Принципы построения защит

Модуль 5. Защита от токов короткого замыкания в тяговой сети

Лекция №27, 28. Принципы построения защит в тяговой сети (2 часа)

План лекции:

Принципы построения защит.

Принципы построения защит

Особенности защиты. В процессе эксплуатации системы электроснабжения в результате некоторых повреждений и ошибок обслуживающего персонала в тяговой сети могут образоваться гальванические соединения контактной сети с рельсами — короткие замыкания (к. з.). Короткие замыкания происходят и на электроподвижном сос­таве. В зависимости от места к. з. и от того, произошло ли непосредственное «металлическое» к. з. или через дугу, ток короткого замыка­ния будет иметь большие или меньшие значения. При проектировании и эксплуатации надо считаться как с наибольшими, так и с наи­меньшими возможными значениями токов к. з.

По большим токам к. з. должны быть проверены или выбраны устройства и аппаратура. Такие токи легко отличить от токов нагрузки и создать защиту, вызывающую отключение выключателей, питаю­щих поврежденную зону, — так называемую токовую защиту.

Однако в тяговой сети могут возникать токи к. з., близкие к наибольшим токам нормальных нагрузок или даже меньшие их. Такие токи нельзя отличить по значению от токов нагрузки и построить по этому принципу защиту от них. Между тем малые токи к. з. должны быть также по возможности быстро отключены, поскольку при дли­тельном воздействии они вызывают перегрев и потерю проводами вследствие этого механической прочности. В месте повреждения, как, правило, возникает дуга, которая, если цепь к. з. не будет быстро ра­зорвана, приводит к развитию повреждения в месте к. з. Кроме того, при к. з., какой бы ток они не вызвали, невозможна эксплуатация поврежденного участка.

Малые токи к. з. трудно отличить от токов нормальной нагрузки. В этом заключается трудность защиты от них. Так как наиболее простой признак — значение тока — при простых схемах питания не приме­ним для построения защиты от малых токов к. з., то было предложе­но много других защит, построенных па иных принципах. В этой гла­ве рассматриваются основные из них.

Защиты oт малых токов к. з. При возникновении к. з. и в режиме нормальной работы некоторые процессы и значения не только тока, но и других величин отличаются. Эти различия могут быть использо­ваны для создания различных защит.

Так, при коротком замыкании в тяговой сети снижается напряжение. Наиболее резкое снижение его происходит в месте к. з. (до

Рис. 14.1. Кривые изменения тока фидера

нуля при металлическом к, з.) и в близких к нему точках. Этот признак используется в так назы­ваемых потенциальных защитах.

В цепи к. з. или нагрузки всегда имеются индуктивности. Благодаря этому ток (pис. 14.1) при переклю­чениях па локомотивах и при к. з. изменяется не мгновенно, а о той или иной скоростью. Резкие измене­ния происходят в какие-то моменты , и . Весь процесс изменения тока от одного установившегося значения до другого (или от до ) происходит в течение сотых долей секунды. Скорость этого изменения в начальный момент пропорциональна тангенсу угла на­клона касательной к кривой тока в этой точке, т. е. .

Если скорости изменения тока в режимах к. з. и нагрузки сущест­венно отличаются, можно построить защиту, реагирующую на скорость изменения тока, например, в начальный момент переходного режима.

В процессе увеличения ток возрастает от одного установившегося значения до другого ступенями; , , (см. рис. 14.1). Эти из­менения (скачки) тока в режимах нагрузки и к. з. могут быть разными. Если наибольший скачок тока в условиях нормальной эксплуатации значительно меньше скачка тока при возникновении к. з., то может быть построена защита по скачку тока, называемая импульсной.

В сетях переменного тока широкое распространение получила дистанционная защита, измерительный орган которой реагирует на отношение подведенного к нему напряжения к току. Такая защита применяется и в тяговых сетях. Орган ее, реагирующий на отношение комплексных значений и , так называемое реле полного сопротивления, позволяет более четко выделять режим к. з. В этом случае защита будет срабатывать или не срабатывать в зависимости не только от мо­дуля отношения , но и от аргумента этого отношения.

На отечественных дорогах, электрифицированных по системе переменного тока, используются локомотивы с тяговыми двигателями постоянного тока и выпрямителями. Они нагружают тяговую сеть не только токами основной частоты 50 Гц, но и нечетными гармонически­ми составляющими, часть которых (особенно 3-я гармоника) имеет значительные амплитуды. При к. з. гармонические составляющие оп­ределяются несинусоидальностью напряжения, возникающей, в част­ности, вследствие нагрузок неповрежденных участков и других под­станций, присоединенных к одной линии передачи. В этом случае гар­монические составляющие тока намного меньше, чем при нагрузке. Следовательно, можно выполнить защиту, реагирующую на заданное процентное содержание гармонических составляющих в кривой тока в режимах нагрузки и к. з.

В соответствии с изложенным далее будут рассмотрены защиты, реагирующие на ток (токовые защиты), напряжение (потенциальные зашиты), скорость нарастания тока (защиты по скорости нарастания тока), скачок тока (импульсные защиты), отношение напряжения к току (дистанционные защиты), содержание гармонических составля­ющих (защита по 3-й гармонике тока). Токовые, потенциальные и им­пульсные защиты применимы как при постоянном, так и при перемен­ном токе, защиты по скорости нарастания тока только при постоянном, а дистанционные защиты и защиты по 3-й гармонике — только при переменном токе. В принципе возможны и предлагались защиты по скорости нарастания выпрямленного переменного тока и по сопротив­лению на постоянном токе.

Основные требования к защитам. Требования, предъявляемые во всех случаях к защите, сводятся в основном к следующему: защита должна иметь высокую надежность, быть чувствительной к коротким замыканиям, обеспечивать надежность работы участка в нормальных режимах (отсутствие ложных срабатываний), обладать требуемым быстродействием, обеспечивать селективные отключения поврежденного участка (т. е. отключение только ближайших к месту повреждения выключателей). Более конкретные требования к защите и спосо­бы их обеспечения зависят от схем питания и секционирования тяговой сети.

Для того чтобы защита не срабатывала при отсутствии повреждений (ложные отключения)и надежно реагировала на к. з., уставка защиты, т. е. вызывающее ее срабатывание значение величины, на которую реагирует защита выбирается а определенными запасами.

На линиях постоянного тока защита осуществляется быстродействующими выключателями (БВ), непосредственно реагирующими на ток фидера. При этом, по существующим правилам, требуется, чтобы минимальный ток к. з. был не менее чем на 300 А больше мак­симального тока нагрузки

А. (14.1)

При выборе тока срабатывания защиты , рекомендуется исходить из соотношения

. (14.2)

В [35] указывается, что запас по чувствительности к к. з. 200 А мал, и рекомендуется брать его не менее 300—350 А.

С учетом действия индуктивных шунтов в эксплуатации [36] выбирают уставку БВ исходя из соотношения

. (14.3)

При всех других защитах выбор уставки производят, учитывая коэффициент чувствительности и коэффициент надежности .

Пусть А — величина, которую измеряет защитный орган; — уставка защиты по этой величине; — значение ее при расчетном для данной защиты к. з.; — то же при наиболее неблагоприятных по условию отстройки защиты от ложных срабатываний сочетаниях нагрузок. Тогда, если А возрастает при повреждениях (ток, скорость нарастания тока),

и . (14.4, а и б)

Если же эта величина при повреждениях уменьшается (напряже­ние, сопротивление, ток 3-й гармоники), то

и . (14.5, а и б)

Минимальное значение к.з. принимается равным 1,5, за исключением случая, когда защита, установленная на подстанции, используется для резервирования защиты, установленной на посту секционирова­ния. В этом случае должен быть не менее 1,2. Коэффициент надеж­ности принимают равным 1,15—1,25.

Контрольные вопросы

1. Какие локомотивы используются на отечественных дорогах, электрифицированных по системе переменного тока?

2. Кривые изменения тока фидера.

3. Что такое быстродействующие выключатели?

4. Принципы особенности защиты в тяговой сети.

5. Написать и дать пояснения формулу коэффициент чувствительности?

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.