Формирование расчетных схем
Расчетная схема формируется из заданной (см. рис.1) путем выбора состояния выключателей и точки КЗ. В упрощенных расчетах [25] и для простых защит [13] ограничиваются несколькими схемами, в которых не требуется отдельно учитывать взаимную индуктивную связь между тяговыми сетями двух путей. Действующие нормативы [7] определяют 24 расчетные схемы, приводимые для трех способов питания межподстанционной зоны: раздельного, узлового (с постами секционирования) и параллельного (с постами секционирования и пунктами параллельного соединения). Для рассматриваемого варианта расчетные схемы видоизменяются (рис.7, 8). Схемы, возникающие после отключения ППС, обозначены индексом “к”, а соответствующие режимы названы консольными. Для других вариантов расчетные схемы разрабатываются самостоятельно.
Определение способа защиты и состава защит
При выборе способа защиты тяговой сети необходимо принять во внимание требования, предъявляемые к защитам, характеристики аварийных и рабочих режимов, а также аппаратные реализации, используемые на отечественной сети дорог.
Характеристики срабатывания (ХС) дистанционных защит принято отображать на комплексной плоскости сопротивлений. На электрических железных дорогах получили распространение ХС на базе окружностей (ненаправленные защиты) и секторов (направленные защиты) с центром в начале координат (рис.9).
В [6], [7] изложены требования к защитам устройств тягового электроснабжения. Приведем сокращенный перечень этих требований:
РИС. 7. Расчетные схемы для определения аварийных параметров подстанции
Рис. 8. Расчетные параметры ППС.
Рис. 9. Примеры характеристик срабатывания защит
время отключения поврежденного участка без выдержки времени не более 140 мс для фидеров тяговой подстанции и 120 мс – для поста секционирования. Шаг времени уставок электронных защит должен быть 300 мс. При отказе одной из ступеней защит либо одного выключателя необходимо обеспечить отключение резервными защитами;
фидеры контактной сети тяговой подстанции защищаются трехступенчатой дистанционной направленной защитой, дополненной токовой отсечкой с обеспечением чувствительности защиты до шин смежной подстанции и отстройкой от токов нагрузки, кроме того, требуется аппаратура контроля нагревания проводов для предотвращения их отжига;
фидеры постов секционирования оборудуются, как правило, трехступенчатой дистанционной направленной защитой, дополненной токовой отсечкой, первая ступень обеспечивает селективность до шин подстанции, остальные обеспечивают чувствительность к металлическим КЗ на шинах поста секционирования и подстанции;
шины поста секционирования защищаются по минимальному напряжению;
на пунктах параллельного соединения в качестве основной предпочтительна потенциальная защита, в качестве резервной – максимальная токовая или ненаправленная дистанционная.
Для обеспечения требований по быстродействию следует принять во внимание, что современный вакуумный выключатель типа ВБЦО-35 имеет полное время отключения не более 80 мс.
Рассмотрим особенности нагрузки тяговых фидеров (рис. 10). Основной нагрузкой являются тяговые двигатели электроподвижного состава (на рисунке показан один двигатель М). Двигатели получают питание от контактной сети через главный выключатель Q, тяговый трансформатор Т и выпрямитель UZ. Для сглаживания тока включен сглаживающий реактор Ld. Вторичная или первичная обмотка трансформатора имеет отводы для регулирования напряжения тяговых двигателей.
Для защиты от токов короткого замыкания в силовых цепях устанавливается реле тока КА, от замыкания на землю – реле заземления КZ. Оба реле действуют на главный выключатель Q, собственное время срабатывания которого около 30 мс. Защита двигателей от перегрузки также действует на главный выключатель. От импульсных перенапряжений длительностью до 100 мкс электровозы защищаются разрядниками FV.
На форму тока i, потребляемого из тяговой сети (см. рис.10, в), влияют как процессы коммутации в выпрямителе (характеризуемой углом коммутации , так и конечное значение индуктивности сглаживающего реактора Ld (около 5 мГ) в выпрямленной цепи. Несинусоидальный ток в
Рис. 10Упрощенная схема нагрузок тяговой сети
Рис. 11. Преобразование параметров схемы замещения
цепях переменного тока принято раскладывать в гармонический ряд. Для электровоза переменного тока наиболее выражены первая (основная) i(1) и третья i(3) гармоники (см. рис. 10, г). При этом заметим, что фазный угол первой гармоники тока отстает от напряжения на угол (1) (около 20…40 эл. град), а доля всех высших гармоник в тяговом токе превышает 10% [7]. В отдельных режимах амплитуда третьей гармоники может доходить до 30% от основной [19]. Поскольку при коротком замыкании в тяговой сети высшие гармоники не возникают, этот факт может быть использован при формировании характеристик срабатывания защит фидеров.
При наезде на гололедное образование возникают перерывы питания электровоза (бестоковые паузы). ЭДС двигателей уменьшается, и при восстановлении питания ток увеличивается, растет угол коммутации, фазный угол (1) увеличивается до 55 эл. град. Однако содержание высших гармоник по-прежнему больше, чем при коротком замыкании [19].
При бросках намагничивания нагрузки ток фидера увеличивается до I=1200 А, фазный угол – до 70…80 эл. град, возникает апериодическая составляющая, содержание высших гармоник также увеличивается.
Наибольшую нагрузку ЭПС создает в режиме пуска. Так, ВЛ80 при часовой мощности 6,52 МВт в режиме пуска потребляет до 460 А, ВЛ85 при часовой мощности 10 МВт – 604 А. При этом фазовый угол может достигать значений 40 эл. град.
Приведем краткое описание аппаратных реализаций защит фидеров тяговой сети. До 1972 года в типовых проектах предусматривались релейно-контактные защиты на основе реле сопротивления КРС-132. Первые комплекты защит (УЭЗФ, УЗТБ-71 в вариантах УЭЗФТ и УЭЗФП [13]) содержали 2-ступенчатую дистанционную защиту и ускоренную токовую отсечку. При ближних КЗ первая ступень переходила в режим токовой защиты (блокировка по напряжению). Время срабатывания первых ступеней составляло 30–60 мс, вторые ступени имели выдержки времени 0,3 – 0,5 с. На подстанции первая ступень выполнялась ненаправленной, торая – направленной с сектором срабатывания, ограниченным углами 1=45…55 эл. град и 2=100…110 эл. град. На посту секционирования первая ступень выполнялась направленной, вторая – ненаправленной. Ожидалось, что телеблокировка (2240–3500 Гц) уменьшит время срабатывания вторых ступеней. Недостаток этих защит: ненадежная работа телеблокировки, неселективное действие вторых ступеней защит, мертвая зона по напряжению первой ступени (до 1 км).
К 1982 году была разработана усовершенствованная защита УЭЗФМ [3], [11], [12], [14]. Эта защита имела «память» по напряжению для ликвидации мертвых зон при ближних КЗ и блоки загрубения уставок по высшим гармоникам и апериодической составляющей. Блоки позволяли уменьшить количество ложных отключений при гололеде и при бросках тока намагничивания электровозов. В состав защиты была введена токовая блокировка для отстройки от КЗ на смежных фидерах. В результате первая ступень дистанционной защиты могла использоваться либо как направленная, либо как ненаправленная с токовой блокировкой. Кроме того, допускалось ускорение действия вторых ступеней дистанционной защиты по факту превышения уставки отношения токов в смежных фидерах.
Следующим шагом [15], [19] стало снабжение дистанционной защиты третьей ступенью (АЗФИ, УЭЗФМК, АЗ(М)). Это позволяло обеспечить селективное действие вторых ступеней на подстанции и посту секционирования. Для защиты от падения провода на шпальную решетку или землю могла устанавливаться дополнительная, 4-я ступень с углами срабатывания 1=0 эл. град,2=10…15 эл. град и выдержкой времени 1–2 с.
Микропроцессорные блоки БМРЗ [4] имеют большие функциональные и технические возможности. Все ступени ДЗ при исчезновении напряжения в тяговой сети переходят в режим МТЗ без потерь своих уставок по времени. Защита от КЗ с большим переходным сопротивлением имеет характеристику, задаваемую отдельно по активной и реактивной составляющей (см. рис.9, б). Защита от подпитки учитывает возможность повышения напряжения на стороне 27,5 кВ вследствие обратной трансформации через замкнутые фазы ВН [27]. Имеется логическая защита шин и взаимное резервирование защитами смежных фидеров. Блок оснащен квазитепловой защитой, позволяющей использовать перегрузочную способность тяговой сети. Возможна настройка двух наборов уставок защит, каждый из которых может быть введен по команде энергодиспетчера.
Для рассматриваемого варианта применяем защиту АЗ(М). Состав защит: для подстанции – трехступенчатая дистанционная, дополненная токовой отсечкой; для ПС – двухступенчатая дистанционная, дополненная токовой отсечкой. На шинах ПС устанавливаем потенциальную защиту, на ППС – потенциальную и ненаправленную дистанционную защиты.