Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Влияние электровозов на процесс короткого замыкания

индуктивное реле выключатель тяговая сеть

Токи фидеров контактной сети в нормальных режимах существенно изменяются, особенно при пуске электроподвижного состава, повторном появлении напряжения, проходе токоприёмников через изолирующее сопряжение - воздушный промежуток. Режимы тяговой сети для целей защиты принято в основном характеризовать максимальными токами фидера Iф, бросками (скачками) токов ДI, крутизной фронта нарастания тока di /d t , постоянной времени Т, а также уровнем напряжения U в различных точках сети.

1. Влияние электровозов на процесс КЗ

При пуске электровозов и электропоездов ток достигает 2100 - 2250 А.

Изменение схемы соединения двигателей сопровождается бросками (приращениями) тока до 900- 1080А.

Скорость изменения тока в начальный момент (крутизна фронта) в этом режиме составляет для электровозов около 30кА/ с, а для электропоездов 80 - 320 кА / с. В эксплуатации, особенно при больших скоростях движения, происходят отрывы токоприёмников локомотивов от контактных проводов, что равносильно кратковременному исчезновению напряжения.

Такое же явление наблюдается при отключении фидера защитой (например, от перегрузки) и его повторном включении устройствами АПВ. В случае повторного включения напряжения возникают броски токов переходного режима, значение которых зависит от длительности перерыва питания. При отрывах токоприёмников броски тока достигают 500А и имеют крутизны фронта 60- 80 кА / с.

При проезде воздушных промежутков токоприёмник локомотива замыкает обе его ветви. В этот момент ток поезда, ранее протекавший по одному фидеру, распределяется между двумя фидерами. После прохода воздушного промежутка весь ток поезда будет протекать через второй фидер.

Таким образом, для фидера процесс прохода воздушного промежутка токоприёмником сопровождается двумя бросками тока: первый совпадает с моментом перемыкания сбегающей и набегающей ветвей воздушного промежутка, второй - с момента схода токоприёмника со сбегающей ветви.

Бросок тока равен половине тока локомотива и может достигать 1000А при крутизне фронта до 1000-1500кА / с.

Напряжение для цепей защиты контролируется, как правило, на тяговых подстанциях и постах секционирования. Максимальное напряжение на шинах подстанции в нормальном режиме достигает 4 кВ, минимальное на отдельных перегонах при вынужденных схемах питания - 2,2 кВ.

Чем больше ток КЗ по сравнению с током нагрузки, тем легче обнаружить КЗ. При КЗ цепи с сопротивлением Rk и индуктивностью Lk ток в ней изменяется по закону:

,(1)

Где: Iн - ток нагрузки, предшествующий моменту КЗ; Iк - установившееся значение тока КЗ; ДI = Ir - Iн - бросок тока;

- постоянная времени.

Крутизна нарастания тока равна скорости его изменения в начальный момент времени (t=0):

(2)

В реальных условиях закон изменения тока фидера отличается от экспоненты, как из-за нелинейного характера сопротивления рельсов, так и из-за влияния переходных процессов в силовой цепи электровозов.

Переходные процессы электровозов на постоянном токе имеют ту же природу, что и электровозы на переменном токе с тяговыми двигателями постоянного тока. Однако характер переходных процессов напряжения и тока имеет некоторые отличия, обусловленные тем, что у электровозов постоянного тока выпрямителей в силовой части нет. Пусть напряжение на токоприёмнике до момента КЗ было равно Uэн , ток локомотива Iэн. В установившемся режиме КЗ напряжение на токоприёмнике снижается до Uэк, что влечёт за собой изменение тока возбуждения и магнитного потока тяговых двигателей. Однако изменение магнитного потока не может происходить мгновенно: этому препятствуют возникающие в магнитопроводе вихревые токи. В связи с этим в течение некоторого времени ЭДС двигателей оказывается больше напряжения Uэк сети. В этом промежутке времени ток электровоза Iэг становится отрицательным, т.е. электровоз переходит в генераторный режим (режим рекуперации) и подпитывает место КЗ. Напряжение на токоприёмнике в этом промежутке времени Uэг > Uэк. В дальнейшем ток электровоза стремится к установившемуся значению Iэк.

Переходные процессы электровозов на постоянном токе имеют ту же природу, что и электровозы на переменном токе с тяговыми двигателями.

2. Максимальная токовая защита (МТЗ), максимальная импульсная токовая защита (МИТЗ) на выключателе с индуктивным шунтом и реле РДШ

МТЗ может быть использована в меж подстанционной зоне как основная или резервная на фидерах тяговых подстанций (ТП) и постов секционирования (ПС) и должна быть поляризованной (направленной), а на пунктах параллельного соединения (ППС) - неполяризованной.

Кроме того, МТЗ применяется на коротких тупиковых фидерах (станционных, деповских и т. д.) Защита может выполняться с помощью датчиков тока, включённых в цепь держащей катушки быстродействующего выключателя, или самим быстродействующим выключателем без индуктивного шунта.

Рассмотрим схему однопутного участка с ПС. При КЗ на участке между ТП А и ПС должны отключиться выключатели Q1 и Q2 . При КЗ на участке между ПС и ТП В должны отключится выключатели Q3 и Q4 . Поскольку выключатели на ПС поляризованные, то

Выключатель Q2 не может ложно отключаться при К.З. на участке между ТП В и ПС, выключатель Q3 не отключится при КЗ на участке между ТП А и ПС.

Для обеспечения селективности расчётную точку КЗ для выключателя ТП (Q1), выбирают на шинах ПС (К1) , для выключателя ПС (Q3) - у смежной подстанции (К2). При отключении ПС (для ремонта, ревизии и т.д.) включается продольный разъединитель QS, с помощью которого обеспечивается двустороннее питание межподстанционной зоны. В этом случае при КЗ в тяговой сети должны отключаться выключатели Q1 и Q4. В этом режиме расчётную КЗ выбирают у смежной ТП(Q1, точка К2).

МИТЗ выполняется с помощью автоматических быстродействующих выключателей с индуктивным шунтом или реле РДШ и используется как основная в межподстанционной зоне для фидеров ТП и ПС, а также для ППС (при неполяризованных выключателях в качестве резервной).

Для повышения чувствительности выключателя к КЗ параллельно размагничивающему витку подключается индуктивный шунт. При этом выключатель, выполняющий роль реле прямого действия, реагирует не только на значение тока, но и на его изменение во время переходного процесса. Такие защиты называются импульсными.

В качестве коммутационных аппаратов на фидерах ТП и ПС используются выключатели типов АБ-2/4 и ВАБ-43 и др. (см. рис.1.) Выключатель АБ-2/4 является поляризованным (отключение возможно при одном направлении тока фидера). В этих выключателях для повышения чувствительности к КЗ параллельно размагничивающему (отключающему) витку подключается индуктивный шунт (катушка индуктивности), благодаря которому выключатель (как реле прямого действия) приобретает новые свойства (реагирует не только на значение тока, но и скорость нарастания тока).

Выключатель ВАБ-28 является неполяризованным и размагничивающего витка не имеет. В этом случае сигнал на его отключение поступает от РШД (реле-дифференциальный шунт).

Рис.1. Схема быстродействующего автоматического выключателя.

Здесь:

1 - магнитопровод; 2 - поворотный якорь; 3,4 - контакты ; 5 - отключающий виток; 6 - индуктивный шунт; 7 - держащая катушка ; 8 - пружина ; 9 - калибровочная катушка ; 10 - включающая катушка ; Ik - ток контактной сети ; Iдк - ток держащей катушки 7.

На упрощенной схеме (выключатель в отключенном состоянии), показаны четыре катушки 5,7,9,10, размещённые на магнитопроводе 1.

При кратковременной подаче напряжения на включающую катушку 10 поворотный якорь 2 притягивается к стержню магнитопровода и подводит подвижный контакт 3 к неподвижному 4 (замыкание контактов происходит только после исчезновения тока в катушке включения 10). Во включенном положении якорь 2 удерживается после отключения включающей катушки 10 за счёт магнитного потока, создаваемого током Iдк держащей катушки 7.

Ток сети проходит по отключающему витку 5 и создаёт свой магнитный поток. Магнитные потоки держащей катушки и отключающего витка 5 направлены встречно и при снижении его до определённой величины он не сможет преодолевать натяжение пружины 8 и выключатель отключится. Калибровочная катушка 9 служит для регулирования уставки срабатывания выключателя. Благодаря индуктивному шунту 6 выключатель реагирует не только на величину тока, но и на скачок и скорость возрастания тока (т.е. на переходной процесс), тем самым повышается и быстродействие выключателя.

Защиты минимального напряжения реагируют на уровень напряжения в тяговой сети при помощи реле минимального напряжения, которое подключается к КС через добавочное сопротивление. Реле срабатывает при достижении уровня напряжения в контактной сети ниже уставки срабатывания (Uср.). Защиты данного типа имеют разновидности:

- вольтметровая блокировка;

- потенциальная защита.

Вольтметровая блокировка применяется, например, при телеблокировке (ТБ). При наличии соответствующих каналов связи и предотвращает запуск передатчика ТБ с помощью реле минимального напряжения, если выключатель отключился не от КЗ, от перегрузки.

Реле минимального напряжения включается между фидером К.С. и рельсом. Потенциальные защиты выполняются с помощью реле минимального напряжения, срабатывающего при уровне напряжения ниже уставки срабатывания Uср. и воздействующего на соответствущий выключатель. Она отличается от вольтметровой блокировки тем, что сигнал от реле используется только коммутационными аппаратами, которые расположены там же, где и реле (на другие объекты сигнал не передаётся).

В этом случае линии связи не нужны.

Защита по сопротивлению реагирует на отношение напряжения на шинах и тока, протекающего через выключатель. В сетях переменного тока такая защита называется дистанционной, т.к. выдержки времени выполняются зависимой от расстояния до места К.З. В тяговых сетях постоянного тока из-за значительной величины тока КЗ выдержка времени нежелательна (может быть не более 0,2-0,3сек. в виде одной ступени при удалённых КЗ для контактных подвесок с двойным контактным проводом).

Эффективно применение защиты по сопротивлению совместно с МИТЗ с быстродействующими выключателями, что может обеспечить требуемую чувствительность на 20-30% выше.

Датчиком тока для реле сопротивления является измерительный шунт RS, а датчиком напряжения делитель из резисторов R1,R2 (рис.2).

Рис.2. Схема реле сопротивления

Здесь:

RS- измерительный шунт; R1,R2 - резисторы; А- операционный усилитель; С- конденсатор; ЛЧ- логическая часть; БП - блок питания;

VD - стабилитрон; Q - выключатель; К- выходное реле.

Операционный усилитель А подключён одним входом к шунту RS, а другим к потенциометру R1 таким образом, что на входе усилителя получается входной сигнал Uвх, равный разности Uвх.= Нш· I - Н·U, где I - ток фидера; U - напряжение на шинах; Нш - коэффициент преобразования шунта; Н- коэффициент деления делителя. Конденсатор С служит для сглаживания пульсаций. Благодаря высокому коэффициенту усиления операционного усилителя А напряжение на его выходе скачком изменяет свой знак при малых значениях U вх. Такой усилитель выполняет роль компаратора ( сравнивает входные напряжения и переключается при изменении знака разности входных напряжений).

Условие срабатывания Uвх. ? 0 или (отношение напряжения к току и есть сопротивление R, измеряемое защитой, а отношение коэффициентов равно уставке срабатывания Rу). Поэтому условие срабатывания имеет вид: R ? Rу.

Логическая часть защиты ЛЧ включает в себя выдержку времени и усилитель сигнала. Выходной элемент выполнен на герконовом реле К, контакт которого включён в цепь отключения выключателя. Питание реле сопротивления осуществляется блоком питания БП, вход которого подключён к стабилитрону VD. Уставки срабатывания регулируются потенциометром R1. Если уставку срабатывания сделать регулируемой в зависимости от величины нагрузки фидера, предшествующей моменту КЗ, то такое регулирование будет адаптивным, т.е. приспосабливающимся к величине нагрузки. Защиты, реагирующие на переходные процессы, как было сказано выше, называются импульсными. Они применяются в качестве дополнительных (например, быстродействующий выключатель с индуктивным шунтом, рассмотренный выше) к основным защитам :

- защита по скорости нарастания тока (ЗСНТ);

- защита по скачку тока (приращению) тока (ЗПТ);

- защита по приращению тока за время его нарастания (ЗПТН);

- защита по интегралу приращения тока за время его нарастания (ЗИПТН).

Например, селективные защиты межподстанционной зоны для тяговых сетей постоянного тока с ПС и ППС (наиболее распространённая схема) выполняется комбинированной, в состав которой входят автоматические быстродействующие выключатели, система телеблокировки, потенциальная защита и дополнительная защита по сопротивлению. Такие защиты устанавливаются на ТП и ПС. Для повышения эффективности эти защиты дополняются защитами с признаками реагирования на переходные процессы.

Рассмотренные виды защит применяются для КС постоянного тока с заземлёнными металлическими частями опор и соединёнными с рельсами металлическими проводами (т.н. индивидуальное и групповое заземление опор). При разземлённых опорах (для исключения повреждения блуждающими токами арматуры опор) описанные защиты не пригодны. Поэтому применяются специальные защиты, например, мгновенная потенциальная защита МПЗ.

Большое значение для тяговых сетей постоянного тока является защита от перегрузок, отвечающая следующим требованиям:

- в качестве дополнительной при КЗ;

- в качестве основной при нормальных утяжелённых (без КЗ) режимах.

Защита может выполняться как термическая отсечка (без выдержки времени), так и как максимальная термическая по условия термической устойчивости (с выдержкой времени).

Первая защита предотвращает недопустимое удлинение контактных проводов по конструктивным параметрам (ограниченное максимально возможным перемещением фиксаторов и грузов температурных компенсаторов), а вторая - предотвращает отжиг проводов КС.

В этих защитах используются датчики: температуры провода, тока фидера, скорости ветра, температуры окружающей сети.

В качестве примера можно привести простую схему токовой защиты от перегрузки со ступенчатой выдержкой времени, формируемой в зависимости от тока. Выдержка времени выбирается по предельным состояниям (наибольшим выдержкам времени, при которых провод не будет разрушен). Поэтому такую защиту ещё называют токовой защитой по предельным состояниям (рис.3).

Рис.3. Схема ступенчатой защиты от перегрузки.

Здесь: ТА- трансформатор тока; КАn - реле тока (число n зависит от числа ступеней аппроксимации); КТn - реле времени (число n зависит от числа реле тока).

Такая простая схема имеет ряд недостатков: не учитывается процесс охлаждения провода; не учитывается температура окружающей среды и скорость ветра.

Размещено на Allbest.ru