Защита установок емкостной компенсации

Установки поперечной и продольной емкостной компенсации располагаются на подстанциях и на постах секционирования. Они предназначены для уменьшения несимметрии, вызванной однофазными тяговыми нагрузками, компенсации потери напряжения и улучшения коэффициента мощности.

Защита установки поперечной емкостной компенсации. В установке поперечной емкостной компенсации (УПК) (рис. 1) конденсаторы С подключают масляным или вакуумным выключателем Q к шинам 27,5 кВ и к рельсам (к нулевой точке дроссель Последовательно с конденсаторами установлен реактор Lp. Индуктивность реактора с емкостью конденсаторов образует последовательный резонансный контур, настраиваемый на частоту 130—140 Гц. Этот контур не пропускает высшие гармоники кривой тягового тока в энергосистему.

Установки поперечной емкостной компенсации оборудуют максимальной токовой защитой (реле КА1) и продольной дифференциальной защитой реле КА3), которые реагируют на короткие замыкания и повреждения корпусной изоляции относительно земли, а также защитой от перегрузки (реле КА2).

Рис. 1 Защита установки поперечной емкостной компенсации

Ток срабатывания максимальной токовой защиты дол­жен быть больше токов, кото­рые могут протекать через не­поврежденную установку. При к.з. в контактной сети вблизи места расположения установки поперечной емкостной компенсации происходит разряд конденсаторов на место поврежде­ния. Ток разряда может превы­сить номинальный ток 1Н0М в 2,5—3 раза, однако через 0,1 с его кратность снижается и не превы­шает 1,5-2. Включение конденсаторной установки выключате­лем Q сопровождается переходным процессом, при котором ток может превысить номиналь­ный в 3-3,5 раза, но через 0,02-0,04 с его величина резко снижает­ся. Токи включения и разряда не должны вызывать срабатывания максимальной токовой защиты, так как они относятся к исправ­ной установке. Учитывая время действия защиты и выключателя, уставку срабатывания выбирают, пользуясь выражением:

, (1)

где к₃ — коэффициент запаса, равный 1,15-1,25; 1иом — номиналь­ный ток установки поперечной емкостной компенсации, А.

Установка состоит из типовых конденсаторов (например КСПК-1,05-120), соединенных последовательно и параллельно. Емкостное сопротивление одного конденсатора равно:

,

где — номинальное напряжение конденсатора (например 1,05 кВ), кВ; — номинальная мощность конденсатора (например, 120 кВАр), кВАр.

Номинальный ток установки вычисляется по формуле:

где — номинальное напряжение на шинах, В; — число параллельно соединененных конденсаторов в одном ряду; — число последовательно соединенных рядов; — сопротивление реактора, Ом.

Обычно выполняется соотношение , где — емкостное сопротивление конденсаторной установки при частоте 50 Гц; п = 0,123.

При повреждении корпусной изоляции конденсаторов проис­ходит замыкание на землю. Однако с землей связана фаза С шин 27,5 кВ, поэтому замыкание на землю в данном случае является междуфазным. Чем ближе к реактору Lp произойдет замыкание на землю, тем меньше ток к.з., так как он ограничивается сопро­тивлением последовательно соединенных платформ исправных конденсаторов. В связи с этим максимальная токовая защита, уставка которой выбрана по условию (1), защищает всего не­сколько платформ вблизи выключателя Q. Она сработает также при замыкании на землю трансформатора напряжения TV1.

Продольная дифференциальная защита реагирует на замы­кания на землю всех платформ с конденсатором. Трансформа­торы тока выбирают на один и тот же номинальный ток, поэто­му выравнивания токов в плечах защиты не производится. Номинальный ток первичной обмотки определяется мощностью установки емкостной компенсации и допустимой 10%-ной по­грешностью при коротких замыканиях. Ток срабатывания оп­ределяется по условию:

, (2)

где — допустимая погрешность трансформаторов тока, равная 0,1; коэффициент, учитывающий не однотипность трансформаторов тока.

Чувствительность защиты проверяется по формуле при коэффициенте чувствительности, равном 2. Величина принимается равной , что соответствует замыканию на землю последней платформы с конденсаторами.

Защиту от перегрузки выполняют в виде максимальной то­ковой с выдержкой времени до 9 с.

Токовые реле КА1 и КА2 (см. рис. 1) можно заменить одним реле типа РТ-80. Его электромагнитный элемент настраива­ется по условию (1), а индукционный осуществляет защиту от перегрузки.

Если на тяговой подстанции не применяют устройства автоматичес­кого регулирования напряжения (АРПН), то к трансформатору напряжения ТV1 подключают реле напряжения КV, осуществляющее защиту от недопустимого повышения напряжения. Защита с уставкой по напряжению 115—120% от номинального имеет выдержку времени 3-5 мин и действует на отключение уставки.

Величину максимально допустимого напряжения на шинах в нормальном режиме принимают равной 29 000 В. Коэффициент запаса Кз вычисляют по формуле где -соответственно индуктивное сопротивление реактора Lр и емкостное сопротивление конденсаторной установки С (рис. 1) при частоте 50 Гц. В коэффициенте запаса учтен тот факт, что емкость С и индуктивность реактора Lр образуют последовательный резонансный контур с резонансной частотой, равной При этом напряжение на конденсаторах С выше, чем напряжение на шинах в . Если на плече питания имеется одна установка поперечной емкостной компенсации, то ее резонансная частота должна быть равна 135—142 Гц. При наличии двух установок на плече питания резонансная частота одной из них выбирается в пределах 135-140 Гц, а второй — в пределах 230—240 Гц.

При наличии устройств АРПН имеются регуляторы., не допускающие повышения напряжения на шинах выше допустимого; в этом случае защиту по максимальному напряжению не применяют.

Ко вторичной обмотке трансформатора ТV1 параллельно реле КV подключают еще одно реле напряжения (на рис.1 не показано), осуществляющее защиту минимального напряжения с выдержкой времени 0,5 с для отстройки от переходных процессов. Эта защита контролирует целостность первичной обмотки ТV1, необходимой по условиям электробезопасности –при отключении установки от сети на нее разряжаются конденсаторы. Защита минимального напряжения частично резервирует защиты от коротких замыканий. Минимальное напряжение нормального режима при установке компенсирующего устройства на тяговой подстанции принимают равным 25000 В, а при установке на посту секционирования — равным 21000 В.

Защита минимального напряжения имеет блокировку, вводящую ее в работу при включенном выключателе Q .

Конденсаторная установка состоит из отдельных конденсаторов с номинальным напряжением 1,05 или 0,66 кВ, соединяемых последовательно и параллельно. В свою очередь каждый конденсатор имеет несколько секций, каждая из которых имеет индивидуальный предохранитель, встроенный внутрь корпуса. При сгорании одного или нескольких предохранителей уменьшается емкость всего ряда параллельно соединенных конденсаторов, а напряжение на оставшихся в работе секциях возрастает. Это ведет к более интенсивному старению изоляции и может явиться причиной пробоя других секций того же ряда. Для контроля за равномерностью распределения напряжения между рядами используется дифференциальная защита по напряжению.

Защита содержит трансформаторы напряжения ТV1—ТV4 типа ЗНОМ-35, промежуточные трансформаторы ТL1, ТL2 типа ПОБС-ЗА-УЗ, потенциометры R1, R2 и чувствительное реле тока типа РТЗ-50, используемое благодаря сравнительно высокому входному сопротивлению в качестве реле напряжения КV (рис. 2). Конденсаторная установка делится на две одинаковые части С1 и С2, параллельно которым подключены соответственно трансформаторы напряжения ТV1, ТV2 и ТVЗ, ТV4. При настройке защиты регулировкой потенциометрами R1 и R2 устраняют в реле КV напряжение небаланса, обусловленное возможным некоторым не равенством емкостей частей С1 и С2. При изменении емкости С1 или С2 из-за перегорания предохранителей секции конденсаторов или из-за закорачивания хотя бы одного их ряда изменяется баланс напряжений, реле КV срабатывает и выключатель отключается.

Чувствительность защиты проверяется по короткому замыканию в одном из рядов конденсаторов, при котором весь ряд оказывается зашунтированным. При этом напряжения U_С1и U_С2 соответственно на частях С1 и С2 перераспределяются: в той части, где расположен

Рис. 2. Дифференциальная защита по напряжению

закороченный ряд оно будет меньше, чем в нормальном режиме, а в другой части — больше. Разность этих напряжений равна, очевидно, В:

, (3)

где Хс - емкостное сопротивление при частоте 50 Гц всей конденсаторной установки в нормально режиме, Ом; X_ср — емкостное сопротивление одного ряда, Ом; М — число последовательно соединенных рядов в конденсаторной установке в нормальном режиме; -ток конденсаторной установки при к ротком замыкании в одном ряду, А.

Величина тока при минимальном напряжении на шинах равна

(4)

где — емкостное сопротивление при частоте 50 Гц конденсаторной установки при коротком замыкании в одном ряду, Ом .

Напряжение небаланса на реле КV в этом режиме равно:

, (5)

где - коэффициент трансформации трансформаторов напряжения TV1-ТУ4; — коэффициент трансформации промежуточных трансформаторов; — коэффициент, учитывающий снижение напряжения на резисторах R1 и R2 из-за падения напряжения, вызванного током реле КV.

Чувствительность проверяется по условию:

, (6)

где — напряжение срабатывания реле КV.

Защита снабжается выдержкой времени 0,5 с для отстройки от переходных режимов. В типовой защите трансформаторы ТL1 и ТL2 применяются как повышающие с коэффициентом трансформации .

При использовании в качестве КV реле РТЗ-50 принимают = 0,6. Уставку срабатывания этого реле принимают U_cp= 1 В. Это обеспечивает срабатывание защиты при изменении емкости конденсаторов одного ряда примерно на 10 %.

Конденсаторы очень чувствительны к напряжению выше номинального, их надежность при этом резко снижается. Разрядники, устанавливаемые в распределительных устройствах, срабатывают при таких уровнях коммутационных перенапряжений, которые для конденсаторов являются опасными. Кроме того, при срабатывании разрядников через них протекает большой ток разряда конденсаторов, что приводит к перегоранию искровых промежутков и выходу разрядников из строя. Поэтому установки параллельной емкостной компенсации необходимо снабжать специальными устройствами защиты от перенапряжений, возникающих при их включении и отключении.

При включении выключатёля Q (см. рис. 1) возможно появление коммутационных перенапряжений на реакторе Lp. Для защиты витков реактора от перекрытий служит цепь из последовательно соединенных разрядника FV1 и резистора R1. При отключении выключателя Q (в случае оперативных переключений или от защиты) могут возникать двух- и даже трехкратные перенапряжения на конденсаторах из-за повторных пробоев электрической дуги между контактами масляного выключателя в процессе их расхождения. Для конденсаторов такие перенапряжения недопустимы. Их можно полностью исключить, если перед отключением шунтировать конденсаторы резистором с сопротивлением не более 280 Ом.

Последовательность операций по отключению здесь следующая. Включается контактор SА, который подключает вторичную обмотку трансформатора напряжения ТV2 к шинам 127 или 220 В. Напряжение его первичной обмотки подается на поджигающий электрод управляемого искрового промежутка FV2, который пробивается и включает резистор R2 параллельно всей установке. Последовательно с FV2 включен трансформатор тока с реле КА4. При срабатывании FV2 реле КА4 замыкает свои контакты и подает сигнал на отключающую катушку выключателя Q.

В типовой схеме установка поперечной емкостной компенсации подключается к шинам 27,5 кВ не одним, а двумя соединенными последовательно выключателями, один из которых зашунтирован резистором с сопротивлением 50 Ом. При включении установки сначала замыкаются контакты того выключателя, не имеет шунтирующего резистора. Поскольку второй выключатель (с шунтирующим резистором) отключен, то подключение установки к шинам осуществляется через резистор. После этого включается второй выключатель, контакты которого шунтируют резистор. Отключение установки производится в обратном порядке.

Включение резистора последовательно с конденсаторами при включении и отключении снижает коммутационные перенапряжения, однако существенно в меньшей степени, чем в схеме, приведенной на рис. 1.

В качестве Lp (рис. 1) используются реакторы со стальным сердечником и обмоткой, размещенными в баке с маслом , или бетонные реакторы. У бетонных реакторов могут иметь место замыкания между витками. Возникающая при этом дуга способна пережечь обмотку и полностью вывести реактор из строя. Защиту от межвиткового замыкания можно выполнить на основе контроля за изменением магнитного поля около реактора и в виде дифференциальной защиты по напряжению.

Защита, основанная на контроле за изменением магнитного поля (рис. 3, а), содержит многовитковую катушку WA, выполненную в виде прямоугольной рамки и устанавливаемую вблизи реактора против его середины, где радиальная составляющая напряженности магнитного поля равна нулю. При замыкании любых витков напряженность магнитного поля в месте установки рамки изменяется и реле КА срабатывает.

Дифференциальная защита по напряжению (рис. 3, б) содержит трансформаторы напряжения ТV1 и ТV2, подключенные каждый параллельно соответствующей половине обмотки реактора. Поскольку вторичные обмотки трансформаторов включены встречно, то напряжение на реле КV при исправном реакторе отсутствует. При замыкании между витками в любой из половин реактора баланс напряжений нарушается и реле КV срабатывает, вызывая отключение выключателя Q.

Рис. 3. Схемы защиты реактора