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; КАЗреле продольной дифференциальной токовой защиты (ПДТЗ); КА2 — реле перегрузки; КV1(KV2) — реле максимального (минимального) напряжения; КА4- реле тока; Креле 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. 2 кз Iн.

Кз = 1,15- 1,25 Iн.; I н. — номинальный ток УПК, А .

а Хcёмкостное сопротивление одного конденсатора, Мчисло последовательно соединённых рядов конденсаторов, Nчисло

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. max.Кз.Кодн. 3,5Iн.,

где — 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:

Uс.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. = 29 000 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.= 25кВдля 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 220 В. 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; Lрреактор; КА1, КА2, КА3- реле тока; FV1, FV2- разрядники; ТА1, ТА2- трансформаторы тока; TADнебалансный 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 бульшую 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).