ES2611829A1

ES2611829A1 - Localization system for the position of ground faults on power supply lines two-phase bicycle with autotransformers (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES2611829A1
Application number: ES201631321A
Authority: ES
Inventors: Jesús SERRANO ÁLVAREZ; Máximo LÓPEZ TOLEDO; Carlos Antonio Platero Gaona
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2017-05-10

Abstract

Locating system for the position of ground faults in biphasic railway power lines with autotransformers. The invention comprises: - a sensor device for measuring the incoming current in the winding of the autotransformer connected to the power supply conductor or the railway line. - an analyzer device that compares and analyzes the intensity measured by each sensor assembly, and that is connected to an electrical power substation. - a calculating device in the substation that receives the signals from each analyzer device and, comparing them with those stored in its memory referring to its electrical section, determines the position in which the ground fault has occurred, in addition to whether the affected driver is the positive or negative. - a presentation team that collects the computer's output signal and shows the results to an operator. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

SISTEMA DE LOCALIZACIÓN DE LA POSICIÓN DE LAS FALTAS A TIERRA EN LÍNEAS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA FERROVIARIAS BIFÁSICAS CON AUTOTRANSFORMADORES LOCALIZATION SYSTEM FOR THE POSITION OF GROUND FAULTS ON BIPASSICAL RAILWAY ELECTRIC POWER SUPPLY LINES WITH AUTOTRANSFORMERS

D E S C R I P C I Ó N 5 D E S C R I P C I Ó N 5

OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION

La presente patente de invención tiene por objeto presentar un nuevo sistema de localización de la posición de una falta a tierra en líneas de alimentación eléctrica ferroviaria, con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con 10 autotransformadores, mediante el cual se puede determinar de forma precisa la posición de la línea en la que ha ocurrido una falta a tierra y el conductor en el que ha sucedido, obteniéndose de esta manera la información necesaria para disminuir en gran medida el tiempo de reparación de la alimentación de la línea ferroviaria. The object of the present invention patent is to present a new system for locating the position of a ground fault in railway power lines, with two-phase structure of conductors in alternating current with 10 autotransformers, by means of which it can be determined precisely the position of the line in which a ground fault has occurred and the conductor in which it has occurred, thus obtaining the necessary information to greatly reduce the repair time of the rail line feed.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION

Actualmente, el sistema de alimentación eléctrico en las líneas de alta velocidad es el sistema conocido como 2x25 kV, que emplea dos conductores, uno positivo, con tensión alterna con polaridad positiva con respecto a tierra, y otro negativo, con tensión alterna con polaridad negativa también con respecto a tierra, realizándose la alimentación del 20 tren entre el conductor positivo y el carril unido a tierra. Asimismo, se disponen en la línea autotransformadores instalados a intervalos regulares a los que están conectados los dos conductores en los extremos y en el centro tierra. Currently, the power supply system in high-speed lines is the system known as 2x25 kV, which uses 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 the ground, the power supply of the train being carried out between the positive conductor and the rail connected to the ground. Likewise, autotransformers installed at regular intervals to which the two conductors are connected at the ends and in the center earth are arranged in the line.

Aunque este sistema presenta grandes ventajas (mayor transmisión de potencia y menor 25 caída de tensión con la distancia a la subestación, entre otras), también tiene determinados inconvenientes, de los cuales el más importante es la dificultad de conocer la posición en la que ha ocurrido una falta entre el conductor positivo y tierra o entre el conductor negativo y tierra. La razón de esta dificultad es que no es posible aplicar el sistema de localización habitual mediante la impedancia vista desde la subestación, ya 30 que al estar unidos en cada subsección los tres conductores mediante autotransformadores, la impedancia que presenta la línea en falta, medida desde la subestación no es lineal con la distancia, como ocurre en un sistema de un solo conductor. En los sistemas bifásicos con autotransformadores la variación de dicha impedancia con la distancia a la falta, en vez de ser lineal, es curva en cada subsección 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 este método de impedancia habitualmente empleado, ya que puede haber más de una posición de la sección que tenga el mismo valor de impedancia. 5 Although this system has great advantages (greater power transmission and less voltage drop with the distance to the substation, among others), it also has certain drawbacks, of which the most important is the difficulty of knowing the position in which it has a fault occurred between the positive conductor and ground or between the negative conductor and ground. The reason for this difficulty is that it is not possible to apply the usual location system by means of the impedance seen from the substation, since when the three conductors are connected in each subsection through autotransformers, the impedance presented by the missing line, measured from The substation is not linear with distance, as in a single conductor system. In biphasic systems with autotransformers the variation of said impedance with the distance to the fault, instead of being linear, is curved in each subsection between autotransformers, reaching just in them a lower value. According to said diagram, the distance to the fault cannot be determined by a certain impedance value with this impedance method usually employed, since there may be more than one position of the section having the same impedance value. 5

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

El sistema objeto de la presente invención permite obtener con precisión y en tiempo real la posición de la línea ferroviaria en la que ha ocurrido una falta entre el conductor positivo y tierra o entre el conductor negativo y tierra. Este sistema se basa en tener 10 previamente identificada la subsección entre autotransformadores A, B, o C y el conductor positivo o negativo en que ha ocurrido la falta. Dicha identificación se puede obtener de manera inmediata por el método “Sistema de localización del tramo con falta a tierra en líneas de alimentación eléctrica ferroviarias bifásicas con autotransformadores” con número de publicación ES 2507465, concedida el 16 de 15 diciembre de 2015. The system object of the present invention allows to obtain with precision and in real time the position of the railway line in which a fault has occurred between the positive conductor and ground or between the negative conductor and ground. This system is based on having previously identified the subsection between autotransformers A, B, or C and the positive or negative conductor in which the fault occurred. This identification can be obtained immediately by the method “Location system of the section with earth fault in two-phase railway power lines with autotransformers” with publication number ES 2507465, granted on December 16, 2015.

El sistema de localización de la posición de las faltas a tierra en líneas ferroviarias de alimentación eléctrica con estructura bifásica de conductores en corriente alterna con autotransformadores comprende: 20 The system for locating the position of the earth faults in railway power lines with a two-phase structure of conductors in alternating current with autotransformers comprises: 20

- Un dispositivo sensor por cada uno de los autotransformadores, que mide la intensidad entrante en el devanado del autotransformador conectado al conductor de alimentación positivo o negativo del tendido ferroviario. - A sensor device for each of the autotransformers, which measures the incoming intensity in the winding of the autotransformer connected to the positive or negative supply conductor of the railroad.

- Un dispositivo analizador por cada autotransformador que, en caso de producirse una 25 falta a tierra, se activa y envía el valor leído por el sensor al calculador ubicado en la subestación de alimentación eléctrica de la sección o en un centro de control. - An analyzer device for each autotransformer that, in the event of a ground fault, is activated and sends the value read by the sensor to the calculator located in the power supply substation of the section or in a control center.

- Un calculador en la subestación o en el centro de control que, habiendo obtenido la información de la subsección y el conductor en falta mediante el sistema descrito en 30 la patente ES 2507465, y recibiendo los valores de cada dispositivo analizador, compara el valor recibido con el valor estándar contenido en la tabla correspondiente al tramo y conductor identificado para determinar la posición en que ha ocurrido la falta. - A calculator in the substation or in the control center that, having obtained the information of the subsection and the missing conductor by means of the system described in the patent ES 2507465, and receiving the values of each analyzer device, compares the received value with the standard value contained in the table corresponding to the section and driver identified to determine the position in which the fault 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.

El calculador posee en diferentes tablas, una por cada conductor en falta, los valores que 5 mide el sensor de cada autotransformador en cada posición de la sección eléctrica ferroviaria en que ocurre la falta a tierra en una sección determinada. Cuando ocurre una falta de este tipo, el valor medido por el sensor se compara con los valores de la tabla correspondiente, y cuando es igual al valor de una posición de la tabla, el valor de esta posición, que es la distancia a la subestación a la que ha ocurrido la falta, es enviado por 10 el calculador al equipo de presentación. The calculator has in different tables, one for each missing conductor, the values that the sensor of each autotransformer measures in each position of the railway electrical section in which the earth fault occurs in a given section. When such a fault occurs, the value measured by the sensor is compared with the values of the corresponding table, and when it is equal to the value of a position in the table, the value of this position, which is the distance to the substation to which the fault has occurred, the calculator is sent by 10 to the presentation team.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

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 15 presente memoria 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 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 de faltas a tierra en secciones eléctricas ferroviarias, alimentadas con sistema de conductores bifásico con 20 autotransformadores, objeto de la presente patente de invención. En este esquema se han instalado los dispositivos sensores obteniendo la intensidad del devanado de los autotransformadores conectados al conductor positivo de alimentación de la sección. Sin embargo, el método también es válido cuando aquellos están conectados al conductor negativo de la sección. 25 Figure 1 shows a scheme of the system for locating ground faults in railway electrical sections, fed with a two-phase conductor system with 20 autotransformers, object of the present invention patent. In this scheme, the sensor devices have been installed obtaining the winding intensity of the autotransformers connected to the positive power supply conductor of the section. However, the method is also valid when those are connected to the negative conductor of the section. 25

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. Estos sistemas se conocen normalmente como 1x25 kV. 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. These systems are usually known as 1x25 kV.

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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 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 system of location of the section with earth faults in railway power lines fed with a two-phase conductor system with autotransformers, object of the present invention patent.

La figura 5 muestra las gráficas de las tablas almacenadas en la memoria del dispositivo 5 calculador para cuando ocurre una falta entre conductor positivo y tierra. En dichas tablas se almacenan los valores de la intensidad entrante desde el conductor positivo en los diferentes autotransformadores en función de la distancia a la falta desde la subestación en una determinada instalación. En esta gráfica de una sección en particular de tres subsecciones A, B y C, están representados los valores de intensidad en función de la 10 distancia al corto de los tres autotransformadores L1, L2 y L3, correspondiendo L1 al autotransformador más cercano a la subestación, L2 al autotransformador intermedio y L3 al más alejado. Figure 5 shows the graphs of the tables stored in the memory of the calculating device 5 for when a fault occurs between positive conductor and ground. In these tables the values of the incoming intensity from the positive conductor are stored in the different autotransformers depending on the distance to the fault from the substation in a certain installation. In this graph of a particular section of three subsections A, B and C, the intensity values are represented as a function of the short distance of the three autotransformers L1, L2 and L3, corresponding L1 to the autotransformer closest to the substation , L2 to the intermediate autotransformer and L3 to the furthest.

La figura 6 muestra las gráficas de las tablas almacenadas en la memoria del dispositivo 15 calculador para cuando ocurre una falta entre conductor negativo y tierra. En dichas tablas se almacenan los valores de la intensidad entrante desde el conductor positivo en los diferentes autotransformadores en función de la distancia a la falta desde la subestación en una determinada instalación. En esta gráfica de una sección en particular de tres subsecciones A, B y C, están representados los valores de intensidad en función 20 de la distancia al corto de los tres autotransformadores L1, L2 y L3, correspondiendo L1 al autotransformador más cercano a la subestación, L2 al autotransformador intermedio y L3 al más alejado. Figure 6 shows the graphs of the tables stored in the memory of the calculating device 15 for when a fault occurs between negative conductor and ground. In these tables the values of the incoming intensity from the positive conductor are stored in the different autotransformers depending on the distance to the fault from the substation in a certain installation. In this graph of a particular section of three subsections A, B and C, the intensity values as a function of the short distance of the three autotransformers L1, L2 and L3 are represented, L1 corresponding to the autotransformer closest to the substation , L2 to the intermediate autotransformer and L3 to the furthest.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN 25 PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION 25

Como se puede ver en las figuras referidas, el sistema de la invención aplicable en la localización de la posición de faltas a tierra en sistemas de alimentación eléctrica de redes ferroviarias bifásicas con autotransformadores incluye el correspondiente esquema de una sección de alimentación eléctrica con el conductor de tierra (1), el conductor positivo (2), y el conductor negativo (3), incluyendo los autotransformadores (4), y 30 estableciéndose entre estos las consideradas subsecciones A, B, C, de manera que cada autotransformador (4) incorpora un dispositivo sensor (5) y un dispositivo analizador (6), todo ello relacionado con la correspondiente subestación (7) de alimentación de la sección ferroviaria que se pretende controlar, y en donde se ha previsto un calculador (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 locating the position of ground faults in two-phase railway power supply systems with autotransformers includes the corresponding scheme of a power supply section with the conductor of earth (1), the positive conductor (2), and the negative conductor (3), including the autotransformers (4), and establishing among them the considered subsections 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 calculator (8) is provided to obtain the result and a presentation team (9) that presents the results to the operator.

De acuerdo con la figura 4, donde se muestra la realización preferente, el dispositivo sensor (5), en cada autotransformador, es un transformador de intensidad (10) instalado 5 en el extremo positivo del autotransformador (4) para que mida la corriente que entra en el autotransformador desde el conductor positivo. According to Figure 4, where the preferred embodiment is shown, the sensor device (5), in each autotransformer, is an intensity transformer (10) installed 5 at the positive end of the autotransformer (4) to measure the current that Enter the autotransformer from the positive conductor.

Como dispositivo analizador (6) se utilizará preferentemente un relé de sobreintensidad direccional que actúa cuando se produce una falta a tierra (1), cumpliéndose 10 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.

El transformador de intensidad (10) se conecta al relé de sobreintensidad direccional, es decir al dispositivo analizador (6), y, asimismo cada relé se conecta al calculador (8) situado en la propia subestación (7). 15 The current transformer (10) is connected to the directional overcurrent relay, that is to say to the analyzer device (6), and, likewise, each relay is connected to the calculator (8) located in the substation itself (7). fifteen

El calculador (8) es un controlador lógico programable PLC que recibe las señales de los distintos relés o dispositivos analizadores (6) y compara sus valores con los de la tabla correspondiente al conductor y subsección en que ha ocurrido la falta, así como a las condiciones de carga que en el momento de ocurrir la falta tenía la sección eléctrica 20 ferroviaria, determinando la localización de la falta. Este dato de la posición de la falta es enviado al equipo de presentación (9), que es un ordenador conectado al controlador (8), que recoge la señal de salida de éste y presenta los resultados en la pantalla a un operador. The calculator (8) is a PLC programmable logic controller that receives the signals of the different relays or analyzer devices (6) and compares their values with those of the table corresponding to the driver and subsection in which the fault occurred, as well as the loading conditions that at the time of the fault the railway electrical section 20 had, determining the location of the fault. This data on the position of the fault is sent to the presentation team (9), which is a computer connected to the controller (8), which collects the output signal from it and presents the results on the screen to an operator.

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Al producirse una falta por cortocircuito entre uno de los conductores y tierra, los transformadores de intensidad (10) situados en los autotransformadores (4) miden los valores de intensidad que harán actuar a los relés que constituyen el dispositivo analizador (6). El calculador, además de los valores de los módulos de las intensidades en los devanados positivos de los autotransformadores, recibe también, mediante el 30 sistema descrito en la patente con número ES 2507465 anteriormente referenciada, la información enviada por los relés relativa al conductor y la subsección en que ha ocurrido la falta. Entonces, el calculador buscará dentro de las tablas almacenadas en su memoria los valores iguales a los de las intensidades recibidos en la tabla correspondiente al conductor y subsección en falta. Estas tablas, que constan del valor del módulo de la intensidad y posición por cada elemento, se habrán almacenado previamente en el calculador con los valores particulares obtenidos de las intensidades de los autotransformadores cuando se produce un cortocircuito entre uno de los conductores y tierra a lo largo de la sección eléctrica en la que aquéllos están instalados. correspondiente al conductor y subsección en falta. Estas tablas, que constan del valor del módulo de la intensidad y posición por cada elemento, se habrán almacenado previamente en el calculador con los valores particulares obtenidos de las intensidades de los autotransformadores cuando se produce un cortocircuito entre uno de los conductores y tierra a lo largo de la sección eléctrica en la que aquéllos están instalados. When a short circuit fault occurs between one of the conductors and ground, the current transformers (10) located in the autotransformers (4) measure the intensity values that will act on the relays that constitute the analyzer device (6). The calculator, in addition to the values of the modules of the intensities in the positive windings of the autotransformers, also receives, by means of the system described in the patent with number ES 2507465 previously referenced, the information sent by the relays relative to the conductor and the subsection in which the fault occurred. Then, the calculator will search within the tables stored in its memory the values equal to those of the intensities received in the table corresponding to the conductor and subsection in fault. These tables, which consist of the value of the intensity module and position for each element, will have been previously stored in the calculator with the particular values obtained from the intensities of the autotransformers when a short circuit occurs between one of the conductors and ground at along the electrical section in which they are installed. corresponding to the driver and subsection in fault. These tables, which consist of the value of the intensity module and position for each element, will have been previously stored in the calculator with the particular values obtained from the intensities of the autotransformers when a short circuit occurs between one of the conductors and ground at along the electrical section in which they are installed.

Como se puede observar en las figuras 5 y 6, en las líneas L1 y L2 correspondientes a las tablas con los valores de la intensidad en el autotransformador más cercano a la subestación y en el intermedio, el mismo valor de la intensidad se obtiene para dos distancias diferentes de la subestación en cada una de dichas líneas. Además, este valor 10 de intensidad corresponde a diferente distancia en caso de que la falta sea conductor positivo-tierra o conductor negativo-tierra. Por lo tanto, es fundamental conocer el conductor y la subsección en que ha ocurrido la falta para determinar de manera unívoca el valor de la distancia correspondiente al valor leído de las intensidades. As can be seen in Figures 5 and 6, in lines L1 and L2 corresponding to the tables with the values of the intensity in the autotransformer closest to the substation and in the intermediate, the same value of the intensity is obtained for two different distances from the substation in each of these lines. In addition, this intensity value 10 corresponds to a different distance in case the fault is a positive conductor-earth or a negative conductor-earth. Therefore, it is essential to know the driver and the subsection in which the fault has occurred to uniquely determine the value of the distance corresponding to the value read of the intensities.

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Conociendo el conductor y la subsección en que ha ocurrido la falta, el calculador obtendrá la posición de la falta mediante el siguiente procedimiento: Knowing the driver and the subsection in which the fault occurred, the calculator will obtain the position of the fault by the following procedure:

Si la subsección en falta es la A, buscará el valor de la posición en falta mediante el valor de intensidad obtenido del autotransformador más cercano a la subestación que sea igual al valor de la tabla en memoria correspondiente a la representada en la línea L1 y al 20 conductor positivo o negativo en falta dentro de la subsección A. If the missing subsection is A, it will look for the value of the missing position using the intensity value obtained from the autotransformer closest to the substation that is equal to the value of the memory table corresponding to that represented on line L1 and the 20 positive or negative conductor in fault within subsection A.

Si la subsección en falta es la B, el calculador comparará el valor de las intensidades del autotransformador más cercano a la subestación y del autotransformador intermedio. Si es mayor la de aquél, determinará que la falta ocurrió en la primera mitad de la 25 subsección B, y, para conseguir mayor precisión, determinará la posición cuando el valor de la intensidad leído en el autotransformador más cercano a la estación iguale al valor correspondiente en la línea L1 dentro de la subsección B. Por el contrario, si es mayor la intensidad medida en el autotransformador intermedio, la falta ocurrió en la segunda mitad de la subsección B, y, también para conseguir mayor precisión, se igualará el valor 30 leído en el autotransformador intermedio con el correspondiente de la línea L2 dentro de la subsección B para determinar la distancia a la subestación a la que ha ocurrido la falta. If the missing subsection is B, the calculator will compare the value of the intensities of the autotransformer closest to the substation and the intermediate autotransformer. If this is greater, it will determine that the fault occurred in the first half of subsection B, and, to achieve greater accuracy, determine the position when the value of the intensity read in the autotransformer closest to the station equals the value corresponding on line L1 within subsection B. On the contrary, if the intensity measured in the intermediate autotransformer is greater, the fault occurred in the second half of subsection B, and, also to achieve greater accuracy, the value will be equalized 30 read in the intermediate autotransformer with the corresponding line L2 within subsection B to determine the distance to the substation at which the fault occurred.

Asimismo, si la subsección en falta es la C, se compararán las intensidades del autotransformador intermedio L2 y del autotransformador más alejado de la subestación L3. Also, if the missing subsection is C, the intensities of the intermediate autotransformer L2 and the autotransformer furthest from the L3 substation will be compared.

Si aquélla es mayor, la falta habrá ocurrido en la primera mitad de la subsección C y la intensidad leída en el autotransformador intermedio se comparará con la línea L2 dentro 5 de la subsección C para determinar la posición de falta. Si por el contrario es mayor la intensidad del autotransformador más alejado, será este valor el que se iguale al correspondiente de la línea L3 en la subsección C para obtener la distancia de la falta a la subestación. If this is greater, the fault will have occurred in the first half of subsection C and the intensity read in the intermediate autotransformer will be compared with line L2 within 5 of subsection C to determine the fault position. If, on the contrary, the intensity of the furthest autotransformer is greater, it will be this value that matches the corresponding one of the line L3 in subsection C to obtain the distance from the fault to the substation.

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Como es lógico, tanto en la subsección B como en la C si las intensidades en los dos autotransformadores correspondientes son iguales, se obtendría la misma posición de falta con cualquiera de las dos líneas L1 o L2 y L2 o L3 correspondientes de los valores que tiene el calculador en memoria. As is logical, both in subsection B and in C if the intensities in the two corresponding autotransformers are equal, the same fault position would be obtained with any of the two corresponding lines L1 or L2 and L2 or L3 of the values that have The calculator in memory.

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