Основные требования к релейной защите тяговых сетей.

Реализация таких требований, как быстродействие, селективность и устойчивость функционирования, применительно к защитам тяговой сети переменного тока, имеет свою специфику, обусловленную особенностями нормального и аварийного режимов, свойствами приемников электроэнергии (электровозов и электропоездов), схемами питания сети, типами применяемых коммутационных аппаратов.

Быстродействие. Чтобы исключить возможность пережога контактных проводов, время отключения КЗ должно быть минимальным. Пережоги возможны в точке контакта провода с полозом токоприемника и в месте возникновения дуги, отжиг возникает при перегреве провода.

При повреждениях на электровозе ток КЗ протекает через тяговую сеть и токоприемник. Если контактный провод марки МФ-100 нагреется до 200° С и более, то его механическая прочность резко снизится и провод может разорваться. Температура нагрева провода зависит от значения тока, протекающего через место контакта, и длительности его существования t_c. Например, пережог провода МФ-100 токами 3 кА и более может наступить при t_c = 0,44 с.

Рис. 6. Расчетная схема и схема замещения двухпутного участка сети, работающего в замкнутом режиме. а) - расчетная схема, б) - схема замещения, в) – упрощенная путем преобразования расчетная схема.

Еще более опасным является воздействие на контактный провод открытой электрической дуги, которая, как правило, возникает при коротком замыкании. Дуга оказывает сильное термическое действие, повреждает поверхность провода, выплавляет в нем кратеры, сечение провода и его прочность снижаются. Разрыв провода происходит под воздействием растягивающих усилий, создаваемых в контактной подвеске устройствами температурной компенсации. Разрушающее действие дуги характеризуется произведением тока в дуге на время ее существования и измеряется в амперсекундах (Ас). Чем больше это произведение, тем более вероятным является разрыв провода. При токах 500-2000 А пережог медного контактного провода становится возможным, если воздействие дуги превосходит 280-350 Ас. Электрическая дуга с током свыше 2000 А может пережечь провод через 0,15-0,17 с.

Для исключения пережогов важно не только быстро отключить КЗ, но и не допускать повторного включения на устойчивое повреждение. Объясняется это тем, что при КЗ, сопровождающемся электрической дугой, провод нагревается очень быстро, а при отключении тока остывает медленно. Например, нагретый до 200° С провод МФ-100 через 20 с не остынет: температура его снизится всего на 15-30° С. Между тем, устройства АПВ производят повторное включение через 0,5-5 с после отключения КЗ

Таким образом, чтобы исключить возможность пережогов проводов контактной сети при КЗ, необходимо отключать повреждения за время не более 0,12—0,14 с и не допускать АПВ при устойчивых КЗ Современные защиты и выключатели позволяют отключать КЗ за указанное время.

Селективность. При КЗ должны отключаться ближайшие к месту повреждения выключатели. Если повреждение произойдет в зоне между подстанцией А и постом секционирования ПС многопутного участка с узловой схемой питания (рисунок 4, а), например в точке К1, необходимо, чтобы отключились выключатели QA1 и QПA1. Выключатели QПAn, QПB1, QПBn при этом отключаться не должны несмотря на то, что при повреждении в точке К1 через них протекает ток КЗ. При коротком замыкании в точках К2 или КЗ должны отключаться выключатели QB1 и QПB1, а другие выключате-ли поста ПС отключаться при этом не должны. При повреждении в точке К4 (возле выключателя QAn) должны отключиться выключатели QAn и QПAn. В то же время при этом повреждении не должен отключиться выключатель QA1.

При коротком замыкании на шинах, например подстанции А, должен отключиться выключатель, через который эти шины получают питание от понизительного трансформатора (на рисунке этот выключатель не показан), а также выключатели всех фидеров контактной сети QA1, ., QAn, чтобы исключить подпитку места повреждения от смежной подстанции В.

Основными методами обеспечения селективности являются введение в действие защит выдержки времени и использование направленных защит (или их отдельных ступеней) со свойством направленности. Возможно использование и других методов, основанных, например, на применении взаимных логических связей защит разных фидеров.

Рисунок 7 - Схема питания и графики селективности защит.

Важное значение придается ближнему и дальнему резервированию защит. В целях обеспечения надежности короткое замыкание в любом месте межподстанционной зоны должно обнаруживаться не менее, чем двумя защитами (или двумя ступенями комплекта защиты) на ближайшем выключателе, и по крайней мере одной защитой (одной ступенью комплекта защиты) на выключателе смежного элемента. Для реализации это-го требования защита фидера контактной сети как на подстанции, так и на посту секционирования, должна выполняться трехступенчатой с применением дополнительной защиты в виде токовой отсечки. На посту секционирования, кроме того, следует устанавливать защиту минимального напряжения (потенциальную) для защиты шин и дополнительного резервирования.

Графики селективности таких защит приведены на рисунке 7, в (для подстанции) и на рисунке 7, г (для поста секционирования). На оси абсцисс графика откладывается расстояние, на котором защита чувствует короткие замыкания, а на оси ординат указывается время действия данной защиты (или данной ее ступени).

Цифрой 1 на рисунке 7, в отмечена зона действия дополнительной защиты в виде токовой отсечки на выключателе QA1, которая не имеет выдержки времени. Эта защита предназначена для ускоренного отключения выключателя при близких к месту ее установки повреждений, а также для перекрытия мертвых зон направленных защит. Цифрой 2 отмечена зона действия 1-й ступени защиты. Эта ступень также не имеет выдержки времени. Зона ее действия не должна доходить до шин поста секционирования ПС во избежание излишних срабатываний при КЗ за постом, например в точке К2 (рисунок 2.6, а). В качестве защиты 1-й ступени, вообще говоря, может использоваться токовая отсечка, однако предпочтение отдается дистанционной защите (Д31), поскольку она имеет более стабильную зону защиты.

1-я ступень должна быть отстроена от излишних действий при КЗ на шинах подстанции или возле выключателя смежного фидера, например в точке К4 (рисунок 7, а). Для этого ее следует "выполнять направленной, но без мертвой зоны при КЗ вблизи подстанции, иначе она не сможет резервировать токовую отсечку. При близких КЗ напряжение, подводимое к защите, снижается практически до нуля. По этой причине направленное реле сопротивления или реле направления мощности срабатывать не могут - наступает отказ срабатывания. Направленная защита без мертвой зоны вблизи места ее установки может быть реализована, если ее снабдить специальным блоком «памяти», выходное напряжение которого подводится к схеме сравнения реле.

Цифрой 3 на рисунке 7, в обозначена зона действия 2-й ступени защиты, имеющей выдержку времени t. Эта ступень предназначена для действия при повреждениях в той части зоны L_АП, в которой 1-я ступень защиты не работает. Кроме того, она осуществляет ближнее резервирование 1-й ступени. В качестве защиты 2-й ступени используется дистанционная защита (Д32).

Зона действия 3-й ступени обозначена цифрой 4. Эта ступень осуществляет ближнее резервирование защит 1-й и 2-й ступеней на выключателе QA1, а также дальнее резервирование выключателей QПB1, ..., QПBn и их защит при повреждениях в зоне L_пв (рисунок 7, а). В 3-й ступени используется дистанционная защита, которая должна быть отстроена от максимальных нагрузок нормального режима. Выдержка времени 3-й ступени дистанционной защиты (ДЗЗ) принимается на одну - две ступени больше, чем выдержка времени защиты 2-й ступени. Такая выдержка времени необходима в том случае, если на посту секционирования используется трехступенчатая защита, 3-я ступень которой для обеспечения селективности должна срабатывать раньше, чем 3-я ступень защиты на выключателе подстанции. В комплектах защиты УЭЗФ на постах секционирования используется двухступенчатая защита. В этом случае 3-я ступень защиты подстанции может иметь выдержку времени на одну ступень t больше, чем выдержка времени 2-й ступени.

Для электронных защит ступень выдержки времени t принимается равной 0,3 с. Для электромеханических защит, применявшихся ранее, такая ступень принималась равной 0,4-0,6 с.

График селективности для защит выключателей поста секционирования строится аналогичным образом (рисунок .7, г). Токовая отсечка (дополнительная защита) и 1-я ступень выполняются без выдержки времени. Во избежание излишней (неселективной) работы при КЗ на смежных фидерах зона действия 1-й ступени не должна доходить до шин смежной подстанции. Уставка срабатывания токовой отсечки и дистанционной защиты 1-й ступени выбираются по тем же формулам, что и для защит выключателя QA1, но при КЗ в точке КЗ (при отключенном выключателе QB1). Эта ступень должна быть направленной, в противном случае выключатель поста будет излишне срабатывать при повреждениях «за спиной». Так, например, защита выключателя QПB1, если она не будет направленной, может излишне сработать при КЗ в точке К1 (рисунок 4.7 а). Следует отметить, что 2-я и 3-я ступени защиты выключателей поста, вообще говоря, могут быть ненаправленными, поскольку они выполняются с выдержкой времени. В этом случае КЗ «за спиной» не вызывает их излишнего действия, так как такое КЗ будет отключено без выдержки времени защитой другого выключателя (например, QПA1). Тем не менее, для более надежного выполнения условий селективности 2-ю и 3-ю ступени защиты целесообразно выполнять направленными. Все три ступени, как правило, выполняются в виде дистанционных защит.

На посту секционирования мертвая зона направленных защит перекрывается дополнительной защитой в виде токовой отсечки. Второй (резервной) защитой для этих повреждений должна служить защита минимального напряжения, зона действия которой на рисунке 7 обозначена цифрой 5. Выдержка времени у нее на одну ступень больше, чем у защиты 3-й ступени. Защита минимального напряжения (потенциальная защита), в отличие от других ступеней (если они выполняются направленными), реагирует на КЗ на шинах поста ПС, поэтому защита минимального напряжения выполняется с действием на отключение всех выключателей поста.

При параллельной схеме питания (рисунок 7 б) графики селективности защит выключателей подстанций и поста имеют такой же вид, как при узловом питании. Однако работа защиты усложняется. При коротком замыкании в точке К1 должны отключаться уже не два, а три выключателя: QA1, QПA1 и QП11.

Если точка К1 расположена возле поста ПС, то ток КЗ, притекающий в место повреждения от подстанции А, распределяется поровну между выключателями QA1, QA2, ..., QAn и величина тока в каждом из выключателей может оказаться недостаточной для действия их защит. При близком к шинам ПС повреждении ток в выключателе QII11 практически отсутствует и его защита, если она реагирует на ток, также не сработает. Поскольку точка К1 расположена близко к выключателю QПA1, то его защита (токовая отсечка или защита 1-й ступени) сработает без выдержки времени и отключит этот выключатель. Теперь токораспределение в схеме изменяется и через выключатель QП11 будет протекать ток в точку К1, который вызовет отключение этого выключателя. После этого увеличивается ток в выключателе QA1 и он также отключится. Таким образом, выключатели QA1, QПA1, QП11 отключаются не одновременно, а каскадно: сначала один, потом второй, потом третий.

Каскадное отключение выключателей увеличивает время подпитки места повреждения, время ликвидации КЗ возрастает. Это время можно сократить, если на выключателях пунктов параллельного соединения (ППС) в качестве первой ступени использовать защиту минимального напряжения (потенциальную) без выдержки времени. Тогда выключатель QП11 будет отключаться одновременно с выключателем QПA1 в момент возникновения КЗ. В качестве резервной можно использовать максимальную токовую или дистанционную защиты (без выдержки времени), которые будут отключать выключатели QП11 (на ППС1) и QП21 (на ППС2) каскадно.

Для петлевой схемы питания на выключателях подстанции и поста используются те же защиты, что и при узловой схеме питания. Если на постах секционирования нет потенциальной защиты, то при КЗ вблизи подстанции (L_к=0 или L’_к=0) защита поста будет работать каскадно, то есть после отключения соответствующего выключателя на подстанции. Для ускорения отключения повреждений следует на посту устанавливать потенциальную защиту без выдержки времени с действием на один или оба выключателя поста.

Неселективные защиты. Неселективная защита применяется в тех случаях, когда стремятся сократить возможное число пережогов контактной сети, либо когда посты секционирования выключателей не имеют. При КЗ в любой точке межподстанционной зоны без выдержки времени отключаются выключатели смежных тяговых подстанций, питающих эту зону. При этом достигается наиболее быстрое отключение КЗ.

Устойчивость функционирования. Уставки срабатывания защиты необходимо выбирать таким образом, чтобы она уверенно срабатывала при КЗ в защищаемой зоне, не срабатывала при внешних КЗ и максимальных нагрузках нормального режима, а также обеспечивала условия ближнего и дальнего резервирования.

Относительно легко решается задача выбора уставок защит 1-й ступени, протяженность зоны действия которых невелика. Токи КЗ в пределах этой зоны, как правило, значительно превышают максимальную нагрузку нормального режима. Сложнее выбрать защиту 3-й ступени для выключателя тяговой подстанции. Ток, протекающий через этот выключатель в нормальном режиме, может достигать значений более 800 А, а при удаленном КЗ возле смежной подстанции - около 400 А. Если в качестве защиты 3-й ступени принять, например, максимальную токовую защиту и выбрать ее уставку более 800 А (чтобы она не отключала выключатель при токах нормального режима), то она не почувствует удаленные КЗ. Совершенно очевидно, что для 3-й ступени такая защита непригодна и для нее необходимо выбрать защиту, которая может отличить нормальный режим от режима КЗ по каким либо другим признакам, кроме величины тока, например по фазовому углу.

Для этой цели используются дистанционные защиты со специальными характеристиками.

На комплексной плоскости сопротивлений (рисунок 8) изображены область нормальных режимов Н и область КЗ К для тяговой сети протяженностью 60-65 км с учетом уравнительных токов между подстанциями и рекуперирующих электровозов В нормальном режиме конец вектора сопротивления Z_РH, измеряемого на зажимах реле сопротивления, может оказаться в любой точке области Н. При КЗ конец вектора сопротивления Z_pK, измеряемого на зажимах того же реле, может оказаться в любой точке области К. Для того чтобы реле сопротивления не срабатывало ложно в нормальном режиме и надежно срабатывало в режиме КЗ, необходимо, чтобы граничная линия его характеристики Z_cp=f(q>_p) проходила между граничными линиями 1 и 2 областей Н и К.

Рисунок 8 - Комплексная плоскость сопротивлений для контактной сети, измеряемых релейной защитой

Можно применить реле сопротивления с характеристиками, изображенными на рисунке 9, в, г, д. Для обеспечения устойчивости функционирования, при повреждениях, удаленных от шин данной подстанции на 40 км и более, когда области Н и К сближаются еще больше, необходимо применять реле сопротивления со сложными характеристиками, приведенными на рисунке 9, в, г, е, ж, у которых φ₁=50°, φ₂=110° и угловая характеристика хорошо отстроена от нормальных режимов, поскольку угол вектора сопротивления Z_РH, измеряемый защитой в нормальном режиме, не превышает, как правило, 40° и, следовательно, внутрь такой характеристики не попадает.

Характеристики реле сопротивления, приведенные на рисунке 9, з, и, используются для защиты от КЗ через большое переходное сопротивление. Например, при обрыве и падении провода на сухую каменистую почву переходное сопротивление в начальный момент может достигать 50 Ом. На сопротивления такой величины должны, казалось бы, реагировать защиты 3-й ступени. Поскольку, однако, переходное сопротивление является активным, то вектор сопротивления, измеряемый реле, внутрь характеристик защит 3-й ступени (рисунок 9, в, г, д, ж) не попадает и эта ступень защиты на такие КЗ не реагирует.

Характеристика, приведенная на рисунке 9, з, обладает той особенностью, что чем ближе к месту установки защиты находится точка КЗ, тем большая величина переходного сопротивления требуется для ее срабатывания. Например, при КЗ возле поста секционирования защита на тяговой подстанции с такой характеристикой сработает только в том случае, если переходное сопротивление превышает 45-50 Ом. Более благоприятными свойствами обладает характеристика, приведенная на рис. 9, и, уставка срабатывания по индуктивному сопротивлению которой может быть принята до 40 Ом, а по активному сопротивлению до 130 Ом. В этом случае при КЗ возле поста секционирования та же защита почувствует повреждение практически при любом переходном сопротивлении.

Рисунок 9 - Угловые характеристики реле сопротивления

На тяговых подстанциях, в качестве дополнительной защиты или 1-й ступени используется токовая отсечка. Но основной защитой для защиты фидеров тяговой сети является дистанционная защита. В качестве 1-й ступени могут использоваться дистанционные защиты с характеристиками, приведенными на рисунке 9, а, б, д. Достоинством характеристик рис. 9, б, д является обеспечение направленности, что требуется как для подстанций, так и для постов секционирования. Защита, например, выключателя QA1 не должна излишне действовать при КЗ в точке К4, а защита выключателя QFIB1 не должна срабатывать при КЗ в точке К1 (рисунок 9, а). Вместе с тем, дистанционную защиту с характеристикой, приведенной на рисунке 4.9, а (для тяговой сети 27 кВ), можно отстроить от излишнего действия при КЗ в точке К4 (рисунок 7, а) с помощью токового пуска (блокировки по току). Такое решение имеет свои преимущества, поскольку при этом отсутствует мертвая зона при КЗ вблизи места установки защиты. Защита же с характеристиками, проходящими через начало координат комплексной плоскости, например, показанные на рисунке 9, б, в, г, д, такие мертвые зоны имеют.

Дистанционные защиты 2-й ступени могут выполняться с характеристиками, приведенными на рисунке 9, б, д, е. Выбранные для них уставки по условиям обеспечения чувствительности в конце защищаемой зоны обычно удовлетворяют и условию отстройки от нагрузки. Характеристики, показанные на рисунке 9, в, г, ж, для 2-й ступени (в трехступенчатых защитах) использовать не рекомендуется. Эти характеристики хуже отстроены от КЗ через дугу или большое переходное сопротивление. При таких КЗ век-тор сопротивления на зажимах реле поворачивается в сторону оси +R и может выйти в область, ограниченную углом (р_1; т. е. за пределы угловой характеристики срабатывания. Защита при этом не срабатывает.

Для дистанционных защит 3-й ступени (а в двухступенчатых защитах - для 2-й ступени) на подстанции можно использовать характеристики, приведенные на рисунке 9, в, г, ж, хорошо отстроенные от максимальных нагрузок нормального режима, фазовый угол вектора сопротивления которых не превышает 40°.

На постах секционирования защиты всех трех ступеней могут выполняться с характеристиками, приведенными на рисунке 9, б, д.

Защита пунктов параллельного соединения должна быть ненаправленной. Все защиты, кроме потенциальной, чувствительны к КЗ в расчетных точках только после отключения соответствующего выключателя на подстанции или на посту секционирования. Например, для выключателя QП21 расчетными точками являются К2 и КЗ и до тех пор, пока не отключатся выключатели QПB1 или QB1, ток через выключатель QП21 протекать не будет. В качестве основной, поэтому, должна быть потенциальная защита. В качестве резервной защиты можно использовать токовую отсечку (при к_отс=0,8), максимальную токовую или дистанционную защиты. Для последней следует использовать угловую характеристику, приведенную на рисунке 9, а.

Литература [2, 3, 4, 5]