Повышение надежности функционирования защит тяговой сети карьерного железнодорожного транспорта

Проблема надежного функционирования защит фидеров тяговой сети постоянного тока возникла с момента начала развития электрического транспорта, роста мощности электроподвижного состава и скоростей движения. Для ее решения развитыми странами предложены сотни устройств, направленных на повышение надежности функционирования, но полностью задача до настоящего времени не решена, а многие предложения (патенты) так и остались не реализованными, в том числе и на тяговых подстанциях горнодобывающих предприятий (ГДП) и электроподвижном составе карьерного железнодорожного транспорта (ЭПС) [1,2]. Причина в том, что все типы защит реагировали на один параметр: ток, напряжение, сопротивление, нагрев токоведущих частей и другие. Создание цифровых устройств позволило создать комплекты защит, реагирующих на несколько признаков переходного процесса в тяговой сети, а их совместное возникновение может характеризовать аварийный режим и выдать команду на отключение линии (фидера). Диапазон возможных значений установившихся токов короткого замыкания (КЗ) достаточно широк [3—5]. Авторами определены, в отдельных режимах уточнены в мониторинге значения токов КЗ, и особенно скорости изменения тока (di/dt), которые могут быть использованы как признак КЗ в сочетании с другими факторами в цифровых защитах. Установлено, что при пробое изоляции или силовых полупроводниковых приборов (СПП) в преобразователях тяговых подстанций ток КЗ зависит от параметров схемы внешнего электроснабжения и преобразовательного агрегата и может достигать 20…80 кА. Опыт эксплуатации комплектов в составе классической максимально-импульсной защиты (МИЗ) и многоканального цифрового терминала (Inter) выявил сложности в выборе типов защит цифрового терминала, определении зоны их действия и уставок, а также согласовании с МИЗ. Малые токи удаленных КЗ также представляют опасность для электрооборудования, так как в подавляющем большинстве случаев в месте КЗ возникает электрическая дуга, падение напряжения в которой составляет 200…500 В, в месте КЗ выделяется большое количество тепла. В результате исследований, проведенных для Западно-Сибирской железной дороги, предложен алгоритм настройки уставок защит терминала и МИЗ, определения зон их действия на основе математического моделирования и использования мониторинга режимов работы тяговой сети, что позволило значительно повысить надежность функционирования комплекта защиты. Таким образом, при любых видах нарушений нормального режима работы системы электрического транспорта (ТП — ТС — ЭПС) на ГДП необходимо принимать меры по ликвидации опасных последствий этих нарушений. Эти функции выполняет защита соответствующего элемента тяговой сети горнодобывающих предприятий.

Кузнецов С. М., Андрияшин С. Н. Повышение надежности функционирования защит тяговой сети карьерного железнодорожного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12–2. — С. 143—156. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_122_0_143.

Сергей Михайлович Кузнецов¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: ksmetk@mail.ru;
Сергей Николаевич Андрияшин¹ — ассистент, e-mail: andriyashin.2014@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000-0003-1575-8933;
¹ Новосибирский государственный технический университет.

Андрияшин С. Н., e-mail: andriyashin.2014@corp.nstu.ru.

1. Малафеев С. И., Малафеев С. С. К анализу энергетических процессов в питающей сети при работе карьерного экскаватора // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3. — С. 126–137. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-30−126−137.

2. Абрамов Б. И., Иванов А. Г., Шиленков В. А., Кузьмин И. К., Шевырев Ю. В. Электропривод современных шахтных подъемных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 5—2. — С. 145—162. DOI: 10.25018/0236_149 3_2022_52_0_145.

3. Murzintsev A., Korolev A., Zhgun K., Baembitov R. Short-circuit Current Reduction in Auxiliary Network of Traction Substations // Transportation Research Procedia. 2021, vol. 54, pp. 346–354, DOI: 10.1016/j.trpro.2021.02.082.

4. Boige F., Richardeau F., Lefebvre S., Cousineau M. SiC power MOSFET in shortcircuit operation: Electro-thermal macro-modelling combining physical and numerical approaches with circuit-type implementation // Mathematics and Computers in Simulation. 2019, vol. 158, pp. 375–386, DOI: 10.1016/j.matcom.2018.09.020.

5. Yang X., Gu J., Zheng T. Q., Zhao Z. Faults and reliability analysis of negative resistance converter traction power system // Microelectronics Reliability. 2020, vol. 114. DOI: 10.1016/j.microrel.2020.113911.

6. Farhadi M., Mohammed O. A. Protection of multi-terminal and distributed DC systems: Design challenges and techniques // Electric Power Systems Research. 2017, vol. 143, pp. 715–727. DOI: 10.1016/j.epsr.2016.10.038.

7. Huo Q., Xiong J., Zhang N., Guo X., Wu L., Wei T. Review of DC circuit breaker application // Electric Power Systems Research. 2022, vol. 209. DOI: 10.1016/j. epsr.2022.107946.

8. Kuznetsov S. M., Orlova I. V., Lisichko O. I. Theory and a posteriori practical methods for calculating the reliability of electrical equipment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering,2019. — Vol. 560(1),012135. DOI:10.1088/1757−899X/560/1/012135.

9. Kuznetsov S. M., Myatezh A. V., Rozhkova M. V., Tenkovskaya S. A., Akifeva E. V., Ivanov A. V. Service system and monitoring of information terminals for protection of railway lines of long-distance trains // Journal of Physics: Conference Series. 2019, vol. 1333, iss. 4, art. 042023,6 p. DOI:10.1088/1742−6596/1333/4/042023.

10. Бадер М. П., Гречишников В. А., Шевлюгин М. В., Король Ю. Н. Анализ показателей работы силового оборудования системы тягового электроснабжения ОАО «РЖД» на основе мониторинга показателей АСКУЭ тяговых подстанций в режиме реального времени // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2011. — № 5−6. — С. 5–8.

11. Демиденко И. С., Ярославцев М. В., Кривова А. О. Математическое моделирование переходных процессов в тяговой сети // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ. — 2010,207 с.

12. Аржанников Б. А., Бадер М. П., Бурков А. Т., Котельников А. В., Набойченко И. О. Совершенствование основных требований к системе и устройствам тягового электроснабжения постоянного тока // Электротехника. — 2016. — № 9. — С. 51–57.

13. Xia M., Zhou Y., Huang Y., Yang H., Tai Y. Research on Short-Circuit Characteristics of Subway DC Traction Power Supply System // IECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. 2020, pp. 3456–3460. DOI: 10.1109/ IECON43393.2020.9254651.

14. Radu P. V., Lewandowski M., Szelag A., Steczek M. Short-Circuit Fault Current Modeling of a DC Light Rail System with a Wayside Energy Storage Device // Energies. 2022, vol. 15. DOI: 10.3390/en15103527.

15. Teymourfar R., Fard R. N., Asaei B. Iman-Eini H. Energy recovery in a metro network using stationary supercapacitors // 2nd Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference. 2011, pp. 324–329. DOI: 10.1109/PEDSTC.2011.5742440.

16. Жарков Ю. И., Фигурнов Е. П. Проблемы организации защиты тяговой сети постоянного тока от коротких замыканий при повышенных тяговых нагрузках // Электрификация транспорта. — 2014. — № 7. — C. 28–31.

17. Yu L., He J. H., Hu J., Bo Z. Q., Li M. X., Yip T., Klimek A. Accurate track modeling for fault current on DC railways based on MATLAB/Simulink // Power and Energy Society General Meeting,2010 IEEE. 2010, pp. 1–6. DOI: 10.1109/PES.2010.5590135.

18. Du F., He J. H., Yu L., Li M. X., Bo Z. Q., Klimek A. Modeling and Simulation of Metro DC Traction System with Different Motor Driven Trains // Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), IEEE 2010 Asia-Pacific. 2010, pp. 1–4. DOI: 10.1109/ APPEEC.2010.5448372.

19. Sun L., Wu M., Sun J., Yang S. Simulation of Short-Circuit Fault Occurring on Subway Train // Proceedings of the 3rd International Conference on Electrical and Information Technologies for Rail Transportation (EITRT). 2018, pp. 585–595. DOI: 10.1007/978-98110-7986−3_60.

20. Arboleya P., Mayet C., Mohamed B., Aguado J. A., Torre S. A review of railway feeding infrastructures: Mathematical models for planning and operation // eTransportation. 2020, vol. 5. DOI: 10.1016/j.etran.2020.100063.

21. Демиденко И. С. Повышение эффективности защиты тяговой сети постоянного тока: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. — М.: Новосибирский государственный технический университет,2013. — 19 с.

22. Shilong C., Zihang Z., Hao L., Guihong B., Chao X., Pengsong L., Wenying Z. Traction Network Protection Based on Similarity of Transient Current Waveform // Frontiers in Energy Research. 2022, vol. 10. DOI: 10.3389/fenrg.2022.865602.