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 компенсация).

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 путём 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:

где Uн.min.= 25кВ -для ТП и Uн.min = 21кВ - для ПС.

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 путём 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 компенсация

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 объём 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).

Основные понятия Электроподвижной состав электрифицированных железных дорог на переменном токе потребляет как активную мощность (идущую на создание механ

Больше работ по теме: