Цифровая защита фидеров контактной сети постоянного тока ЦЗАФ-3,3 кВ, эффективность использования, выбор уставок в границах Тайгинской дистанции электроснабжения

Рисунок 8 – Схема расположения мертвых зон

Если для расчетных точек к1 и к2 условие (1.1) не выполняется, то зону защиты выключателей подстанции и поста уменьшают (увеличивают значение ). В этом случае для выключателей подстанции А и подстанции Б образуются мертвые зоны возле поста секционирования, а для выключателей поста – мертвые зоны возле подстанции. Защита подстанций не реагирует на к.з. в мертвых зонах возле поста, а защита поста не реагирует на к.з. в мертвых зонах возле подстанций.

1.3.2 Максимальная импульсная токовая защита

Максимальная импульсная токовая защита (МИЗ) реализуется с помощью автоматических быстродействующих выключателей с индуктивным шунтом или реле РДШ; используется как основная в межподстанционной зоне для фидеров подстанций и постов секционирования, а также тупиковых фидеров (станционные, деповские). Для пунктов параллельного соединения может использоваться только при неполяризованных выключателях в качестве резервной.

Для повышения чувствительности выключателя к коротким замыканиям параллельно размагничивающему витку подключается индуктивный шунт. При этом выключатель, как реле прямого действия, приобретает новые свойства: он реагирует не только на значения тока, но и на признаки, характеризующие изменение его в переходном процессе.

Уставка срабатывания  выбирается по условию (1.1) при кв=1, в котором коэффициент запаса кз принимают равным 1,15-1,25.

Выбранная уставка проверяется по наименьшему значению  при котором замыкании в конце зоны защиты. При этом уставка выключателей фидеров тяговых подстанций должна отвечать следующим условиям:

·          для выключателей типа АБ2/4 и АБЗ/4 с полным пакетом стальных пластин индуктивного шунта (240 мм), а также выключателей ВАБ-28 с реле РДШ-1

;(1.3)

·          для выключателей АБ2/4 (выпуска 1966 года и позже) при полном пакете стальных пластин индуктивного шунта (200 мм), выключателей типа

·          ВАБ-43-4000/30-Л-УХЛ4 с номинальными параметрами индуктивного шунта, а также выключателей ВАБ-28 с реле РДШ-3000:

;(1.4)

·          При наличии на фидере подстанции двух соединенных последовательно выключателей допускается для каждого из них выбирать разные уставки (кроме выключателей ВАБ-43-4000/30-Л-УХЛ4, для которых уставка обоих выключателей должна быть одинаковой). Уставка Iу,МИЗ,1 выключателя с уменьшенным от 65 до 70 процентов пакетом стали индуктивного шунта. Уставка Iу,МИЗ,2 второго выключателя с полным пакетом шунта должна отвечать условию:

Iу,МИЗ,2 ≤ (1,6 – 1,8)Iк,min;(1.5)

·          для выключателей типа ВАБ-43-6300/30-Л-УХЛ4 с номинальными параметрами индуктивного шунта:

;(1.6)

Уставка  автоматических быстродействующих выключателей с индуктивными шунтами на постах секционирования и пунктах параллельного соединения выбирается по условию (1.1). Выбранная уставка проверяется по условию:

.(1.7)

1.3.3 Защита минимального напряжения

Защиты минимального напряжения реагируют на уровень напряжения в тяговой сети. Основным органом такой защиты является реле минимального напряжения, которое подключается к контактной сети через добавочный резистор. Оно срабатывает, когда уровень напряжения в контактной сети (в месте подключения реле) становится ниже уставки срабатывания U.

Защита минимального напряжения (ЗМН) может использоваться на постах секционирования и пунктах параллельного соединения. Она может устанавливаться также на перегоне при воздействии на короткозамыкатель или при условии передачи информации на смежные подстанции или пост секционирования по каналам телемеханики.

На пунктах параллельного соединения потенциальная защита может использоваться как основная, в остальных случаях — как резервная.

Нижний уровень уставки реле выбирается равным 500-600 В, верхний — в диапазоне 2200-2500 В. При напряжении в контактной сети выше нижнего уровня уставки контакты реле замкнуты. Если напряжение выше верхнего уровня, стабилитроны переходят в режим стабилизации. Токи в мостовой схеме перераспределяются и реле размыкает контакты. Таким образом, контакты реле замыкаются только при напряжении в сети выше нижнего и ниже верхнего уровня уставки. При нормальном напряжении в сети, а также в случае его отсутствия контакты разомкнуты. Нет необходимости вводить в цепь реле блок-контакты фидерных выключателей. Поэтому команда на включение короткозамыкателя или на отключение выключателей подается не каскадно, а сразу. Время отключения при этом уменьшается.

Уставка срабатывания  выбирается по условию:

(1.8)

где  – наименьшее допустимое напряжение в контактной сети при нормальной работе, принимаемое равным 2700 В;

Выбранная уставка проверяется на чувствительность к коротким замыканиям по формуле:

(1.9)

где  – наибольшее напряжение в месте установки защиты при коротком замыкании в расчетной точке.

Если потенциальная защита является основной (пункты параллельного соединения), то она выполняется без выдержки времени. При использовании ее в качестве резервной применяется выдержка времени, величина которой на 0,1-0,2 с больше, чем у резервной защиты с наибольшей выдержкой времени.

1.3.4 Защита по сопротивлению

Дистанционная защита может использоваться в качестве основной или (и) резервной на фидерах подстанций и постов секционирования, а также как резервная на пунктах параллельного соединения. Защита выполняется, как правило, одноступенчатой или двухступенчатой. В устройстве ЦЗАФ-3,3 дистанционная защита (защита по сопротивлению) выполнена в одноступенчатом варианте.

Выдержка времени любой ступени резервной защиты не должна превышать от 0,2 до 0,3 с.

При использовании одноступенчатой или первой ступени двухступенчатой дистанционной защиты в качестве резервной ее выдержка времени устанавливается, как правило, не более чем от 0,1 до 0,15 с. Допускается использование этой ступени без выдержки времени.

Уставку срабатывания резервной защиты выбирают по условию:

(1.10)

где  – наименьшее значение сопротивления петли короткого замыкания, измеряемое защитой выключателя;

 – коэффициент отстройки. Для защит, реагирующих на ток, его производную тли интегральное за заданный промежуток времени, принимают значение 1,2-1,6. Для защит, реагирующих на напряжение или сопротивление петли короткого замыкания, принимают равным 0,85-0,9

Уставка срабатывания резервной защиты Rу выбирается по условию:

(1.11)

где –  - максимальное значение сопротивления петли короткого замыкания, Ом.

Коэффициент чувствительности кч в выражении (1.11) принимается равным 1,25.

Для второй ступени коэффициент чувствительности принимаем 1,15. Вторая ступень защиты по сопротивлению на постах секционирования при нормальной схеме питания, как правило не применяется.

Вторая ступень двухступенчатой дистанционной защиты используется на выключателях тяговой подстанции в качестве резервной при нормальной схеме питания.

Выбранная уставка проверяется на нечувствительность к нормальным режимам по условию:

(1.12)

где  – коэффициент адаптации. Для защиты без адаптации принимают равным 1, для защит с адаптацией осуществляющих автоматическое загрубление уставки при больших тяговых токах принимают равным 1,2-1,3;

Достоинством защиты по сопротивлению является независимость зоны ее действия от уровня напряжения в контактной сети. Зашита по сопротивлению на фидерах тяговых подстанций обеспечивает требуемые условия чувствительности в зоне примерно на 20 % длиннее, чем токовая защита.

Эффективным является применение защиты по сопротивлению в дополнение к максимальной импульсной защите, осуществляемой быстродействующими выключателями. При больших размерах движения быстродействующие выключатели обычно имеют значительное число ложных отключений, а уставку их для отстройки от нормального режима поднять не удается, так как при этом сокращается зона защиты. Однако, если применить защиту по сопротивлению, то можно на 30-40 % увеличить уставку срабатывания быстродействующего выключателя так, чтобы сократить или вообще исключить его ложные отключения в нормальном режиме. Сокращение зоны действия максимальной импульсной защиты при коротком замыкании при этом не опасно, поскольку эта зона будет перекрываться защитой по сопротивлению. Совместное применение максимальной импульсной защиты и защиты по сопротивлению позволяет обеспечить требуемую чувствительность при тяговых токах фидеров на 20-25 % большие, чем только при одной токовой защите. Особенно эффективно применение защиты по сопротивлению на фидерах постов секционирования, поскольку при удаленных к.з. напряжение на их шинах снижается значительно больше, чем на подстанциях.

1.3.5 Защита реагирующая на приращение тока

Контроль за приращением тока осуществляет схема, приведенная на рисунке 9.

Рисунок 9 – Функциональная схема защиты реагирующей на приращение тока

Функциональная схема содержит трансформатор TAV с воздушным зазором, режекторный фильтр ZF, пороговые элементы фиксированного времени КТ интегратор А и выходной орган ВО. Интегратор А имеет информационный вход, на который поступает напряжение  с фильтра ZF, и управляющий вход, соединенный с выходом элемента времени КТ. Интегрирование производится в интервале времени, пока на управляющем входе имеется разрешающий сигнал. Постоянная времени интегратора принимается равной 3-5 с.

На вторичной обмотке трансформатора TAV при этом образуются сигналы, которые после очищения в фильтре ZF от пульсаций интегратора А получает сигнал . Амплитуда этого сигнала в конце интервала времени в некотором масштабе пропорциональна приращению тока в контактной сети.

Если эта амплитуда превысит уставку порогового элемента KV2, то последний сработает и через выходной орган отключит выключатель Q. Уставка , определяемая порогом срабатывания элемента KV2, выбирается по условию:

(1.13)

где – наибольшее приращение тока в нормальном режиме;

 – наименьшее приращение тока при к.з.;

 – коэффициент снижения приращения тока короткого замыкания при наличии значительной нагрузки в момент, предшествовавший повреждению контактной сети, принимают 0,7-0,8

Коэффициенты  принимают равным 1,1-1,3.

В качестве  принимают значение тока  протекающего через рассматриваемый выключатель подстанции или поста секционирования при к.з. в конце зоны защиты, при условии, что до момента к.з. ток нагрузки был равен нулю.

Велечину  принимают, как правило, на основе опытных данных для конкретного участка.

1.3.6 Защита по скорости нарастания тока

В электронных схемах в качестве датчика скорости нарастания тока используется тот же трансформатор с воздушным зазором в магнитопроводе TAV, а вместо реле тока используют реле напряжения на операционном усилителе с большим входным сопротивлением, выполняющее роль порогового элемента. Функциональная схема защиты (рисунок 10) содержит режекторный (заграждающий) фильтр ZF, реле напряжения (компаратор) KV, элемент удлинения сигнала (реле времени) KT и выходной орган ВО. Фильтр ZF и элемент удлинения сигнала КТ подавляют помехи, которые образуются за счет процессов коммутации в выпрямительных агрегатах и неидеального сглаживания выпрямленного тока сглаживающими устройствами тяговых подстанций.

При изменении в контактной сети величины тока в нормальном или в режиме к.з. в самый первый момент на вторичной обмотка трансформатора TAV возникает э.д.с. Напряжение уставки порогового элемента KV обозначим . Если скорость нарастания тока в переходном процессе достаточно велика, то будет выполняться соотношения:

(1.14)

(1.15)

где  – наибольшее значение э.д.с. на вторичной обмотке трансформатора в нормальном режиме;

 – наибольшее значение э.д.с. на вторичной обмотке трансформатора в режиме к.з.

Рисунок 10 – Функциональная схема защиты по скорости нарастания тока

В этом случае пороговый элемент KV переключается и через элемент КТ подается сигнал на выходной орган ВО, который осуществляет отключение выключателя Q. Элемент КТ удлиняет сигнал. поступивший от KV примерно на 1,6 мс.

Уставку срабатывания  выбирают по условию:

(1.16)

Коэффициент запаса kз принимают равным 1,1-1,3, коэффициент чувствительности должен быть не менее величин, указанных в таблице 15.

1.4 Расчет уставок защиты ЦЗАФ-3,3

1.4.1 Расчет параметров нормального режима

К расчетным параметрам нормального режима относят величины максимальных токов, минимальных значений напряжений и минимальных значений сопротивлений, измеряемых защитами фидеров тяговых подстанций и постов секционирования, а также защитами, установленными на пунктах параллельного соединения.

Максимальный ток фидера на подстанциях, постах секционирования и пунктах параллельного соединения вычисляют на основании данных о значениях пускового тока поезда максимальной массы и средних токах за время хода по межподстанционной зоне поездов максимальной и расчетной массы, определяемых на основании тяговых расчетов.

При отсутствии таких расчетов значение пускового тока Iтр (тока трогания) одного локомотива принимают по таблице 14. При кратной тяге значение пускового тока увеличивают пропорционально числу электровозов (секций) в поезде.

На участке Тайга - Мариинск используются электровозы постоянного тока ВЛ10, ВЛ11 и 2 секции 2ВЛ10.

Средние по длине межподстанционной зоны эффективные токи Iг грузовых поездов максимальной и расчетной массы вычисляют по формуле:

(1.17)

гдеwг — удельный расход электроэнергии на движение грузового поезда массой Qг , Вт·ч/(т·км);

Qг — масса грузового поезда, т;

v — средняя скорость движения грузового поезда массой Qг в межподстанционной зоне, км/ч;

Uэ — номинальное напряжение электровоза, принимаем равным

3000 В;

кэф — коэффициент эффективности тока поезда;

кз — коэффициент, учитывающий дополнительное электропотребление в зимних условиях (принимают равным 1,1);

кd — коэффициент, учитывающий соотношение между средним значением выпрямленного тока и действующим значением переменного тока (принимают равным 1);

кU — отношение действующего значения напряжения первичной обмотки трансформатора электровоза к среднему значению выпрямленного напряжения (принимают равным 1);

км — коэффициент мощности электровоза (принимают равным 1);

h — коэффициент полезного действия (принимают по таблице 14).

Допускается принимать значение удельного расхода электроэнергии на движение грузовых поездов wг равным, Вт·ч/(т·км), для типов профилей пути. Для участка Тайга - Мариинск принимаем wг=17 Вт·ч/(т·км), что соответствует холмистому профилю пути.

Значение коэффициента эффективности тока поезда кэф определяют по формуле:

кэф = 1 + 0,2 (1.18)

где  — отношение времени хода поезда по зоне х ко времени его хода под током т ( = х / т ). Значение  зависит от профиля пути и режима ведения поезда. Оно изменяется в пределах от 1,1 до 2,5 и принимается по данным тяговых расчетов. Наиболее распространенные значения от 1,2 до 1,4.

Принимаем 1,3.

кэф =1+0,2∙1,3=1,26

Масса 4000 т.

Масса 5800 т.

Масса 6500 т.

Расчетную величину максимального тока фидера подстанции Iн,mах вычисляют по формуле:

(1.19)

где Iгр — средний ток грузового поезда расчетной массы, А;

Iгм,тр — ток трогания поезда максимальной массы, А;

Iгм — средний ток грузового поезда максимальной массы, А;

nэ — расчетное число поездов в расчетной зоне на одном пути;

nэ,гм — то же поездов максимальной массы. Значение nэ,гм принимается равным двум, если число поездов максимальной массы за сутки составляет от 5 до 25 % общего числа поездов и равным единице, если число поездов максимальной массы за сутки составляет менее 5 % общего числа поездов, принимаем равным 1;

к — коэффициент, равный единице при одностороннем питании и равный двум при двухстороннем питании контактной сети. Принимаем к = 2.Значение расчетного числа поездов nэ в расчетной зоне на одном пути принимают равным:

— для однопутных участков nэ = 4;

— для двухпутных участков

(1.20)

где х — время хода поезда по расчетной зоне, мин;

 — период графика (интервал попутного следования, принимаем 8 мин), мин;

— длина расчетной зоны, км;

v — средняя скорость движения, км/ч.

Рассмотрим расчет межподстанционной зоны Яя – Ижморская. На границах межподстанционной зоны расположены тяговые подстанции ЭЧЭ-311 Яя и

ЭЧЭ-312 Ижморская. В середине межподстанционной зоне расположены пост секционирования ПС Почитанка, так же установлены пункты параллельного соединения ППС расположенные на 3028 и 3037 км.

Длина межподстанционной зоны составляет 17,1 км. На рисунке 11 представлена расчетная схема межподстанционной зоны.

Рисунок 11 – Расчетная схема межподстанционной зоны

Значение расчетного числа поездов nэ в расчетной зоне на одном пути принимают равным:

Расчетное значение максимального тока фидера тяговой подстанции:

Расчетное значение максимального тока фидера поста секционирования вычисляют по формуле:

(1.21)

где  — длина расчетной зоны, км;

АВ — расстояние между смежными подстанциями А и В, км;

n'э , n'э,гм — расчетные значения числа грузовых поездов и числа грузовых поездов максимальной массы в зоне защиты поста секционирования.

Для одностороннего питания принимают к=1, /АВ = 1. Для двухстороннего питания к = 2.

Расчетное значение максимального тока фидера поста

секционирования А:

Расчетное значение максимального тока фидера поста

секционирования Б:

Максимальный рабочий ток пункта параллельного соединения вычисляют при условии, что возле него трогается поезд расчетной массы, при этом соседние пути полагают незагруженными:

(1.22)

где n — число путей с включенной под напряжение контактной сетью, принимаем равным 2.

Минимальное значение напряжения на шинах тяговой подстанции постоянного тока в нормальном режиме работы принимают

Для постов секционирования и пунктов параллельного соединения в нормальном режиме работы величину этого напряжения принимают  В, а для слабо загруженных участков и в схемах с отключенной тяговой подстанцией —

Минимальное значение сопротивления Rн,min, измеряемое защитами выключателей подстанций, постов и пунктов параллельного соединения контактной сети постоянного тока в нормальном режиме работы, вычисляют по формуле:

(1.23)

Минимальное значение сопротивления Rн,min, измеряемое защитами выключателей подстанций в нормальном режиме работы:

Минимальное значение сопротивления Rн,min, измеряемое защитами выключателей постов секционирования в нормальном режиме работы:

Пост секционирования А.

Пост секционирования Б.

Минимальное значение сопротивления Rн,min, измеряемое защитами выключателей пунктов параллельного соединения в нормальном режиме работы:

Выбор уставок защит производится на основе сравнения параметров нормального режима при максимальных нагрузках и установившегося режима короткого замыкания в заданной точке тяговой сети. В основе выбора лежат нормативные требования по обеспечению показателей устойчивости функционирования защиты от коротких замыканий.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10