Загрузка...
защита установок поперечной и продольной компенсации
Основные понятия
Электроподвижной состав электрифицированных железных дорог на переменном токе потребляет как активную мощность (идущую на создание механической энергии тяговых двигателей), так и реактивную мощность (идущую на намагничивание трансформаторов, реакторов и т.д.). поэтому, для уменьшения потерь энергии и повышения коэффициента мощности, применяют компенсирующие устройства (КУ), которые могут включаться параллельно (поперечная компенсация) или последовательно (продольная При этом коэффициент мощности определяется по выражению:
где,Рt и Qt — активная и реактивная мощность в момент времени t.
КУ в тяговой сети работают в специфических и тяжёлых условиях, поэтому надёжности их работы и защите от повреждений уделяется большое внимание.
Итак, устройства поперечной компенсации (УПК) и продольной компенсации (УПрК) предназначены для улучшения коэффициента мощности, компенсации потери напряжения, уменьшения несимметрии напряжения, вызванной однофазными тяговыми нагрузками. КУ располагаются на тяговых подстанциях и постах секционирования и защиты их существенно отличаются, например, от защиты линий.
необходимо отметить, что использование ёмкостной компенсации весьма перспективно для усиления системы электроснабжения на переменном токе, поскольку это сравнительно недорогой и эффективный способ увеличения минимального уровня напряжения и уменьшения потерь. часто оказывается, что этот путь является более предпочтительным, чем строительство новых тяговых подстанций (ТП), увеличение мощности существующих ТП, увеличения сечения контактной сети и т. д.
Есть некоторые отличия в применении УПК и УПрК.
УПК решает следующие задачи:
компенсация реактивной мощности;
снижение несимметрии (симметрирование при включении УПК в «отстающую» фазу);
снижение несинусоидальности напряжения (фильтрация гармоник тока).
УПК устанавливается на тяговых подстанциях (ТП) и постах секционирования (ПС).
защита УПК действует на отключение выключателя присоединения установки. В схемах УПК последовательно с конденсаторами включаются реакторы для защиты от резонансных явлений. поэтому для УПК подбирают реактор с такой индуктивностью, чтобы его сопротивление равнялось сопротивлению конденсаторов при частоте 135-140 Гц (общее сопротивление на этой частоте равно нулю. При коммутационных переключениях для исключения пробоя реактора параллельно ему подключается разрядник.
УПрК решает следующие задачи: повышение напряжения за установкой за счет компенсации индуктивного сопротивления со стороны внешней сети и тягового трансформатора; повышение коэффициента мощности.
повышение напряжения происходит за счёт компенсации падения напряжения на индуктивной нагрузке противоположным по фазе падением напряжения на ёмкостной нагрузке УПрК. При этом повышается не только напряжение, но и коэффициент мощности. УПрК устанавливается только на ТП, т.к. вблизи ПС находится точка токораздела (эффект отУПрК получается только при протекании по ней тока).
В настоящее время применение УПрК возрастает в связи с увеличением интенсивности движения тяжеловесных поездов при больших тяговых нагрузках. УПрК обладают положительным свойством — они «автоматически» при постоянно изменяющейся нагрузке поддерживают напряжение в КС путем компенсации индуктивного сопротивления КС своим ёмкостным сопротивлением, что приводит к уменьшению суммарного сопротивления участка электроснабжения до токоприёмника и, как следствие, к уменьшению потерь напряжения.
Однако, УПрК обладают существенной особенностью — они подвержены тем же изменениям тока рабочего режима и режима КЗ и прохождения через него всего спектра гармоник тяговой сети. Исходя из таких тяжёлых условий строится и защита УПрК, которая действует на включение шунтирующего выключателя, благодаря чему ограничивается время вредного воздействия КЗ.
Защита установок поперечной ёмкостной компенсации
В соответствии с требованиями ПУЭ и ПУСТЭ регламентируется необходимость выполнения следующих типов защит для установок поперечной ёмкостной компенсации, действующих на отключение головного выключателя компенсирующего устройства (КУ):
продольная дифференциальная токовая защита (ДТЗ);
максимальная токовая защита (МТЗ) без выдержки времени, действующая на отключение УПК;
защита от перегрузки конденсаторов высшими гармониками;
защита конденсаторов от максимального напряжения, действующая с выдержкой времени;
дифференциальная, срабатывающая при потере ёмкости конденсаторов.
Применяется также защита конденсаторов по минимальному напряжению для контроля целостности цепи разряда конденсаторов, действующая с выдержкой времени.
Упрощенная схема защиты УПК представлена на рис 1.
Рис. 1. упрощенная схема защиты УПК
Обозначения: С — конденсаторы, Q — выключатель, LP — реактор, КА1- реле МТЗ; КАЗ- реле продольной дифференциальной токовой защиты (ПДТЗ); КА2 — реле перегрузки; КV1(KV2) — реле максимального (минимального) напряжения; КА4- реле тока; К- реле напряжения; SA — контактор; TV1, TV2, TV3, TV4-трансформатор напряжения; Fv1, Fv2- разрядники; R1, R2, R3, R4 — резисторы.
здесь конденсаторы С подключаются к шинам 27,5 кВ и к рельсам выключателем Q. последовательно с конденсаторами установлен реактор Lp.
Индуктивность реактора с ёмкостью конденсаторов образуют последовательный резонансный контур, настроенный на частоту 135 — 140 Гц. Этот контур не пропускает высшие гармоники тягового тока в энергосистему.
УПК (на рис 13.1) оборудованы:
МТЗ на реле КА1;
продольной дифференциальной токовой защитой на реле КАЗ (реагирует на КЗ на землю);
защитой от перегрузки на реле КА2;
защитой от повышения напряжения на реле напряжения КV1 (в случае отсутствия автоматического регулирования напряжения);
защитой минимального напряжения на реле КV2;
Рассмотрим подробней:
МТЗ на реле КА1.
Токи включения и разряда УПК не должны вызывать срабатывания МТЗ (ток срабатывания должен быть больше токов, протекающих через УПК), т.к. они относятся к исправной установке. При К.З. вблизи УПК происходит разряд конденсаторов. С учётом времени действия защиты и выключателя, уставку защиты МТЗ выбирают из условия:
Iс.з. ³ 2 кз · Iн.
Кз = 1,15- 1,25 Iн. ; I н. — номинальный ток УПК, А .
,
а Хc- ёмкостное сопротивление одного конденсатора, М- число последовательно соединённых рядов конденсаторов, N- число
параллельно соединённых конденсаторов, соединённых в одном ряду, Uн — номинальное напряжение на шинах.
однако МТЗ, уставка которой выбрана по условию (13.2), защищает ограниченную зону вблизи выключателя (несколько платформ УПК).
Продольная дифференциальная токовая защита (ПДТЗ)
Реализована на реле КА3 и реагирует на замыкание на землю всех платформ УПК. При этом ток срабатывания ПДЗ определяется:
Iс.з.³ D¦max.Кз.Кодн. 3,5Iн.,
где D¦- опустимая погрешность трансформаторов тока (0,1);
Кодн — коэффициент, учитывающий неоднородность трансформаторов тока (0,5 -1).
где, Iк.min.= 0,89 Iн.
Защита от перегрузки.
защита от перегрузки выполняется на реле КА2 в виде МТЗ с выдержкой времени до 9сек.
Ток срабатывания защиты от перегрузки определяется:
где Iр. max. ( равный 1,3 I н ) — максимальный рабочий ; Кз — коэффициент запаса (1,1 — 1,2); Кв — коэффициент возврата.
Токовые реле КА1 и КА2 можно заменить одним реле типа РТ-80, при этом токовая отсечка (ТО) настраивается по условию (13.2), а индукционный элемент осуществляет защиту от перегрузки.
Защита от максимального напряжения.
Выполняется на реле КV1 и осуществляет защиту от недопустимого повышения напряжения. Уставка по напряжению определяется:с.з.= (1,15- 1,2) Uн., выдержка времени 3-5 мин, действует на отключение выключателя.
защита от минимального напряжения на реле КV2 выбирается по условию (с выдержкой времени 0,5 сек):
где Uн.max. = 29000 В ; ;ХL, ХC — сопротивления реактора и конденсаторов.
Эта защита контролирует целостность первичной обмотки трансформатора ТV1 при разряде конденсаторов и резервирует (частично) защиты от КЗ.
Напряжение срабатывания защиты от минимального напряжения выбирается по условию:
Дифференциальная (небалансная) защита по напряжению
Выполняется на реле К (с выдержкой времени ~0,5сек.) и предназначена для контроля за равномерностью распределения напряжения между рядами конденсаторов во избежание пробоя секций конденсаторов. Конденсаторная установка делится на две одинаковые части С1 и С2 (рис. 13.1), параллельно которым подключены трансформаторы ТV1, ТV2, ТV3, ТV4. Резисторы R1, R2 устраняют напряжение небаланса при настройке.
В качестве реле напряжения можно использовать токовое реле РТЗ-51(с повышенной чувствительностью) благодаря высокому входному сопротивлению.
Чувствительность защиты проверяется по условию:
,
где, Uнб — напряжение небаланса, Uср — напряжение срабатывания.
Для защиты витков реактора Lр от перекрытий при коммутационных перенапряжениях служит цепь последовательно соединённых разрядника FV1 и резистора R1. Для защиты конденсаторов при оперативных переключениях выключателя Q их можно отключать путем включения контактора SA, который подключает вторичную обмотку трансформатора напряжения TV2 к шинам 220в. Напряжение первичной обмотки TV2
подается на поджигающий электрод управляемого искрового промежутка FV2, который пробивается и включает резистор R3(≤280 Ом) параллельно всей установке. последовательно с FV2 включён трансформатор тока ТА3 с реле КА4. При срабатывании FV2 реле КА4 замыкает свои контакты и подаёт сигнал на отключающую катушку Q.
защита установок продольной ёмкостной компенсации
поперечная продольная Защиты данного типа установок включают в себя:
МТЗ (защита от внешних токов КЗ в тяговой сети, на электровозе);
защита от внутренних КЗ, т.е. поперечная дифференциальная токовая защита (нарушение изоляции между обмотками конденсаторов, баковой изоляции или изоляции платформ);
защита от перегрузки (перенапряжения) конденсаторов;
дифференциальная небалансная защита (защита от небаланса секций конденсаторов), ограничивающая объем повреждений;
защита от субгармонических колебаний.
Установки продольной ёмкостной компенсации включаются последовательно с нагрузкой несколькими способами: (либо) в рассечку контактной сети (рис. 2), (либо) в фазу С тягового трансформатора, соединённую с рельсами; (либо) одновременно в фазы А,В,С.
При включении УПК в рассечку контактной сети она подключается параллельно изолирующему сопряжению (воздушному промежутку) ИС с помощью разъединителей QS1, QS2, QS3. Для отключения установки необходимо включить QS1 (при отключённой контактной сети) и отключить QS2, QS3 (рис. 3).
Конденсаторы установки делятся на две ветви, соединённые параллельно. Защита установки продольной компенсации действует не на отключение (как в поперечной), а на её шунтирование. При этом электроснабжение тяги не нарушается.
Рис. 2. Схема возможных вариантов расположения установок продольной компенсации.
Рис. 3. Схема защиты продольной компенсации.
здесь: ИС — изолирующее сопряжение (воздушный промежуток); QS1, QS2, QS3- разъединители; С1, С2- ветви конденсаторов; KV1, KV2 — реле напряжения; TV1, TV2- трансформаторы напряжения; Lр- реактор; КА1, КА2, КА3- реле тока; FV1, FV2- разрядники ; ТА1, ТА2- трансформаторы тока; TAD- небалансный трансформатор тока; w1, w’1, w2, wк — обмотки трансформатора TAD.
Шунтирование выполняется выключателем Q. Для ограничения тока разряда конденсаторов последовательно с выключателем включён реактор Lр.
Признаками ненормальной работы установки являются:
внешние КЗ (на контактной сети или электровозе);
внутренние КЗ (замыкание между конденсаторами, баковой изоляции и изоляции платформ конденсаторов);
перегрузки;
субгармоники.
защита от внешних К.З. осуществляется на реле тока КА1, КА2 (основная защита) и на реле KV1 (резервная). Обе защиты действуют на включение выключателя Q без выдержки времени.
Для защиты конденсаторов от перенапряжений служат разрядники FV1 и FV2. При их пробое проходит ток через трансформаторы тока ТА1. Реле тока КА1, КА2
срабатывают и подают импульс на включение выключателя Q, шунтирующего установку продольной ёмкостной компенсации. Резистор R1(около 1 Ом) защищает первичную обмотку трансформатора тока ТА1 от перенапряжений. Реле тока КА1 (уставка 30 — 40А), включено последовательно с реле КА2, имеющего бóльшую уставку (300-400А). При этом реле КА2 является дополнительным и предотвращает вибрацию контактов реле КА1.
защита от внутренних КЗ осуществляется с помощью небалансного трансформатора TAD, осуществляющего поперечную дифференциальную защиту, основанную на сравнении магнитных потоков обеих ветвей. Токи ветвей С1, С2 одинаковы (обмотки W1 и W′1 одинаковы и намотаны в разные стороны и их потоки вычитаются.). поэтому в нормальном режиме ЭДС вторичной обмотки W2 теоретически равна нулю.
При возникновении внутренних КЗ баланс токов нарушается и во вторичной обмотке W2 небалансного трансформатора TAD возникает ЭДС, на которую реагирует реле тока КА3 через трансформатор тока ТА2. защита реагирует на изменение ёмкости одного конденсатора на 10%-20% . В качестве реле КА3 можно использовать РТ-40 ⁄ 02 или РСТ-13 ⁄ 04 с выдержкой времени (добавлением реле времени).
Защиту от внутренних КЗ можно выполнить и на дифференциальном реле РНТ-566, если конденсаторы соединить в схему четырёхплечевого моста.
защита от перегрузки осуществляется с помощью реле KV2 , реле времени и промежуточного реле (на схеме не показано), подающих сигнал на включение выключателя Q.
Уставка срабатывания выбирается по условию:
где Uс.з.- напряжение срабатывания защиты, Iном.- номинальный ток установки,
ХС ном.- ёмкостное сопротивление установки, Кпер. — коэффициент перегрузки ,
Кз — коэффициент запаса, Кв — коэффициент возврата.
Для защиты от перегрузки в качестве реле тока КА2 можно использовать реле тока РТ-84 ⁄ 2 с выдержкой времени 16сек.
Защита от субгармонических колебаний осуществляется блоком защиты, содержащим два резонансных LC фильтра, выпрямители и нуль-орган. Для частоты 50гц модули сопротивлений и токи обоих резонансных фильтров одинаковы, поэтому нуль-орган ЕА, на который подается разность выпрямленных напряжений резонансных фильтров, в нормальном режиме не срабатывает. При появлении субгармонических колебаний сопротивления резонансных фильтров становятся различными. Нуль-орган срабатывает и подаёт сигнал на отключение выключателя Q. Блок защиты включается параллельно реле KV1(KV2).