2 Типы релейной защиты, применяемые на проектируемой тяговой подстанции

2.1Релейная защита понижающих трансформаторов

Типы защиты, применяемой на трансформаторах различной мощности, регламентируются правилами устройства электроустановок (ПУЭ). На понижающих трехобмоточных трансформаторах тяговых подстанций устанавливаются следующие типы защиты:

от повреждений внутри бака трансформатора и недопустимого понижения уровня масла – двухступенчатая газовая защита;

от короткого замыкания внутри обмоток и на их выходах – продольная дифференциальная защита;

от внешнего короткого замыкания для резервирования продольной дифференциальной и газовой защиты – максимальная токовая защита (МТЗ) с независимой выдержкой времени в трехфазном трехрелейном исполнении со стороны 110 – 220 кВ (в случае недостаточной чувствительности защита дополняется блокировкой минимального напряжения);

от короткого замыкания на шинах 11кВ, обеспечивающих питание выпрямленных агрегатов – МТЗ в двухфазном двухрелейном исполнении. Защита действует с выдержкой времени на отключение секционного выключателя шин 11 кВ, если он есть, и с большей (на ступень селективности) выдержкой времени – на отключение выключателя ввода 11кВ;

от короткого замыкания на шинах 38,5 кВ районной нагрузки и для резервирования защиты отходящих фидеров – МТЗ в двухфазном двухрелейном исполнении. Защита действует на отключение секционного выключателя шин 38,5 кВ, если он есть, и с большей (на ступень селективности) выдержкой времени – на отключение выключателя ввода 38,5 кВ. Допускается не устанавливать эту защиту в случаях, если МТЗ стороны 110 – 220 кВ имеет достаточную чувствительность к короткому замыканию на шинах 38,5 кВ районной нагрузки. При этом МТЗ стороны 110 – 220 кВ выполняется с двумя реле времени, контакты одного из которых вводятся в цепи отключения секционного выключателя и выключателя ввода 38,5 кВ;

от перегрузок – МТЗ в однофазном исполнении со стороны 110 – 220 кВ и со стороны обмоток среднего и низкого напряжения, если они не рассчитаны на полную мощность трансформатора.

Для контроля температуры верхних слоев масла трансформатора устанавливаются термосигнализаторы.

Все понижающие трансформаторы с первичным напряжением 110 – 220 кВ оборудуются дутьевым охлаждением. Дутьевая установка включается контактом термосигнализатора при температуре масла выше +55С и контактом токового реле при нагрузке трансформатора по току на 70 % выше номинальной.

2.2 Релейная защита трансформаторов собственных нужд

На тяговых подстанциях устанавливаются два трансформатора собственных нужд мощностью 100 – 400 кВ∙А, один из которых – рабочий, второй – резервный.

На трансформаторах такой мощности принято устанавливать следующие типы защиты:

от внутренних повреждений – токовую отсечку без выдержки времени;

от коротких внешних замыканий – максимальную токовую защиту с выдержкой времени;

от перегрузок – максимальную токовую защиту.

Защита от внутренних повреждений и внешнего короткого замыкания устанавливается со стороны обмотки высокого напряжения и действует на отключение трансформатора собственных нужд. Защита от перегрузок чаще всего устанавливается со стороны обмотки низкого напряжения и действует на сигнал.

Для повышения надежности питания собственных нужд тяговых подстанций применяется автоматическое включение резерва (АВР). При исчезновении напряжения на шинах низкого напряжения собственных нужд устройством АВР подается команда на отключение работавшего трансформатора собственных нужд, а после его отключения – на включение резервного.

2.3 Защита преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока

Преобразовательные (выпрямительные, инверторные, выпрямительно-инверторные) агрегаты тяговых подстанций состоят из двух последовательно включенных элементов от которых зависит их перегрузочная способность: преобразовательного (тягового) трансформатора и преобразователя (выпрямителя или инвертора), включенных по определенным схемам.

Преобразовательные трансформаторы допускают перегрузку 50 % в течение 2 ч, 100 % – 10 мин и 200 % – 1 мин с периодом повторения 1 раз в три часа. Выпрямители тяговых подстанций согласно требованиям ГОСТ 18142-72 должны выдерживать перегрузку 25 % в течение 15 мин, 50 % – 1 раз в 30 мин. При этом за время работы преобразователя в режиме перегрузки среднее квадратичное значение тока за любые 30 мин (время усреднения) не должно превышать значение номинального тока. Таким образом, трансформаторы допускают большую перегрузку (и по кратности, и по длительности), чем преобразователи, поэтому при выборе и расчете установок защиты преобразовательных агрегатов от сверхтоков необходимо ориентироваться в первую очередь на перегрузочную способность преобразователей.

Идеальной защитой преобразователя от сверхтоков была бы такая защита, которая имела бы ампер-секундную характеристику, совпадающую с ампер-секундной характеристикой соответствующего преобразователя. В реальных условиях применяют защиту, защищающую преобразователь только на некотором участке его ампер-секундной характеристики.

На преобразовательных агрегатах тяговых подстанций применяются следующие устройства защиты, контроля и сигнализации.

Токовая отсечка и максимальная токовая защита с выдержкой времени 0,4 – 0,5 с, выполняемые на основе реле РТ-40.

Газовая защита трансформатора с действием первой ступени на сигнал (при слабых газообразованиях и понижении уровня масла), второй ступени – на отключение (при интенсивном газообразовании).

Максимальная токовая защита обратной последовательности с выдержкой времени 1 – 2 с от замыкания на землю одной фазы ошиновки от трансформатора до преобразователя. При некоторых схемах включения выпрямительных агрегатов и таком повреждении ток не достигает значения, опасного для трансформатора или выпрямителя, однако, при этом на электрифицированных железных дорогах постоянного тока по рельсовым цепям протекают токи гармоник с частотами, кратными 50 Гц, что может в ряде случаев приводить к ложной работе железнодорожной сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Токовая защита обратной последовательности может не применяться, если имеются другие типы защиты, реагирующие на упомянутый вид повреждения.

Защита от замыкания на землю (на заземленные металлоконструкции в шкафах вентильных блоков, плюсовой и минусовой шин) на стороне выпрямленного напряжения преобразователя.

При установке преобразователя в помещении (в РУ-3,3 кВ) шкафы вентильных блоков, фланцы изоляторов, разъединителей, быстродействующих выключателей и другие устройства заземляют на внутренний контур заземления. При замыкании на землю в любой точке РУ-3,3 кВ срабатывает земляная защита 3,3 кВ, воздействующая на отключение всех преобразовательных агрегатов, быстродействующих выключателей и линейных разъединителей всех фидеров 3,3 кВ подстанции.

В случае установки преобразователей вне РУ-3,3 кВ соответствующие элементы каждого преобразователя через обмотку специального реле защиты от замыкания на землю заземляют на наружный контур заземления подстанции. При срабатывании этого реле защита воздействует на отключение только данного преобразователя.

Защита во всех случаях действует без выдержки времени и с постоянной блокировкой, исключающей возможность повторного включения в работу преобразователя устройствами автоматики или телеуправления без предварительного осмотра его и деблокировки защиты.

Защита от пробоя вентилей, которая при повреждении одного вентиля (одной параллельной группы) в фазе (вентильном плече) преобразователя воздействует на сигнал, двух вентилей и более – на отключение.

На некоторых типах преобразователей (ПВКЕ-2, ПВЭ-5АУ1 и др.) защита от пробоя вентилей не предусматривается.

Защита от длительной перегрузки преобразовательного агрегата, воз-действующая с выдержкой времени на сигнал или на включение резервного агрегата.

Защита от исчезновения или превышения допустимой несимметрии импульсов управления на одной или нескольких фазах (для преобразователей с управляемыми вентилями), действующая на сигнал или на отключение преобразователя. При этих ненормальных режимах в рельсовых цепях СЦБ могут появиться токи гармоник с частотами, кратными 50 Гц, с соответствующими недопустимыми последствиями.

Защита от перегрева преобразовательного трансформатора. Контроль температуры верхних слоев масла в трансформаторе осуществляется термосигнализатором (ТС-100, СТ-2 ЦНИИ). При температуре масла свыше +55С независимо от нагрузки включается дутьевое (при наличии такового) охлаждение трансформатора. При нагрузке по току выше 70 % номинальной независимо от температуры масла также включается дутьевое охлаждение. При достижении маслом температуры от +75 до +80С подается сигнал о перегреве трансформатора.

Тепловая защита от превышения допустимой температуры полупроводниковой структуры вентилей преобразователя, воздействующая на управление системой принудительного охлаждения вентильных блоков, включение резервных преобразовательных агрегатов, сигнал и отключение преобразователя.

Защита от коммутационного и индуктированного атмосферного перенапряжения на сторонах вторичного напряжения преобразовательного трансформатора и выпрямленного тока, которая осуществляется ограничителями перенапряжения.

Аппаратура автоматического регулирования мощности (АРМ) для повышения надежности электроснабжения и коэффициента мощности электрической тяги и уменьшения потерь электрической энергии в преобразовательных агрегатах (при наличии на подстанции двух агрегатов и более).

При выборе трансформаторов тока необходимо также учитывать, что на инверторных и выпрямительно-инверторных агрегатах предусматривается по одному комплекту вторичных обмоток трансформаторов тока для подключения счетчиков электроэнергии (одного счетчика реактивной энергии и двух – со стопорами активной энергии) и датчиков тока и переключения режимов.

2.4 Релейная защита линий автоблокировки и фидеров нетяговых потребителей

На электрифицированных железных дорогах применяются три схемы питания высоковольтных линий автоблокировки: односторонняя (консольная), встречно-консольная и двусторонняя (параллельная).

При односторонней схеме линия автоблокировки питается от одной из тяговых подстанций, при исчезновении на ней напряжения питание линии автоблокировки автоматически переводится на смежную тяговую подстанцию. Простота этой схемы определила ее наибольшее распространение.

При встречно-консольной схеме питания в середине фидерной зоны на высоковольтной линии автоблокировки делается раздел зоны и напряжение в данную линию подается от обеих подстанций. При такой схеме питания в случае отключения любой из питающих тяговых подстанций включается разъединитель или выключатель поста секционирования и питание высоковольтной линии автоблокировки будет осуществляться от смежной тяговой подстанции.

Встречно-консольная схема питания имеет некоторые преимущества по сравнению с односторонней (улучшение уровня напряжения в линии автоблокировки, включение в случае повреждения части высоковольтной линии между тяговыми подстанциями), поэтому этой схеме следует отдавать предпочтение.

При двусторонней схеме высоковольтная линия автоблокировки питается от двух смежных тяговых подстанций. Эта схема питания высоковольтных линий автоблокировки не получила широкого распространения, так как в ней могут возникать значительные по величине уравнительные токи, затрудняющие выполнение токовой релейной защиты.

Высоковольтные линии автоблокировки, как правило, выполняются напряжением 6 или 10 кВ, в последнее время – напряжением 10 кВ, так как при этом напряжении в случае одной и той же передаваемой мощности снижаются потери напряжения и, следовательно, увеличивается пропускная способность таких линий.

В большинстве случаев питание высоковольтных линий автоблокировки осуществляется от шин собственных нужд тяговой подстанции 0,23 (0,38) кВ через повышающий трансформатор, реже – от шин 6 (10) и 27,5 кВ.

Присоединение высоковольтных линий автоблокировки к шинам 6 (10) кВ выполняется так, чтобы не было электрической связи с другими высоковольтными линиями, в том числе с ЛЭП продольного электроснабжения. Это требование обусловлено ограничением тока однофазного замыкания на землю, которое оказывает влияние на линии связи и рельсовые цепи автоблокировки. Исключение электрической связи между линией автоблокировки и другими высоковольтными линиями достигается установкой изолированных трансформаторов.

Повышающие трансформаторы защищаются предохранителями.

На высоковольтных линиях автоблокировки устанавливаются следующие типы защиты:

от двухфазного, трехфазного короткого замыкания и перегрузки – максимальная токовая защита с выдержкой времени в двухфазном двухрелейном исполнении или максимальная токовая защита с выдержкой времени в двухфазном трехрелейном исполнении;

от двухфазного и трехфазного короткого замыкания – токовая отсечка с ограниченной зоной действия (10 – 20 % длины фидерной зоны);

от однофазного короткого замыкания – токовая защита с выдержкой времени с трансформаторами тока нулевой последовательности или направленная токовая защита типа ЗЗП-1 (ЗЗП-1М);

от понижения или исчезновения напряжения на шинах пункта питания – защита минимального напряжения.

Для повышения надежности электроснабжения на высоковольтных линиях автоблокировки применяются устройства АПВ и АВР.

На тяговых подстанциях, как правило, предусматриваются фидеры, предназначенные для питания нетяговых нежелезнодорожных потребителей от шин 6 (10) или 35 кВ. На таких фидерах устанавливаются следующие типы защиты:

от двухфазного, трехфазного короткого замыкания и перегрузки – максимальная токовая защита с выдержкой времени в двухфазном двухрелейном исполнении или в трехфазном трехрелейном;

от двухфазного и трехфазного короткого замыкания – токовая отсечка без выдержки времени в двухфазном двухрелейном исполнении или в трехфазном трехрелейном;

от замыкания одной фазы на землю – защита с действием на сигнал.

2.5 Релейная защита компенсирующих и многофункциональных оптимизирующих устройств

На УПК, состоящих из конденсаторов со встроенными предохранителями секций, предусматривается установка следующих типов защиты:

от тока короткого замыкания и перегрузки – максимальная токовая защита с выдержкой времени;

от тока короткого замыкания – продольная дифференциальная токовая защита;

от пробоя изоляции конденсаторов – дифференциальная защита по напряжению;

от коммутационного перенапряжения – резисторы, включаемые в цепь УПК в переходном режиме.

На устройства ПЕК устанавливаются следующие типы защиты:

от тока короткого замыкания (при коротком замыкании на электровозах или в тяговой сети) – шунтирующие разрядники и высоковольтные выклю-чатели;

от перегрузки – защита максимального напряжения;

от нарушения изоляции обкладок конденсатора – балансная токовая защита;

от нарушения изоляции платформ – групповые разрядники в сочетании с балансной токовой защитой.

3 Защита понижающего трансформатора

3.1 Максимальная токовая защита ввода 11 кВ

Для трехобмоточных трансформаторов с объединенной МТЗ на стороне 11 кВ первичный ток срабатывания защиты

, (3.1)

где k_н – коэффициент надежности, k_н=1,15;

k_сз – коэффициент самозапуска, для МТЗ ввода 11кВ k_сз=1;

k_в – коэффициент возврата реле, для реле типа РТ-40 k_в=0,9;

I_{нагр.макс} – максимальный ток нагрузки, для МТЗ ввода 11 кВ принимаем I_{нагр.макс}=2I_н.т;

I_н.т – номинальный ток обмотки 11 кВ понижающего трансформатора,

, (3.2)

где S_н.пт – номинальная мощность понижающего трансформатора;

U_н – номинальное напряжение, U_н=11 кВ.

,

,

.

Ток срабатывания реле

, (3.3)

где k_сх – коэффициент схемы, зависящий от схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока и реле, для неполной звезды k_сх=1;

– коэффициент трансформации трансформаторов тока, =200;

.

Коэффициент чувствительности защиты должен удовлетворять условию

, (3.4)

где I⁽²⁾_к.мин – минимальное значение тока двухфазного к. з. на шинах 11 кВ, А

I⁽²⁾_к.мин=0,86I⁽³⁾_к.мин,

I⁽²⁾_к.мин=0,864800=4128 А.

.

На тяговых подстанциях постоянного тока проверяется также чувствительность МТЗ ввода 11 кВ для резервной зоны по минимальному току I⁽³⁾_к.мин трехфазного к.з. на выводах вторичной обмотки трансформатора выпрямительного агрегата. При этом коэффициент чувствительности должен удовлетворять условию

(3.5)

k_т – коэффициент трансформации тягового (преобразовательного) трансформатора, равный отношению номинальных линейных напряжений его первичной и вторичной обмоток, k_т.= U₁/U₂ =11/0,755/1,73=8,41;

К_{ч рез} = 43000 /2145,1/8,41= 2,38 ≥ 1,2.

Выдержка времени на отключение секционного выключателя:

, (3.6)

где t_н.п. – наибольшая выдержка защит присоединений, t_н.п.=0,1 с;

t – ступень селективности, t=0, 5 с;

.

Выдержка времени на отключение выключателя ввода 11 кВ:

Схема МТЗ ввода 11 кВ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальная схема МТЗ ввода понижающего трансформатора 11кВ

Производим подбор реле. Реле тока (напряжения, времени) выбирается так, чтобы ток (напряжение, время) срабатывания находилось в пределах возможных уставок. Промежуточное реле выбирается по оперативному напряжению. Указательное реле выбирается по току промежуточного реле (вычисляется через мощность и напряжение) так, чтобы ток срабатывания был меньше этого тока, а номинальный – больше.

Выбираем реле тока РТ-40/20 при параллельном соединении катушек; реле времени ЭВ-122, tу=0,25-3,5 с; промежуточное реле РП-251; указательное реле РУ-21/0,05. Выбор сведен в таблице 3.

Таблица 3 - Выбор реле для МТЗ ввода 11 кВ

Условное обозначение	Назначение	Тип
КА1, КА2	Реле максимального тока	РТ-40/20
КТ1	Реле времени	ЭВ-122
КН1	Указательное реле	РУ-21/0,05
KL1	Промежуточное реле	РП-251

3.2 Максимальная токовая защита ввода 38,5 кВ

Расчет аналогичен расчету МТЗ ввода 11 кВ и ведется по формулам (3.1)-(3.4), в которые подставляются следующие, отличные от ранее указанных, величины: U_н=38,5 кВ, =60,

,

,

,

,

,

Выдержка времени на отключение секционного выключателя определяется по (3.5), а выключателя ввода 38,5 кВ – также по (3.5), но на ступень селективности выше, чем у секционного выключателя

,

.

Схема МТЗ ввода 38,5 кВ представлена на рисунке 2.

TA1 TA2 TA3

Рисунок 2 - Принципиальная схема МТЗ ввода понижающего трансформатора 38,5 кВ

Производим подбор реле. Выбираем реле тока РТ-40/20. Применяем также: реле времени ЭВ-122 на постоянный ток, U_н=110 В, t_у=0,25-3,5 с; промежуточное реле РП-251 на постоянный ток, U_н=110 В, I=0,055 А; указательное реле РУ-21/0,05, I_ср=0,05 А, I_н =0,15 А. Выбор сведен в таблице 4.

Таблица 4 - Выбор реле для МТЗ ввода 35 кВ

Условное обозначение	Назначение	Тип
КА1, КА2	Реле максимального тока	РТ-40/20
КТ1, КТ2	Реле времени	ЭВ-122
КН1	Указательное реле	РУ-21/0,05
KL1	Промежуточное реле	РП-251