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

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.

Уставка срабатывания определяется для каждого фидера, при данных расчетах принято допущение, что параметры первого и второго пути одинаковы. Поэтому уставки будут определяться для одного фидера тяговой подстанции Яя питающего межподстанционную зону Яя – Ижморская. Также рассчитываем уставки срабатывания защит для фидеров поста секционирования, а именно для фидера С2 и С4.

1.4.2    Расчет максимальной токовой защиты

Уставка срабатывания максимальной защиты Iу выбирается по условию

(1.24)

где  – коэффициент возврата реле, для цифровой защиты ЦЗАФ-3,3 принимаем равным 0,98;

 – коэффициент запаса, принимаем равным 1,1.

Для фидера тяговой подстанции Яя ток уставки срабатывания равен:

Принимаем ток уставки равный 4400 А.

Для фидера тяговой подстанции Ижморская ток уставки срабатывания равен:

Принимаем ток уставки равный 4400 А.

Для фидера 2 поста секционирования ток уставки срабатывания равен:

Принимаем ток уставки равный 2200 А.

Для фидера 4 поста секционирования ток уставки срабатывания равен:

Принимаем ток уставки равный 2250 А.

Выбранные уставки проверяются по чувствительности к коротким замыканиям в конце зоны защиты по формуле

(1.25)

где  –наименьшее значение тока, при коротком замыкании в конце зоны защиты или зоны резервирования, выбирается по данным программы Кортэс.

Для фидера тяговой Яя подстанции:

Для фидера тяговой подстанции Ижморская:

Для фидера 2 поста секционирования:

Для фидера 4 поста секционирования:

1.4.3    Расчет защиты по сопротивлению

При использовании первой ступени защиты как основной выдержка времени не применяется, а уставку срабатывания Ry выбирают по условию

(1.26)

где  – отношение наименьшего допустимого напряжения Uн,min к максимальному току Iн,max в нормальном режиме, выбирается по данным программы Кортэс;

 – коэффициент адаптации, принимаем равный 1;

 – коэффициент запаса, принимаем равным 1,3;

 – коэффициент возврата, принимаем равным 0,8.

Для фидера тяговой подстанции Яя сопротивление уставки срабатывания равно:

Принимаем сопротивление уставки равным 0,72 Ом.

Для фидера тяговой подстанции Ижморская сопротивление уставки срабатывания равно:

Принимаем сопротивление уставки равным 0,72 Ом.

Для фидера 2 поста секционирования сопротивление уставки срабатывания равно:

Принимаем сопротивление уставки равным 1,32 Ом.

Для фидера 4 поста секционирования сопротивление уставки срабатывания равно:

Принимаем сопротивление уставки равным 1,32 Ом.

Выбранные уставки проверяются по чувствительности к коротким замыканиям в конце зоны защиты по формуле

(1.27)

где  – наибольшее значение сопротивления, при коротком замыкании в конце зоны защиты или зоны резервирования, выбирается по данным программы Кортэс.

Для фидера тяговой подстанции Яя:

Для фидера тяговой подстанции Ижморская:

Для фидера 2 поста секционирования:

Для фидера 4 поста секционирования:

1.4.4    Расчет направленной защиты по приращению тока

Данная защита не имеют явно выраженной зоны действия. Она может использоваться только совместно с защитами, реагирующими на величину тока или сопротивления петли короткого замыкания как блокировка для улучшения отстроенности от параметров нормального режима.

Уставка срабатывания  определяется по формуле

(1.28)

где  – коэффициент запаса, принимаем равным 1,25;

 – наибольшее приращение тока в нормальном режиме, для электровозов ВЛ 10 и ВЛ 11 принимаем 1300 А.

Для фидера тяговой подстанции Яя ток уставки равен:

Принимаем ток уставки равным 1650 Ом.

Для фидера тяговой подстанции Ижморская ток уставки равен:

Принимаем ток уставки равным 1650 Ом.

Для фидера 2поста секционирования ток уставки равен:

Принимаем ток уставки равным 1650 Ом.

Для фидера 4 поста секционирования ток уставки равен:

Принимаем ток уставки равным 1650 Ом.

Выбранные уставки проверяются по чувствительности к коротким замыканиям по формуле

(1.29)

где  –минимальное приращение тока при коротком замыкании, выбирается по данным программы Кортэс;

 – коэффициент снижения приращения тока короткого замыкания при наличии значительной нагрузки в момент, предшествовавший повреждению контактной сети, принимаем равным 0,8.

Для фидера тяговой подстанции Яя:

Для фидера тяговой подстанции Ижморская:

Для фидера 2 поста секционирования:

Для фидера 4 поста секционирования:

1.4.5    Расчет направленной защиты по критической скорости нарастания тока

Данная защита так же как и предыдущая не имеет явно выраженной зоны действия. Она может использоваться только совместно с защитами, реагирующими на величину тока или сопротивления петли короткого замыкания как блокировка для улучшения отстроенности от параметров нормального режима.

Скорости изменения тока в нормальном режиме и при коротком замыкании принимаются на основании опытных данных конкретного участка.

Скорость изменения тока при коротком замыкании превышает, как правило, от 90 до 100 А/с, а в нормальном режиме обычно ее значение меньше чем от 60 до 80 А/с. Однако в нормальном режиме бывают случаи, когда значение этой скорости существенно возрастает. Такое явление имеет место при проезде воздушных промежутков (1000-1500 А/с), при пуске электропоездов (80-300 А/с), после отрыва токоприемников от контактного провода и последующего его касания при больших скоростях движения.

В связи с тем что на данном участке находится остановочная площадка, где происходит остановка электропоездов, то принимаем скорость изменения тока при коротком замыкании равным 300 А/с. И соответственно ток уставки 300 А/с.

Результаты расчета всех остальных тяговых подстанций и постов секционирования приведены в таблицах 15, 16 и 17.

1.4.6    Расчет защиты минимального напряжения

Защита минимального напряжения 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.

Уставка срабатывания  определяется по условию (1.8):

Для фидера 2 и 4 поста секционирования напряжение уставки равно:

Диапазон напряжения при котором срабатывает ЦЗАФ-3,3 от 30 до 1000 В, поэтому принимаем напряжение уставки защиты для постов секционирования равную 1000 В. При этом зона действия защиты уменьшена и будет являться ближним резервом.

Таблица 15 – Результаты расчета уставок максимальной токовой защиты

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8