Защита тяговой сети переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Защита тяговой сети переменного тока

дистанционная защита замыкание тяговая сеть

1. Схемы питания тяговой сети

Существуют четыре основные схемы питания тяговой сети:

а) Узловая схема

б) Параллельная схема

в) Раздельная схема

г) Петлевая схема (односторонняя петлевая).

Рис. 1.

Обозначения:

А,В - трансформаторы тяговых подстанций,

Qн - выключатели,

Qsн - разъединители,

Qш - выключатель шиносоединительный,

Wн - линии контактной сети,

ПС - пост секционирования,

ППС - пункт параллельного соединения.

Существуют две основные исходные схемы (параллельная и петлевая), из которых можно получить все из четырёх названных.

Самой используемой и распространённой схемой является узловая схема, причём она может использоваться при любом количестве параллельных (смежных) путей. Включение пунктов параллельного соединения позволяет стабилизировать уровни напряжения в контактной сети при значительной интенсивности движения и снизить потери электроэнергии.

Реализация петлевой схемы питания даёт возможность устранить уравнительные токи, которые могут иметь место на некоторых участках системы электроснабжения. В этом случае межподстанционный участок делится при помощи шиносоединительного выключателя на ПС на две части, каждая из которых примыкает к своей подстанции. Схема электроснабжения в этом случае представляет собой две не связанные между собой петли (в пределах контактной сети), каждая из которых обслуживает движение поездов в «своей» межподстанционной зоне.

Рассмотрение вышеприведённых схем даёт возможность сделать заключение о сложности защиты межподстанционной зоны тяговой сети по нескольким причинам. Одна из них заключается в сложности выбора уставок защит из-за меняющейся конфигурации сети в ходе эксплуатации (по аварийным причинам, выводом части оборудования в ремонт, изменением параметров сети, на которые должна реагировать защита и т.д.). Кроме того, уставки защиты при этом не должны изменяться в результате изменения силовой схемы питания тяговой сети. Этими факторами и обусловлен выбор типов защит.

2. Особенности нормального и аварийного режимов

Основной особенностью нормальных режимов тяговой сети переменного и постоянного тока является неравномерность (нестационарность) нагрузок. Если общая мощность тяговых подстанций имеет относительно стационарный характер, то нагрузки отдельных фидеров имеют значительную нестационарность. Таким образом, ток фидера в нормальном режиме может изменяться в широких пределах и в период интенсивного движения грузовых поездов достигает значительных величин: до 600-800А. Положение усугубляется срывами графика движения, ремонтными работами на контактной сети. При трогании с места поездов неравномерность нагрузки ещё больше увеличивается. Значительную долю вносят коммутационные процессы: подключение к контактной сети трансформатора электровоза, включение и отключение выключателей и т.д.

При построении релейной защиты очень важно знать характер изменения фазового угла цн (угла сдвига основной гармоники тока относительно напряжения фидера). В режиме тяги угол цн изменяется от 25° до 40°. Состав гармонических составляющих в нормальном режиме достигает 7%, а в режиме включения электровоза может достигать 30%. Основную долю в состав гармоник вносит третья гармоника (150 Гц).

В условиях гололёда фазовый угол цн может возрасти до 50°. Возрастание фазового угла может вызвать неверное действие релейной защиты, характеристика которой чувствительна к этому параметру (дистанционная защита).

При гололёде могут возникать ещё и чётные и нечётные субгармоники, могущие вызвать срабатывание автоблокировки, что уже непосредственно связано с безопасностью движения.

Для расчёта уставок релейной защиты необходимо знать максимальные режимы, в частности, по току фидера контактной сети. Для всех схем питания (узловой, раздельной, параллельной и петлевой) максимальный ток фидера подстанции вычисляется по формуле:

,(1)

где Iэ - ток трогания электровоза, А;

Iг.п - средний ток грузового поезда расчётной массы,А;

К - коэффициент, равный 1 при одностороннем питании и 2 - при

двухстороннем питании контактной сети;

Нэ - общеечисло поездов, находящихся на данном пути в расчётной

зоне. В свою очередь Нэ вычисляется по формуле:

, (2)

где

Тх - время хода поезда по расчётной зоне (мин),

? - период графика (интервал попутного следования поездов), мин.

L - длина расчётной зоны, км.

V - расчётная скорость движения, км.? час.

Длина расчётной части зоны для фидеров тяговых подстанций зависит от схемы питания. Например, при двухстороннем питании это расстояние между смежными подстанциями. Величины тока трогания (Iтр) и среднего тока (Iср) берутся из справочников по электровозам и вычисляются на основе тяговых расчётов. Можно использовать приближенные формулы.

Расчётные величины максимального тока фидера поста секционирования для узловой и параллельной схем питания вычисляются по формуле:

,(3)

где, m- число путей;

Lпв - расстояние от поста секционирования до смежной подстанции В, к.м.;

Lав - длина межподстанционной зоны между подстанциями А и В,к.м.

Число поездов Нэ вычисляется по формуле (14.2), где принимают

L= Lпв.

Для раздельной схемы питания максимальный ток фидера поста секционирования вычисляется по формуле (14.3), где m= 1.

Для петлевой схемы I н.max. вычисляется по той же формуле (14.3.),

но в предположении, что на смежном пути поездов нет.

В этом случае Нэ вычисляется по формуле (14.2.) и делится пополам.

Для пункта параллельного соединения (ППС) максимальный ток нагрузки вычисляют по выражению:

Основные особенности аварийного режима (короткого замыкания) в тяговой сети переменного тока определяется конфигурацией сети и тем, что тяговая сеть рассчитывается с небольшим запасом по отношению к перегрузкам. Это диктуется дороговизной материала (медь и медные сплавы) и динамическим характером взаимодействия подвижного состава с контактной сетью. Тяжёлой и громоздкой контактную сеть делать нельзя, т.к. это увеличивает провесы, ограничивает скорость движения и экономически нецелесобразно. Токи короткого замыкания при таких неблагоприятных условиях работы тяговой сети быстро нагревают контактный провод, поэтому во избежание пережога диктуются особые требования к исполнению устройств релейной защиты (РЗ), особенно в части быстродействия. Особенно опасны в этом отношении близкие КЗ. Существует проблема распознавания и удаленных КЗ.

Эти проблемы успешно решаются применением для защиты фидеров контактной сети (ФКС) следующих защит:

- быстродействующих токовых отсечек (ТО);

- многоступенчатых селективных дистанционных защит (ДЗ);

- быстродействующих неселективных защит;

- защит с взаимными связями (защита с телеблокировкой, защита со сравнением значений и направлений токов в контактных подвесках смежных путей и т. д.).

3. Влияние электровозов на процесс короткого замыкания в тяговой сети

Влияние на процесс короткого замыкания того или иного явления рассматривается с целью выяснения факта подпитки точки КЗ. Например, электровоз постоянного тока при своём движении подпитывает точку КЗ и тем самым усугубляет аварию. Подпитка происходит через контактную сеть при торможении электровоза. Подпитка точки КЗ может происходить и в сети переменного тока, если тяговые подстанции оборудованы инверторами рекуперации.

4. Дистанционные защиты

Селективная защита с выдержкой времени имеет много достоинств. Одним из главных достоинств дистанционной защиты является оптимальный график селективности, т.е. её способность отключать близкие КЗ с меньшим временем. В какой бы элементной базе она не выполнялась, основные принципы её работы остаются неизменными.

Рассмотрим в качестве примера устройство электронной защиты фидера тяговой подстанции, которое в зависимости от модификации может содержать от двух до четырёх ступеней дистанционных защит (ДЗ2 - ДЗ4) и токовую отсечку (ТО).

Упрощенная функциональная схема фидерной защиты приведена на рис. 2., а характеристики срабатывания и графики селективности на рис.3.

На рис. 2 видно, что устройство защиты получают информацию о состоянии сети от промежуточных трансформаторов TLA и TLV, которые включены во вторичные обмотки трансформаторов тока и напряжения.

Устройство содержит измерительные органы:

- датчик тока ДТ;

- датчики полного сопротивления ДС1и ДС2;

- датчик фазового угла KW;

- приёмопередатчик телеблокировки ППТ;

- выходной орган ВО;

- реле времени КТ;

- логические ячейки «И» и «ИЛИ».

В устройстве регулирование уставок производится потенциометрами, включёнными во вторичные обмотки промежуточных трансформаторов TLA и TLV.

Первая ступень защиты ДЗ1 выполнена с помощью реле ДС1и ДТ.

Рис. 2. Упрощенная схема полупроводниковой защиты фидера тяговой подстанции.

Эта ступень не имеет выдержки времени, а только собственное время срабатывания (30-60мс). Датчик тока ДТ (собственное время срабатывания 5-10 мс) реализует ускоренную токовую отсечку (ТО), предназначенную для более быстрого отключения при КЗ вблизи тяговой подстанции и устранению т.н. «мёртвых зон» на графиках селективности.

Вторая ступень имеет выдержку времени (0,4 - 0,5с) и содержит ДС2 и KW. Выходные сигналы второй (ДС2 и KW) ступени, пройдя через логическую ячейку «И» и реле времени КТ, и выходные сигналы первой (ДС и ДТ) ступени поступают далее на логическую ячейку «ИЛИ», которая и воздействует на выходной орган ВО защиты.

Все эти принципы реализованы в защитах УЭЗФМ и УЭЗФМк (устройство электронное защиты фидера модернизированное), характеристики срабатывания которых приведены на рис.14.3.

а) для тяговой подстанции. б) для поста секционирования.

Рис.3. Характеристики срабатывания трехступенчатой фидерной защиты УЭЗФМК.

В более поздних модификациях четвёртая ступень защиты служит для распознавания коротких замыканий через большие переходные сопротивления, носящие в основном активный характер и соответствующего реагирования на эти короткие замыкания.

Итак, подводим итог по селективной защите фидера контактной сети (ФКС).

Близкие КЗ отключаются с помощью токовой отсечки (ТО) и первой ступени дистанционной защиты (ДЗ1) без выдержки времени.

Дальние КЗ, в том числе КЗ через переходные сопротивления, отключаются второй, третьей и четвёртой ступенями. Ступень селективности при этом составляет примерно 0,3 сек. Несмотря на то, что токовая отсечка (ТО) и первая ступень дистанционной защиты (Д.З.1) трактуются как мгновенные, они имеют собственные времена срабатывания (5-10мсек - для ТО и 30-60мс - для Д.З.1). Защита ФКС может дополняться максимальной токовой защитой и потенциальной, т.е. защитой минимального напряжения. В новых защитных комлексах (микропроцессорных), они введены в качестве составной части. Графики селективности защит даны на рис.14.4.

Рис.4. Графики селективности защиты УЭЗФМ.

а) для подстанции, б) для поста секционирования

Размещено на Allbest.ru