Защита тяговой сети переменного тока

Модуль 5. Защита от токов короткого замыкания в тяговой сети

Лекция №29, 30. Защита тяговой сети переменного тока (2 часа)

План лекции:

Защита тяговой сети переменного тока.

Защита тяговой сети переменного тока

В случае любого повреждения на контактной сети должен быть отключен лишь поврежденный участок между ближайшими к мес­ту повреждении подстанцией и постом секционирования, т. е. должна выполняться требование селективности защит. Защита должна реагировать только на повреждения в своей зоне и не реагировать на повреждения на соседних зонах. Например, при коротком замыкании в точке К (рис. 15.1) желательно отключить лишь выключатели В1 и В5.

Кроме того, на подстанциях желательно иметь защиту второй зоны, чувствительную к повреждениям в пределах всей межподстанционной зоны. Это необходимо по условиям резервирования защитой подстанции защит, установленных на посту секционирования, а также и потому, что в процессе эксплуатации, например при ремонтных работах, пост секционирования может быть отключен и зашунтирован продольными разъединителями.

Соизмеримость токов удаленных коротких замыканий и токов нагрузки не позволяет применить на подстанциях обычные максимальные токовые защиты.

Для защиты фидеров контактной сети на участках переменного тока применяют различные варианты дистанционных защит, которые реагируют на сопротивление петли короткого замыкания (отношение напряжения фидера к току фидера при коротком замыкании) и на угол сдвига фаз между током и напряжением. Это позволяет выполнить защиту, чувствительную к току к.з., значение которого определяется сопротивлением петли короткого замыкания , и нечувствительную к такому же току нагрузки (), поскольку фазы этих токов, а следовательно, и сопротивлений различны.

Преимуществом дистанционных защит является также независимость их чувствительности от значения сопротивления цепи короткого замыкания между источником питания и местом установки защиты. Применительно к защите контактной сети это означает, что чувствительность защиты остается постоянной при изменении мощности питающей системы и числа параллельно работающих трансформаторов на подстанции.

Рис. 15.1. Схема распределения токов при коротком замыкании в контактной сети двухпутного участка

Выпускаемые отечественной промышленностью дистанционные реле КРС-131 и КРС-132 из-за наличия у них обмоток напряжения при близких коротких замыканиях к месту установки реле имеют «мертвую» зону по напряжению. Поэтому дистанционную защиту обычно дополняют токовой отсечкой для уменьшения времени отключения близких повреждений с большими токами к.з. Токовая отсечка позволяет также ликвидировать «мертвую» зону дистанционной защиты при близких к подстанции коротких замыканиях, когда напряжение недостаточно для работы дистанционных реле.

Применение дистанционной защиты ограничено вследствие недостатков релейно-контактных элементов: низкой надежности, сложности настройки, большой потребляемой мощности, невысокого быстродействия (время срабатывания реле КРС при малых кратностях замеряемого сопротивления составляет 100-150 мс).

Все более широкое распространение на железных дорогах переменного тока получают электронные защиты фидеров контактной сети с телеблокировкой между подстанцией и постом секционирования. Принцип действия защиты с телеблокировкой заключается в том, что при срабатывании защиты и отключении выключателя на одном конце фидерной зоны посылается по линии связи сигнал на отключение смежного выключателя на другом конце фидерной зоны. В линию связи (обычно используется канал телеуправления ТУ) передатчиком телеблокировки посылается частотный сигнал, длительность которого составляет 100-200 мс. На другом конце линии этот сигнал принимается соответствующим приемником устройства телеблокировки, усиливается и вызывает в конечном итоге отключение масляного выключателя.

Защита контактной сети выполнена двухступенчатой. В качестве 1-й ступени защиты на тяговых подстанциях служит дистанционная ненаправленная защита, которая при близких коротких замыканиях переходит в режим работы токовой отсечки, а в качестве 2-й ступени – дистанционная направленная защита с раздельными регулировками токов уставки по модулю полного сопротивления z и по углу φ между током и напряжением фидера, имеющая выдержку времени.

На постах секционирования в качестве 1-й ступени применяют дистанционную направленную защиту, автоматически переводящуюся при близких коротких замыканиях в режим токовой отсечки, а в качестве 2-й ступени – дистанционную ненаправленную защиту с выдержкой времени.

Защита дополнена ускоренной токовой отсечкой для быстрого отключения близких коротких замыканий, сопровождающихся большими токами, и для ликвидации «мертвой» зоны дистанционной направленной защиты.

1-я ступень защиты имеет зону действия, равную примерно 80 % расстояния между подстанцией и постом секционирования, 2-я ступень – до шин соседней подстанции. Короткие замыкания вблизи подстанции в нормальных условиях отключает без выдержки времени 1-я ступень защиты, которая затем по телеблокировке воздействует на выключатель поста секционирования, отключая его. При повреждении линии связи ил устройства телеблокировки короткое замыкание отключается дистанционной защитой поста секционирования (резервное действие).

Электронная защита фидеров контактной сети имеет характеристику срабатывания, представленную на рис. 15.2. Реле, обладающее такой характеристикой, имеет следующие параметры срабатывания: сопротивление 1-й ступени - радиус большой окружности; сопротивление 2-й ступени - радиус большой окружности; зону по углу срабатывания . Эти параметры раздельно перестраивают в зависимости от конкретных условий применения реле. Выполняют такое реле, используя составной функциональной элемент рис. 15.3.

Принцип действия и схемы электронных реле подробно рассмотрены в [24].

Электронные устройства защиты контактной сети от токов к.з. обладают большим быстродействием, чем электромеханические, в них отсутствуют промежуточные реле, применено тиристорное отключение масляных выключателей. Быстродействие защиты достигается применением электронных пусковых и измерительных элементов защиты (их время действия меньше, чем у аналогичных электромеханических реле и составляет 10-30 мс).

Измерительные элементы – реле сопротивления не имеют в отличие от аналогичных электромеханических реле «мертвой» зоны по напряжению.

Фазоограничивающий элемент электронной защиты имеет «мертвую» зону по напряжению, однако для защит подстанции это обстоятельство роли не играет, так как дистанционная направленная защита 2-й ступени с этим элементом имеет выдержку времени, а ближнее короткое замыкание обычно отключается 1-й ступенью защиты. Защита поста секционирования с направленной защитой без выдержки времени в 1-й ступени может иметь вблизи поста некоторую зону неселективного отключения.

При расчете уставок электронных защит сопротивление срабатывания 1-й ступени защиты, установленной на выключателе подстанции (например, на выключателе В1 подстанции А на рис. 15.1.) для двухпутного участка определяют по формуле

, (15.1)

где - сопротивление 1 км петли «контактная подвеска - рельс» при работе одного пути двухпутного участка, Ом/км;

- расстояние от подстанции до поста секционирования.

Рис. 15.2. Угловая характеристика электронной направленной защиты

Рис. 15.3. Структурная схема электронной защиты тяговых сетей переменного тока 27,5 кВ

Выбранное сопротивление срабатывания 1-й ступени защиты проверяют на селективность по отношению к токам нагрузки согласно следующему условию:

, (15.2)

где - коэффициент возврата электронного реле сопротивления, равный 0,9;

- коэффициент надежности, равный 1,2-1,3;

- минимальное напряжение на шинах подстанции в рабочем режиме, равное 25 кВ.

Также должна быть обеспечена селективность защиты по отношению к токам, протекающим по защищаемому фидеру со стороны соседней подстанции при близком коротком замыкании на смежном фидере. В этом режиме напряжение на шинах подстанции значительно понижается, и ненаправленная 1-я ступень защиты неповрежденного фидера может ложно срабатывать даже при относительно небольших токах подпитки короткого замыкания на смежном фидере.

Для обеспечения селективной работы схема ненаправленного реле полного сопротивления, используемого для 1-й ступени защиты, предусматривает автоматический перевод его в режим реле максимального тока при понижении напряжения подстанции до заданного значения. При этом ненаправленная дистанционная защита переводится в режим токовой отсечки без выдержки времени.

Ток срабатывания такой отсечки должен быть больше максимального тока, протекающего через защищаемый фидер со стороны соседней подстанции при коротком замыкании на смежном фидере (так называемого тока подпитки)

. (15.3)

Максимальный ток подпитки

. (15.4)

Напряжение перевода защиты в режим токовой отсечки

. (15.5)

Полные сопротивления фазы питающей сети соответственно для подстанции А и Б определяются согласно выражению

; . (15.6)

Сопротивление срабатывания 2-й ступени защиты

, (15.7)

где - коэффициент чувствительности;

- максимальное сопротивление цепи короткого замыкания при коротком замыкании на шинах смежной подстанции.

При узловой схеме питания

. (15.8)

В случае раздельного питания путей двухпутного участка

. (15.9)

Определяется , принимают большее из полученных по формулам (15.8) и (15.9) значений .

Выражения (15.1), (15.7) используют и для расчета сопротивлений срабатывания ступеней защит, устанавливаемых на выключателях поста секционирования.

Пример 1. Рассчитать сопротивления срабатывания защит на выключателе В1 тяговой подстанции А (см. рис. 15.1): км, км; контактная подвеска ПБСМ-70+МФ-100; рельсы Р65; Ом/км; Ом/км; МВ·А; кВ; кВ; А; МВ·А; ; ; ; ; .

Решение. Сопротивление срабатывания 1-й ступени защиты согласно выражению (15.1)

Ом.

Проверим селективность защиты по отношению к токам нагрузки по формуле (15.2):

.

Следовательно, селективность защиты обеспечивается.

Для определения напряжения, при котором 1-я ступень дистанционной защиты переводится в режим токовой отсечки, найдем:

полные сопротивления фаз питающей сети по формуле (15.6)

Ом;

полное сопротивление тягового трансформатора согласно выражению

Ом.

Максимальный ток, протекающий через защищаемый фидер со стороны соседней подстанции, по формуле (15.4)

кА.

И тогда согласно выражению (15.5)

кВ.

Для определения сопротивления срабатывания 2-й ступени защиты находим максимальное сопротивление цепи к.з. по формуле (15.8)

Ом

и по формуле (15.9)

Ом.

Тогда сопротивление срабатывания 2-й ступени защиты согласно выражению (15.7), соответствующее ,

Ом.

На некоторых дорогах для ускорения времени отключения повреждений и исключения выдержки времени 2-й ступени защиты применяется схема защиты межподстанционной зоны без использования постов секционирования как защитных элементов. Принцип действия такой схемы заключается в том, что защита каждого из четырех фидеров (которые с двух смежных подстанций питают подстанционную зону) должна реагировать на все короткие замыкания в любом месте подстанционной зоны и отключать без выдержки времени свои выключатели. В бестоковую паузу после отключения выключателей подстанций автоматически отключается (разбирается) пост секционирования. При последующем АПВ выключателей подстанции обесточенным (при устойчивом коротком замыкании) остается только поврежденный участок контактной сети одного пути между постом секционирования т подстанцией.

Однако эта схема имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости на время АПВ отключать всю подстанционную зону, и поэтому не получила широкого распространения.

Фидеры контактной сети дорог переменного тока оборудуются также устройствами, автоматически фиксирующими расстояние до места короткого замыкания. Принцип действия таких устройств заключается в определении за время протекания тока к.з. сопротивления цепи короткого замыкания, которое для данной схемы питания участка контактной сети пропорционально расстоянию до места короткого замыкания.

Контрольные вопросы

1. Какие защиты применяют для защиты фидеров контактной сети на участках переменного тока?

2. Сколько времени составляет срабатывания реле КРС при малых кратностях замеряемого сопротивления?

3. Какие защиты получают на железных дорогах переменного тока?

4. Какие защиты применяют на постах секционирования в качестве 1-й и 2-й ступени?

5. Структурная схема электронной защиты тяговых сетей переменного тока 27,5 кВ.

Литература

1. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Марквард К.Г. М.Транспорт.1986 г.

2. Электроснабжение электрифицированных дорог. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н. М.Транспорт.1989 г.

3. Автоматизированные системы управления устройствами электроснабжения железных дорог. Почаевец В.С. М.Маршрут, 2006 г.

4. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2012.

5. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Электроснабжение электрифицированных дорог». Жармагамбетова М.С. Алматы, 2013.