може да бъде записан и след това анализиран.

БДП

+825 V

Р-л

Кабели

датчик на напрежение

Rtest, 50Ω

ДR

ДI

ДU

R сигнал

TTL in

I сигнал

U сигнал

сигналИзол

сигнал0C

КР

Д ИзолRS 485

X1

X2R

C0

RC

1

RC

2

RC

3

RC

4

RC

7

RB

1

RB

2

X3

RB

3

RB

4

RB

5

RB

6

RB

7

RA

7

RA

6

RA

5X1

TTL 0/I

TTL 0/I

Фиг. 5. 1. Примерна схема на реализация на контролния модул на проектираната на база

PIC16F1788 ЦРЗ

36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В дисертационната работа са изследвани основните режими на работа на

релейните защити в “Метрополитен” ЕАД, посредством провеждане на разширено експериментално и аналитично изследване на процесите в ТЕС. Анализирани са получените резултати и са предложени технически решения за подобряване на тяхната функционалност и модернизация. Основните резултати от направените изследвания са представени в подходящ вид така, че да бъдат използвани при предстоящи модернизации и разработване на нови ЦРЗ.

Съгласно резултатите от получените теоретични и експериментални изследвания може да се формулират следните основни изводи:

1. Направен е сравнителен анализ на основните параметри на видовете входни преобразуватели, намиращи приложение в основните схеми на управление и защити на ТЕС. Извода е, че до голяма степен работата на съвременните микропроцесорни защити зависи от качеството и характеристиките на тези устройства. Тяхната степен на чувствителност, надеждност и бързодействие определят надеждната работа на РЗ и ЦРЗ в ТЕС.

2. Направеното изследване и анализ на входни устройства в Глава 1 е послужило като основа при реализацията на експерименталните и теоретични изследвания на функционалността на релейните защити в „Метрополитен“ ЕАД, както и в предложеният вариант за хардуерно изграждане на ЦРЗ в Глава 6 на дисертационния труд.

3. В Глава 2 е създаден математически модел за изчисляване на основните параметри на преходните процеси при къси съединения в ТЕС на Софийското метро. Чрез реализираният модел, създаден на базата на реална заместваща електрическа схема, са отразени максимално точно процесите при преходните аварийни режими развиващи се в ТЕС;

4. На базата на математическия модел е създаден имитационен модел на ТЕС, посредством програмния продукт MATLAB Simulink. Анализирани са възможностите на програмната система, като посредством използване на програмната среда и симулационните блокове на продукта е моделирана ТЕС на “Метрополитен” ЕАД. Изследвани са стар и нов тип ТПС, динамично моделиране на ТМ в аварийни режими, както и различни варианти на метросъстави.

5. Получени са масиви от данни съответстващи на моментните стойности на токовете и напреженията в отделните елементи на електрическата верига в определен момент от време. На тази основа са определени основните показатели и характеристики, характеризиращи аварийните режими на работа на ТЕС и к.с.. Определени са основните параметри на ТЕС при к.с. и са сравнени с тези получени при реални измервания. На тази база е проверена истинността на създаденият математически модел в Глава 4.

6. В Глава 3 е представена методика за изчисляване на преходни процеси при к.с. на базата на създадения математически модел на ТЕС на Софийския

37

метрополитен. Определени са началните условия, направена е оценка на приложимостта на методиката при изследване на преходните процеси при аварийни режими симулирани посредством Matlab Simulink. Представената методика е използвана при аналитичното определяне на параметрите на ТЕС при нормални и аварийни режими и изготвяне на сравнителни анализи на резултатите с тези получени от реални аварийни измервания.

7. Резултатите от проведените изследвания са използвани за решаване на конкретни проблемни задачи при експлоатацията и определяне на режима на работа (настройка) на използваните ЦРЗ в ТЕС. В Приложение 8 е показан потвърдителен документ от „Метрополитен“ ЕАД.

8. Основният извод е, че за подобряване работата на РЗ в старите ТПС и за създаване на възможност за анализиране на преходните процеси настъпващи в тях, е необходимо разработване на иновативно техническо решение по посока на тяхната модернизация. Модернизация и предложение за хардуерно решение на ЦРЗ е показано в Глава 5.

9. В Глава 4 е извършено разширено експериментално изследване на работни и аварийни режими в ТЕС на “Метрополитен” ЕАД – София. Изследвани са къси съединения и преходни процеси, показани са реални графични изменения на основните параметри и характеристики определящи характера на аварийният режим, направен е анализ на изменението им. Използвана е специализирана измервателна микропроцесорна техника. Изследвани са реални аварийни режими (к.с.), провокирани от метросъставите и е проверена истинността на резултатите получени от математическия модел и симулациите представени в Глава 4.

10. От коректният избор на условията, при които са направени експерименталните и аналитични изследвания, и от получените резултати е направено заключението, че разработените математически и симулационен модел на ТЕС за „Метрополитен“ ЕАД има достатъчно висока точност (95%) при отчитане на параметрите на преходните процеси.

11. Основните резултати от изследването са използвани при настройките на граничните режими на работа на ЦРЗ в „Метрополитен“ ЕАД, както и при модернизацията и проектирането на ЦРЗ в Глава 5.

12. В Глава 5 е направеното предложение за конкретна схемна реализация на ЦРЗ, даваща възможност за проектиране и изработване на българска цифрова релейна защита, адаптирана за нуждите и специфичните особености на процесите в Софийският метрополитен.

13. Създадена е техническа възможност за оптимална адаптивна настройка на режимите на работа на използваните в момента релейни защити, съобразно специфичните особености на отделните метроучастъци.

38

ПРИНОСИ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯТ ТРУД Научни приноси на дисертационната работа:

1. Направено е теоретично разглеждане на основните видове РЗ

използвани в тяговите мрежи за постоянен ток и на тази база е изготвен сравнителен анализ на параметрите им. Анализирани са видовете входни преобразуватели, намиращи приложение в основните схеми за управление и защити на ТЕС.

2. Създаден е математичен модел за изчисляване на основните параметри на преходните процеси при къси съединения в ТЕС на Софийското метро. Моделът е реализиран чрез реална заместваща електрическа схема, основни елементи и параметри, отразяващи максимално точно процесите при преходните аварийни режими развиващи се в ТЕС. Високата точност на модела е потвърдена чрез проведени аналогични експериментални изследвания.

3. Създадена е методика за изчисляване на преходни процеси при къси съединения на базата на създадения математически модел на ТЕС на Софийския метрополитен. Определени са началните условия, направена е оценка на приложимостта на методиката при изследване на преходните процеси при аварийни режими симулирани посредством Matlab Simulink.

4. Направени са теоретични изследвания на основните параметри определящи точността, селективността и бързодействието на РЗ с помощта на математическото моделиране и специализирани програмни продукти.

5. По създадена методика са проведени реални експериментални измервания, като за целта е избрана подходяща специализирана измервателна техника. Направен е аргументиран анализ на основните технически и организационни насоки за повишаване на селективността на РЗ.

6. Направен е сравнителен анализ на получените резултати от теоретичните и експериментални изследвания на енергийните параметри на ЕТС и на тази база е определена истинността на модела. Направени са анализ и експертна оценка на качеството на експлоатираните РЗ и са анализирани техническите възможности за повишаване на ефективността им.

7. На базата на съставена методика е предложена конкретна схемна реализация на ЦРЗ на българска цифрова защита, адаптирана за нуждите и специфичните особености на процесите в Софийският метрополитен.

Научно-приложни и приложни приноси на дисертационната работа:

1. На базата на математическият модел е създаден имитационен модел на ТЕС посредством програмния продукт MATLAB Simulink. Анализирани са възможностите на програмната система, моделирана е ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД. Изследвани са експлоатираните ТПС, динамичното моделиране на ТМ в аварийни режими.

39

2. Получените са масиви от данни съответстващи на моментните стойности на токовете и напреженията в отделните елементи на електрическата верига в определен момент от време. На тази основа са определени основните показатели и характеристики, характеризиращи аварийните режими на работа на ТЕС и къси съединения. Определени са основните параметри на ТЕС при къси съединения и са сравнени с тези получени при реални измервания;

3. Направено е разширено експериментално изследване на работни и аварийни режими в ТЕС на „Метрополитен“ ЕАД – София. Изследвани са к.с. и преходни процеси, показани са реални графични изменения на основните параметри и характеристики определящи характера на аварийният режим, направен е анализ на изменението им. Използвана е специализирана измервателна микропроцесорна техника.

4. По разработена методика са направени експериментални и аналитични изследвания, получени са конкретни резултати и е изготвен анализ за точността на разработените модели на ТЕС за „Метрополитен“ ЕАД. Определена е тяхната степен на приложимост за извършване на технически анализи и експертни оценки на качествата на експлоатираните ЦРЗ в „Метрополитен“ ЕАД.

5. Основните резултати от изследването са адаптирани с цел подобряване на настройките на граничните режими на работа на ЦРЗ в „Метрополитен“ ЕАД, както и при проектирането на ЦРЗ.

6. Проектирана е конкретна схемна реализация на ЦРЗ адаптирана за нуждите и специфичните особености на процесите в Софийският метрополитен.

7. Работата по дисертационния труд и получените резултати дават техническа възможност за оптимална адаптивна настройка на режимите на работа на използваните в момента релейни защити, съобразно специфичните особености на отделните метроучастъци.

ДОКЛАДВАНЕ НА РЕЗУЛТАТИТЕ ОТ ДИСЕРТАЦИОННАТА РАБОТА

Основните резултати от дисертационната работа са докладвани и

обсъждани на конференции и семинари провеждани у нас, както и са публикувани в научни списания. Списъка на публикациите е:

1. Лалев Т. Съвременна релейна защита в тяговите електрически вериги за

постоянен ток на Столичния метрополитен, НДЕТ, Сборник с публикации „Електротранспорт 2010”, София, 2010 г.

2. Павлов Г., Т. Лалев. Изследване и анализ на режимите на работа и техническите параметри на цифровите релейни защити използвани в тяговите вериги на Столичния метрополитен. III Научна конференция, Електротехнически факултет, ЕФ 2011, ТОМ 1,Созопол, 30 Септември – 3 Oктомври 2011 г.

3. Миленов Ив., Т. Лалев. Изследване на състоянието на електробезопасността на пътниците в Столичния метрополитен, НДЕТ,

40

Електроенергетика и електротранспорт – Съвременно развитие и преспективи , София, 2012 г.

4. Lalev T., Iv. Milenov. Monitoring system for measurement and analysis of industrial system of power of “Metropoliten” JSC, XII-th International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies, SIELA 2012, Proceedings Volume II, 28-30 May 2012 Burgas, Bulgaria.

5. Лалев Т. Модернизация на разпределителна уредба 825 V захранваща тягови електрически вериги в „Метрополитен“ ЕАД, IV Научна конференция, Електротехнически факултет, ЕФ 2012, ТОМ 1,Созопол, 28 Септември - 1 Oктомври 2012 г.

6. Лалев Т. Изследване и анализ на преходни процеси при аварийни режими в тяговите електрозахранващи вериги на „Метрополитен“ ЕАД, Годишник на Техническия Университет-София, Том 63, книга 6, 2013, V-та Конференция на Електротехнически факултет „ЕФ 2013“, 2 - 5 Септември 2013 г., Созопол, България.

7. Лалев Т. Моделиране посредством MATLAB Simulink на аварийни режими в тяговите електрозахранващи вериги на „Метрополитен“ ЕАД, ФНСТ, Дванадесета национална младежка научно-практическа конференция 2014, Сборник доклади14 - 15 април 2014 г.

41

STUDY OF INPUT CONVERTERS AND DIGITAL RELAY PROTECTIONS IN DC TRACTION POWER SUPPLY

Sofia problems associated with several times increased passenger flow in

recent years determine the need to build effective mass transport and therefore rapid expansion and development of the metropolitan subway.

At present, the major transport system in the capital is "Metropolitan" EAD, so any occurrence of accidents in its systems results in large losses and severe and sometimes irreversible consequences.

The development of power supply systems for the electric transport in recent years is oriented in a qualitatively new direction, associated not only with a change of equipment in electrical traction power system, but is also changing the type and requirements of the management, monitoring and relay protection (DRP). Due to the dynamic development of microprocessors, the current DRT are able to cover the specific demands applied in the power supply system of the electrical transport. Of course, the need of familiarity with the basics and particularities of electrical traction power system (PES) is obvious in nominal conditions as well as in case of emergency.

This dissertation is consistent and methodical study of all parameters and characteristics of the existing relay and digital protections in PES of “Metropolitan” EAD in both normal and emergency working conditions. All cases are presented with experimental and analytical data using real information obtained from appropriate metro sections. Based on the study an educated proposition is made how to increase the efficiency of currently installed digital equipment and hardware schema adapted for creation of Bulgarian DRP oriented to the needs of the equipment of “Metropolitan” EAD.

The actuality of the cases covered in the thesis is also related to the developed mathematical model of a typical PES in "Metropolitan" EAD. The model is applied in MATLAB simulation of transients in different metro sections under various emergency modes. By analyzing the results of the experimental measurements of similar regimes the high degree of certainty of this model is proven allowing new sections of the railroad to be designed in a better way using the theoretical data obtained.