ES2507465A1 - Location system for the section with ground fault in biphasic railway power lines with autotransformers (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Sistema de localización del tramo con falta a tierra en líneas de alimentación eléctrica ferroviarias bifásicas con autotransformadores. Track location system with earth fault in two-phase railway power lines with autotransformers.
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La presente patente de invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de localización del tramo con falta a tierra en líneas de alimentación eléctrica ferroviaria, con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores, con el que se consigue 10 identificar de manera inmediata el subtramo de la línea conectada a una subestación en el que ha ocurrido una falta a tierra y el conductor en el que ha sucedido, permitiendo así aislar rápidamente dicho subtramo y conductor sin afectar al resto. The object of the present invention patent is to present a new system for locating the section with a ground fault in railway power supply lines, with two-phase structure of conductors in alternating current with autotransformers, with which it is possible to immediately identify the sub-section of the line connected to a substation in which a ground fault has occurred and the conductor in which it has happened, thus allowing to quickly isolate said sub-section and conductor without affecting the rest.
En las líneas ferroviarias de alta velocidad se está utilizando habitualmente (por tener, entre otras, las ventajas de una mayor transmisión de potencia a los trenes y una menor caída de tensión con la distancia a la subestación de alimentación) un sistema de alimentación con dos conductores, uno positivo, con tensión alterna con polaridad positiva con respecto a tierra, y 20 otro negativo, con tensión alterna con polaridad negativa también con respecto a tierra, aunque la alimentación del tren se realiza entre el conductor positivo y el carril unido a tierra. En este sistema, a intervalos regulares dentro de cada tramo de la línea, se instalan varios autotransformadores conectados, un extremo de ellos al conductor positivo, la toma central al raíl unido a tierra, y el otro extremo del autotransformador al conductor negativo. 25 In high-speed rail lines, the advantages of a higher power transmission to trains and a lower voltage drop with the distance to the power substation are being used, among others, a power system with two conductors, one positive, with alternating voltage with positive polarity with respect to ground, and another negative, with alternating voltage with negative polarity also with respect to ground, although the train is fed between the positive conductor and the rail connected to ground . In this system, at regular intervals within each section of the line, several connected autotransformers are installed, one end of them to the positive conductor, the central socket to the rail connected to the ground, and the other end of the autotransformer to the negative conductor. 25
Si en un sistema de alimentación clásico de un solo conductor y retorno a tierra la mayoría de las faltas se producen por un cortocircuito entre el conductor de alimentación y tierra, también en el sistema bifásico la mayor parte de ellas se produce por cortocircuito entre el conductor positivo y tierra ó el conductor negativo y tierra. Sin embargo, los procesos de detección, 30 localización y eliminación de una falta eléctrica son mucho más complicados en los sistemas bifásicos más tierra, al estar unidos en cada subtramo los tres conductores mediante autotransformadores. La razón de esta dificultad es que, la impedancia que presenta la línea en falta medida desde la subestación en un sistema de un solo conductor, es lineal con la distancia a la que ha ocurrido la falta, y se puede determinar así la posición de dicha falta; 35 mientras que en los sistemas bifásicos con autotransformadores la variación de dicha impedancia con la distancia a la falta, no es lineal, sino que el diagrama es curvo en cada subtramo entre autotransformadores, alcanzando justo en ellos un valor inferior. De acuerdo a dicho diagrama, no se puede determinar por un determinado valor de la impedancia la distancia a la falta, con lo que es muy importante identificar el subtramo entre 40 autotransformadores y el conductor positivo ó negativo en el que la falta a tierra ha ocurrido. If in a classic single-conductor power supply and return to ground, most of the faults are caused by a short circuit between the power and ground conductor, also in the two-phase system most of them are caused by a short circuit between the conductor positive and earth or the negative conductor and earth. However, the processes of detection, location and elimination of an electrical fault are much more complicated in the two-phase systems plus earth, since the three conductors are connected in each sub-section by means of autotransformers. The reason for this difficulty is that, the impedance presented by the fault line measured from the substation in a single-conductor system is linear with the distance at which the fault occurred, and the position of said fault can be determined. lack; 35 while in the two-phase systems with autotransformers the variation of said impedance with the distance to the fault is not linear, but the diagram is curved in each sub-section between autotransformers, reaching just a lower value in them. According to this diagram, the distance to the fault cannot be determined by a certain value of the impedance, so it is very important to identify the sub-segment between 40 autotransformers and the positive or negative conductor in which the ground fault has occurred .
El sistema objeto de la presente invención permite conocer rápidamente el subtramo y el 45 conductor en el que ha ocurrido una falta a tierra, y desde un centro de control se puede aislarlos inmediatamente mediante dispositivos de conexión y desconexión, y así proceder a restablecer el servicio a los subtramos no afectados mediante su reconexión eléctrica. The system object of the present invention allows to quickly know the sub-section and the conductor in which a ground fault has occurred, and from a control center it can be isolated immediately by means of connection and disconnection devices, and thus proceed to restore the service to the sub-sections not affected by their electrical reconnection.
El sistema de localización del tramo con faltas a tierra en líneas o sistemas de alimentación ferroviaria con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores 50 comprende: The location system of the section with earth faults in lines or railway feeding systems with biphasic structure of conductors in alternating current with autotransformers 50 comprises:
- Un dispositivo sensor por cada uno de los autotransformadores intermedios, que mide la intensidad entrante en el devanado del autotransformador conectado al conductor de alimentación, y la tensión del conductor de alimentación del tendido ferroviario en el punto de conexión con dicho autotransformador. En caso de que la 5 línea alimentada por la subestación ferroviaria sólo tenga dos subtramos (y por tanto un solo autotransformador intermedio), el sistema precisa instalar un dispositivo sensor en el autotransformador final además del correspondiente al autotransformador intermedio. - A sensor device for each of the intermediate autotransformers, which measures the incoming intensity in the winding of the autotransformer connected to the power conductor, and the voltage of the power conductor of the railway laying at the point of connection with said autotransformer. In the event that the 5 line fed by the railway substation only has two sub-sections (and therefore a single intermediate autotransformer), the system needs to install a sensor device in the final autotransformer in addition to the one corresponding to the intermediate autotransformer.
- Un dispositivo analizador por cada autotransformador intermedio que compara el 10 desfase entre la intensidad y la tensión medidas por cada conjunto sensor, y procesando estas medidas envía el resultado a la subestación eléctrica de alimentación. Al igual que el conjunto sensor, se necesita un dispositivo analizador en el autotransformador final en caso de sólo dos subtramos. - An analyzer device for each intermediate autotransformer that compares the gap between the intensity and voltage measured by each sensor set, and processing these measurements sends the result to the power supply substation. Like the sensor assembly, an analyzer device is needed in the final autotransformer in case of only two sub-sections.
- Un controlador en la subestación que recibe las señales de cada dispositivo 15 analizador y, mediante ellas, determina en qué subtramo entre autotransformadores y en qué conductor, se ha producido la falta a tierra. - A controller in the substation that receives the signals from each analyzer device 15 and, by means of them, determines in which sub-section between autotransformers and in which conductor, the ground fault has occurred.
- Un equipo de presentación conectado al controlador que recoge la señal de salida de éste y muestra los resultados a un operador. - A presentation device connected to the controller that collects the output signal from it and displays the results to an operator.
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El conjunto dispositivo sensor obtiene unas señales proporcionales a la intensidad que entra en el devanado de cada autotransformador y a la tensión en la conexión del conductor de alimentación. The sensor device assembly obtains signals proportional to the intensity that enters the winding of each autotransformer and to the voltage in the connection of the supply conductor.
En caso de falta el analizador envía una incidencia al controlador, que a su vez indica en el equipo de presentación el tipo y el tramo donde se ha producido la falta. 25 In case of failure, the analyzer sends an incident to the controller, which in turn indicates in the presentation team the type and the section where the fault occurred. 25
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña la presente memoria 30 descriptiva, formando parte integrante de la misma, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that will then be made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, the present descriptive report 30 is attached, forming an integral part thereof, a set of drawings where for illustrative purposes and non-limiting, the following has been represented:
La figura 1.- muestra un esquema del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con 35 autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. Figure 1 shows a scheme of the location system of the section with earth faults in railway power lines fed with a two-phase conductor system with 35 autotransformers, object of the present invention patent.
La figura 2.- muestra la relación lineal de la impedancia vista desde la subestación en función de la distancia a la falta en los sistemas de alimentación ferroviaria de un solo conductor. Figure 2.- shows the linear relationship of the impedance seen from the substation as a function of the distance to the fault in the single-conductor rail power systems.
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La figura 3.- muestra la relación no lineal de la impedancia vista desde la subestación en función de la distancia a la falta en los sistemas de alimentación ferroviaria de dos conductores con autotransformadores, a los que es aplicable la presente invención. Figure 3.- shows the non-linear relation of the impedance seen from the substation as a function of the distance to the fault in the two-conductor rail feeding systems with autotransformers, to which the present invention is applicable.
La figura 4.- muestra una realización preferente del sistema de localización del tramo con faltas 45 a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. Figure 4.- shows a preferred embodiment of the location system of the section with earth faults 45 in railway power lines fed with a two-phase conductor system with autotransformers, object of the present invention patent.
La figura 5.- muestra un posible esquema para mostrar el resultado obtenido en la pantalla del equipo de presentación al producirse una falta entre el conductor de alimentación positivo y 50 tierra en el subtramo comprendido entre el segundo autotransformador y el autotransformador Figure 5.- shows a possible scheme to show the result obtained on the display of the presentation equipment when a fault occurs between the positive power conductor and 50 earth in the sub-section between the second autotransformer and the autotransformer
final del tramo. end of the section
La figura 6.- muestra un esquema del tramo ferroviario alimentado desde una subestación en caso de funcionamiento normal con carga de un tren. Figure 6 shows a diagram of the railway section fed from a substation in case of normal operation with a train load.
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La figura 7.- muestra el ángulo de unos 180º que forma la intensidad entrante al autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador, en el caso de funcionamiento normal. Figure 7 shows the angle of about 180º that forms the incoming intensity to the autotransformer with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the autotransformer, in the case of normal operation.
La figura 8.- muestra el ángulo de unos 90º que forma la intensidad entrante al 10 autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador en el caso de falta entre el conductor positivo y tierra. Figure 8 shows the angle of about 90 ° that forms the incoming intensity to the autotransformer with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the autotransformer in the case of a fault between the positive conductor and ground.
La figura 9.- muestra el ángulo de unos 270º que forma la intensidad entrante al autotransformador con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al 15 autotransformador, en el caso de falta entre el conductor negativo y tierra. Figure 9 shows the angle of about 270º which forms the incoming intensity to the autotransformer with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the autotransformer, in the case of a fault between the negative conductor and ground.
La figura 10.- muestra otra realización preferente del sistema de localización del tramo con faltas a tierra en tendidos eléctricos ferroviarios alimentados con sistema de conductores bifásico con autotransformadores, en el caso de que sólo haya dos subtramos en el tramo 20 alimentado desde la subestación. Figure 10.- shows another preferred embodiment of the location system of the section with earth faults in railway power lines fed with a two-phase conductor system with autotransformers, in the case that there are only two sub-sections in section 20 fed from the substation.
Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la invención aplicable en la 25 localización del tramo con faltas a tierra de tendidos de alimentación eléctrica en redes ferroviarias, incluye el correspondiente tendido eléctrico con el conductor de tierra (1), el conductor positivo ,(2) y el conductor negativo (3), incluyendo los autotransformadores (4), y estableciéndose entre estos los considerados sub-tramos A, B, C, de manera que cada autotransformador (4) incorpora un dispositivo sensor (5) y un dispositivo analizador (6), todo 30 ello relacionado con la correspondiente subestación (7) de alimentación del tramo ferroviario que se pretende controlar, y en donde se ha previsto un controlador (8) para obtener el resultado y un equipo de presentación (9) que presenta los resultados al operador. As can be seen in the aforementioned figures, the system of the invention applicable in the location of the section with earth faults of power supply lines in rail networks, includes the corresponding power line with the earth conductor (1), the conductor positive, (2) and the negative conductor (3), including the autotransformers (4), and establishing among these those considered sub-sections A, B, C, so that each autotransformer (4) incorporates a sensor device (5) and an analyzer device (6), all related to the corresponding power substation (7) of the railway section to be controlled, and where a controller (8) is provided to obtain the result and a presentation equipment ( 9) that presents the results to the operator.
De acuerdo con la figura 4, donde se muestra la realización preferente, el dispositivo sensor 35 (5), en cada caso, comprende un transformador de intensidad (10) y un transformador de tensión (11), de manera tal que el transformador de intensidad (10) se instala en el extremo positivo del autotransformador (4) para que mida la corriente que entra en el autotransformador desde el conductor positivo, mientras que el transformador de tensión (11) está instalado de forma tal que medirá la tensión del conductor de alimentación positivo (2). 40 According to Figure 4, where the preferred embodiment is shown, the sensor device 35 (5), in each case, comprises an intensity transformer (10) and a voltage transformer (11), such that the transformer of intensity (10) is installed at the positive end of the autotransformer (4) to measure the current entering the autotransformer from the positive conductor, while the voltage transformer (11) is installed in such a way that it will measure the conductor voltage positive feed (2). 40
Como dispositivo analizador (6) se utilizará preferentemente un relé de sobreintensidad direccional que actúa cuando se produce una falta a tierra (1), cumpliéndose determinadas condiciones. As an analyzer device (6), a directional overcurrent relay will be used, which acts when a ground fault (1) occurs, with certain conditions being met.
45 Four. Five
El transformador de intensidad (10) y el transformador de tensión (11), se conectan al relé de sobreintensidad direccional, es decir al dispositivo analizador (6), de manera que de cada relé se conectan dos salidas al controlador (8) situado en la propia subestación (7). The current transformer (10) and the voltage transformer (11) are connected to the directional overcurrent relay, that is to say to the analyzer device (6), so that from each relay two outputs are connected to the controller (8) located in the substation itself (7).
El controlador (8) es un controlador lógico programable PLC que recibe las señales de los 50 distintos relés o dispositivos analizadores (6) y mediante ellos determina en que subtramo The controller (8) is a PLC programmable logic controller that receives the signals from the 50 different relays or analyzer devices (6) and by means of them determines in which sub-section
entre autotransformadores (4) y en que conductor se ha producido la falta a tierra (1), con la particularidad de que el equipo de presentación (9) es un ordenador que, conectado al controlador (8), recoge la señal de salida de este y presenta resultados en la pantalla a un operador. between autotransformers (4) and in which conductor the ground fault (1) has occurred, with the particularity that the presentation equipment (9) is a computer that, connected to the controller (8), collects the output signal of this and presents results on the screen to an operator.
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Al producirse una falta por cortocircuito entre uno de los conductores y tierra, el transformador de intensidad (10), situado en el autotransformador (4), que delimita el subtramo en que ha ocurrido la falta, mide valores altos de intensidad que harían actuar al relé que constituye el dispositivo analizador (6), aunque este se parametriza para que solamente actúe de manera direccional, cuando el ángulo que forma la intensidad medida con la tensión en el conductor 10 positivo, medida por el transformador de tensión (11), forme un ángulo aproximadamente de 90º o de 270º, notablemente menor o mayor que el que mide en condiciones normales sin falta, que está alrededor a 180º. When a short circuit fault occurs between one of the conductors and ground, the current transformer (10), located in the autotransformer (4), which delimits the sub-section in which the fault has occurred, measures high intensity values that would act at relay that constitutes the analyzer device (6), although this is parameterized to only act in a directional way, when the angle that forms the intensity measured with the voltage in the positive conductor 10, measured by the voltage transformer (11), forms An angle of approximately 90º or 270º, notably less than or greater than that measured in normal conditions without fail, which is around 180º.
Conectando el relé o dispositivo analizador (6) de forma que envíe la señal de activación al 15 controlador (8) por dos salidas diferentes cuando el ángulo sea de aproximadamente 90º o de aproximadamente 270º, el controlador (8) deducirá si es una falta del conductor positivo o negativo, y dependiendo de cuales son los analizadores (6) o relés propiamente dichos de los que recibe la señal de activación, deducirá que la posición del subtramo en falta es el comprendido entre los analizadores o relés activados (6). Si el subtramo es inicial o final, el 20 controlador solo recibirá la señal de activación de un solo relé o analizador (6), ya que no tiene conectados estos, ni a la subestación ni al autotransformador final. By connecting the relay or analyzer device (6) so that it sends the activation signal to the controller (8) by two different outputs when the angle is approximately 90º or approximately 270º, the controller (8) will deduce if it is a fault of the positive or negative conductor, and depending on which are the analyzers (6) or relays themselves from which the activation signal is received, it will deduce that the position of the missing sub-section is that between the activated analyzers or relays (6). If the sub-section is initial or final, the controller will only receive the activation signal of a single relay or analyzer (6), since it does not have these connected, either to the substation or to the final autotransformer.
Los resultados obtenidos por el controlador (8) se notifican al operador en la pantalla del ordenador que forma el equipo de presentación (9), tal y como se muestra en la figura 5. 25 The results obtained by the controller (8) are notified to the operator on the computer screen that forms the presentation equipment (9), as shown in Figure 5. 25
El dispositivo analizador compara en cada momento el módulo y la fase de la intensidad y la tensión suministrada por el correspondiente dispositivo sensor. The analyzer device compares the module and the intensity and voltage phase supplied by the corresponding sensor device at all times.
En funcionamiento normal, con la carga que demanda un tren (12) alimentado entre el 30 conductor positivo y tierra (Figura 6), el ángulo que forma la intensidad entrante al autotransformador Ia con la tensión en el conductor positivo en el punto de conexión al autotransformador Vc es de 180º aproximadamente (Figura 7). In normal operation, with the load demanded by a train (12) fed between the positive conductor and ground (Figure 6), the angle that forms the incoming intensity to the autotransformer Ia with the voltage in the positive conductor at the point of connection to the Vc autotransformer is approximately 180º (Figure 7).
Cuando se produce una falta a tierra en un determinado subtramo, se produce un incremento 35 muy fuerte y repentino del módulo de la intensidad Ia que circula por el devanado de los autotransformadores que delimitan dicho subtramo, variando además la fase que forma cada una con la tensión de alimentación positiva Vc de dichos autotransformadores. En particular, si la falta se produce entre el conductor positivo y tierra, ocurre una disminución notable, de aproximadamente a 90º, en el ángulo que forma la intensidad del devanado que entra desde el 40 conductor positivo con la tensión positiva, pasando de unos 180º a unos 90º (Figura 8). De manera recíproca, si la falta se produce entre el conductor negativo y tierra, se produce un incremento apreciable, de aproximadamente 90º, entre el ángulo que forma la intensidad del devanado que entra desde el conductor positivo Ia con la misma tensión positiva Vc, cambiando desde los iniciales 180º a los 270º (Figura 9). En el primer caso el analizador 45 enviará una señal al controlador de incidencia en el conductor positivo, y en el segundo de incidencia en el conductor negativo. When there is a ground fault in a certain sub-section, there is a very strong and sudden increase in the intensity module Ia that circulates through the winding of the autotransformers that delimit said sub-section, also varying the phase that each forms with the positive supply voltage Vc of said autotransformers. In particular, if the fault occurs between the positive conductor and ground, a notable decrease occurs, approximately at 90º, in the angle that forms the winding intensity that enters from the positive conductor with the positive voltage, passing about 180º at about 90º (Figure 8). Reciprocally, if the fault occurs between the negative conductor and ground, there is an appreciable increase, of approximately 90º, between the angle that forms the winding intensity that enters from the positive conductor Ia with the same positive voltage Vc, changing from the initials 180º to 270º (Figure 9). In the first case, the analyzer 45 will send a signal to the driver of incidence in the positive conductor, and in the second of incidence in the negative conductor.
Cuando el controlador recibe las incidencias, dependiendo de los analizadores en los autotransformadores de los que ha recibido dichas incidencias, enviará una señal al equipo de 50 presentación de la subestación (y subsidiariamente a un centro de control), para que dicho When the controller receives the incidents, depending on the analyzers in the autotransformers from which it has received said incidents, it will send a signal to the equipment presenting the substation (and subsidiarily to a control center), so that said
equipo muestre a un operador el subtramo y conductor en el que ha ocurrido la falta a tierra. equipment shows an operator the sub-section and driver in which the ground fault has occurred.
Gracias al sistema así descrito se consigue obtener esta información de manera inmediata, y así tomar las decisiones de aislamiento de únicamente la zona con falta a tierra. Thanks to the system thus described, this information can be obtained immediately, and thus make the isolation decisions of only the area with a ground fault.
5 5
En el caso de tratarse de una instalación con dos subtramos con medida en un solo devanado del autotransformador, tal y como se representa en la figura 10, únicamente existen dos subtramos A y B alimentados por la subestación eléctrica (7). En este caso se instala también, en el autotransformador final (4), es decir el mas alejado de la subestación (7), el dispositivo sensor (5) y el dispositivo analizador (6) conectado al controlador (8) de la subestación (7), de 10 la misma forma que se instala en el autotransformador intermedio (4). In the case of an installation with two sub-sections measured in a single winding of the autotransformer, as shown in Figure 10, there are only two sub-sections A and B powered by the electrical substation (7). In this case it is also installed, in the final autotransformer (4), that is, the furthest from the substation (7), the sensor device (5) and the analyzer device (6) connected to the controller (8) of the substation ( 7), in the same way as it is installed in the intermediate autotransformer (4).
Así mismo, el dispositivo sensor (5) esta formado por un transformador de intensidad (10) y un transformador de tensión (11), y como dispositivo analizador (6) se utilizará también un relé de sobreintensidad direccional. Likewise, the sensor device (5) is formed by an intensity transformer (10) and a voltage transformer (11), and a directional overcurrent relay will also be used as an analyzer device (6).
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En este caso, cuando suceda una falta en el primer subtramo A, solo se activará la salida correspondiente del relé del autotransformador intermedio (4), indicando falta, mientras que si la falta es en el segundo tramo B, además de la salida del relé del autotransformador intermedio (4), se activará la salida correspondiente del relé del autotransformador final (4). In this case, when a fault occurs in the first sub-section A, only the corresponding output of the intermediate autotransformer relay (4) will be activated, indicating fault, while if the fault is in the second section B, in addition to the relay output of the intermediate autotransformer (4), the corresponding output of the final autotransformer relay (4) will be activated.
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