Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности и режимы работы системы тягового электроснабжения 94 кВ
1.1. Анализ существующих систем тягового электроснабжения и преимущества новой системы 94 кВ 11
1.2. Аварийные и нагрузочные режимы работы в системе 94 кВ 17
2. Математическое моделирование режимов работы системы тягового электроснабжения 94 кВ 25
2.1. Разработка расчетной схемы и схемы замещения системы тягового электроснабжения 94 кВ 26
2.2. Расчет параметров тягового электроснабжения в системе 94 кВ 31
2.3. Расчет токораспределения при коротких замыканиях по элементам системы 94 кВ 37
2.3.1. Математическое моделирование аварийных режимов работы системы тягового электроснабжения 94 кВ з7
2.3.2. Математическое моделирование нагрузочных режимов работы системы тягового электроснабжения 94 кВ 57
3. Исследование влияния режимов работы системы 94 кВ на параметры, измеряемые защитами ПП и ФКС 61
3.1. Исследование аварийных режимов и влияние различных факторов на параметры, измеряемые защитами 1111 и ФКС системы 94 кВ 61
3.1.1. Исследование влияния схемы питания фидерной зоны на параметры, измеряемые защитами ПП и ФКС 61
3.1.2. Исследование влияния количества ПТП на фидерной зоне на параметры, измеряемые защитами 1111 и ФКС 66
3.1.3. Исследование влияния мощности ПТП на параметры, измеряемые защитами 1111 и ФКС 68
3.1.4. Исследование влияния типа 1111 и КП на параметры, измеряемые защитами 1111 и ФКС 71
3.2. Исследование параметров, измеряемых защитами 1111 и ФКС при отключении ПТП в СТЭ 94 кВ 73
3.3. Исследование работы защит тяговой сети в аварийных и нагрузочных режимах системы 94 кВ 76
3.3.1. Исследование влияния переходного сопротивления на параметры, измеряемые дистанционной защитой 76
3.3.2. Исследование влияния нагрузочных режимов, на параметры, измеряемые защитами при КЗ 80
3.4. Методика расчета уставок защит в системе электроснабжения 94 кВ 91
4. Разработка защиты системы электроиабжения 94 кВ 99
4.1. Организация защиты тяговых сетей переменного тока 99
4.2. Требования, предъявляемые к типам защит и их размещению в СТЭ94кВ 102
4.3. Разработка устройства для защиты параллельных линий электропередач
4.3.1. Определение требований к устройству для защиты параллельных линий электропередач
4.3.2. Разработка устройства для защиты параллельных линий электропередач 113
4.3.3. Анализ функционирования защиты при различных видах повреждений 115
4.3.4. Технико-экономическое обоснование применения устройства для защиты параллельных линий электропередач 118
5. Анализ экономической эффективности применения СТЭ 94 кВ на участке ДвостЖД Хабаровск - Комсомольск-на-Амуре - Советская гавань 127
5.1. Анализ движения поездов по существующему участку ж.д. и его электрификация СТЭ 127
5.2. Сравнение размера капитальных затрат при электрификации по системе 27,5 кВ, 2x25 и 94 кВ 130
5.3. Расчет текущих затрат при электрификации по системам 27,5 кВ, 2x25 кВ и 94 кВ 137
5.3.1. Определение штата работников тяговых подстанций 137
5.3.2. Расчет фонда заработной платы 138
5.3.3. Расчет эксплуатационных расходов на содержание и обслуживание подстанций 140
Заключение 145
Библиграфический список 146
Приложение 1 156
Приложение 2 188
Приложение 3 193
- Аварийные и нагрузочные режимы работы в системе 94 кВ
- Расчет параметров тягового электроснабжения в системе 94 кВ
- Исследование влияния схемы питания фидерной зоны на параметры, измеряемые защитами ПП и ФКС
- Требования, предъявляемые к типам защит и их размещению в СТЭ94кВ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Начавшийся второй этап реформы железнодорожного транспорта предусматривает решение задач по созданию условий для увеличения объемов транзитных перевозок и определению наиболее выгодного варианта электрификации участков железных дорог различными СТЭ.
Министерством транспорта России совместно с ОАО «Российские железные дороги», научными и другими заинтересованными организациями разработана «Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ № 877-р от 17 июня 2008 года [33]. Основные положения ее направлены на комплексное решение двух взаимосвязанных стратегических задач: обеспечения опережающего развития транспортной инфраструктуры для создания пропускной и перерабатывающей способности участков, железнодорожных узлов и станций и внедрения эксплуатационной модели, которая позволит рационально использовать мощности ее участков. Эти требования ведут к необходимости разработки новой системы электрификации железных дорог, имеющей минимум выходов в сети общего назначения, меньшую установленную мощность трансформаторов и существенно меньшие капитальные затраты при высокой надежности электроснабжения тяги. Такой системой является система тягового электроснабжения 94 кВ [71].
Главной задачей железнодорожного транспорта является обеспечение стабильного перевозочного процесса, эффективность которого во многом зависит от надежного электроснабжения. В свою очередь надежность работы устройств электроснабжения [3] зависит от надежной работы устройств релейной защиты. При этом каждый элемент системы имеет свои отличительные параметры нормального и аварийного режимов, что отражается на организации его релейной защиты.
Так как система 94 кВ имеет ряд особенностей по конструкции, силовым схемам и некоторым видам оборудования, то разработка РЗ этой системы требует правильного выбора параметров всех устройств и точного знания закономерности изменения токов и напряжений в различных режимах [9].
Особенность организации РЗ системы 94 кВ связана с многообразием режимов работы, вызванных наличием питающих проводов, промежуточных трансформаторов и межподстанционных зон большой длины. Таким обра-
зом, без обоснованных научных исследований вопросов, связанных с созданием эффективной РЗ системы 94 кВ, обеспечить в будущем надежную работу этой системы не представляется возможным.
Цель работы. Целью работы является проведение теоретических исследований и разработка на их основе РЗ, обеспечивающей требуемую чувствительность к КЗ в тяговой сети и селективную работу защит в нагрузочных и аварийных режимах СТЭ 94 кВ.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка математической модели СТЭ 94 кВ.
Исследование и анализ аварийных режимов работы СТЭ 94 кВ, выявление характера изменения измеряемых защитами электрических величин.
Исследование влияния различных факторов на параметры, измеряемые защитами при КЗ, и разработка требований, предъявляемых к защитам СТЭ 94 кВ.
Разработка методики расчета защит ФКС и ПП системы 94 кВ.
Разработка устройства защиты, обеспечивающего выполнение требований селективности при возникновении замыканий между ФКС и ПП 27,5 кВ СТЭ 94 кВ.
Методика исследований. Поставленная цель достигается путем аналитических и лабораторных исследований.
Исследование режимов работы СТЭ 94 кВ произведено с использованием разработанной автором математической модели. Для математического моделирования аварийных режимов использованы методы преобразования схем, аппарат теории электрических цепей, методы решения линейных уравнений. Численные расчеты проводились на ЭВМ в программах MathCAD, MATLAB и Microsoft Visual FoxPro 9.0.
Оценка целесообразности предложенных мероприятий проводилась с использованием методов определения экономической эффективности инноваций.
Результаты аналитических исследований параметров аварийных режимов работы СТЭ 94 кВ, а также эффективности предложенных мероприятий согласуются с данными исследований, проведенных в лабораторных условиях.
Научная новизна решений, сформулированных автором, состоит в следующем:
Разработана математическая модель расчета токов КЗ и параметров, измеряемых РЗ при КЗ в аварийных режимах работы СТЭ 94 кВ, учитывающая: возможность перехода с двустороннего на одностороннее питание, отключение участков двухпроводной продольной линии, промежуточных трансформаторных подстанций, взаимоиндуктивные связи, наличие переходного сопротивления в месте повреждения.
Выявлен, в результате аналитических исследований аварийных режимов работы, характер изменения измеряемых защитами электрических величин и установлена степень влияния различных элементов тяговой сети на параметры, измеряемые защитами при КЗ в системе 94 кВ.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена теоретическим обоснованием, сопоставлением и высокой сходимостью результатов, полученных аналитическими расчетами и лабораторными исследованиями. Расхождение между данными, полученными путем лабораторных исследований, и результатами расчетов не превышает 5 %.
Практическая ценность
Разработано и запатентовано устройство для защиты при замыканиях ФКС и ПП 27,5 кВ СТЭ 94 кВ.
На основе математической модели СТЭ 94 кВ разработаны алгоритм и программа расчетов параметров аварийных режимов на ЭВМ для системы 94 кВ, предназначенных для использования при проектировании.
Разработана методика расчета уставок защит фидеров контактной сети и питающих проводов СТЭ 94 кВ.
Расчет экономической эффективности показал, что от предполагаемого применения разработанного устройства появляется экономия денежных средств в размере 125,5 тыс. руб./ год на 100 км развернутой длины КС.
Экономический эффект от предполагаемого применения СТЭ 94 кВ на участке ДвостЖД Хабаровск — ,Комсомольск-на-Амуре — Советская Гавань составляет 332,6 млн. рублей.
Внедрение. Функциональная и принципиальная схемы устройства для защиты параллельных линий электропередач, обеспечивающего выполне-
ние требований селективности при замыканиях ФКС и ПП 27,5 кВ СТЭ 94 кВ, использованы в проектной практике отдела электроснабжения и линий электропередач ОАО «Дальэлектропроект».
Техническое задание, функциональная схема, эскизный проект устройства для защиты параллельных линий электропередач использованы в про-ектно-конструкторской деятельности инженерного центра Дальневосточного филиала ФГУП «ВНИИФТРИ» при разработке схем устройств релейной защиты.
Методика расчета уставок защит ФКС и ПП СТЭ 94 кВ используется в проектной практике отдела технологии и электрификации группы тяговых подстанций ОАО «Дальгипротранс».
Алгоритмы и программы расчетов параметров аварийных режимов СТЭ 94 кВ для ЭВМ «Расчет режимов работы систем тягового электроснабжения» и «Автоматизация расчета токораспределения в системе тягового электроснабжения» используются в учебном процессе при подготовке студентов Электроэнергетического института Дальневосточного государственного университета путей сообщения, а также для студентов Электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Новые разработки, представленные в диссертационной работе, регулярно включались в планы курсов повышения квалификации специалистов в области релейной защиты и автоматики ДвостЖД и ЗабЖД.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и были одобрены:
на региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог», Хабаровск, ДВГУПС, 19-29 декабря 2005 года;
на 3-м международном симпозиуме Eltrans «Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на ж. д. транспорте», С.-Петербург, 15 — 17 ноября 2005 года;
на 5-й Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI
веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17-19 апреля 2007 года;
на 45-й международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 года;
на 10-м краевом конкурсе молодых ученых Хабаровского края, Хабаровск, ТОГУ, 28 января 2008 года;
на всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, ДВГУПС, 22 - 24 апреля, 2008 года;
на заседаниях и научно-технических семинарах кафедры электроснабжения транспорта, Хабаровск, ДВГУПС, 2005 - 2008 годы.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 15 работах, в том числе в трех статьях, опубликованных в изданиях рекомендованных ВАК, двух свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ и двух патентах на полезную модель.
На защиту выносятся следующие положения:
математическая модель СТЭ 94 кВ;
результаты исследований аварийных режимов работы СТЭ 94 кВ;
методика расчета уставок защит ФКС и ПП СТЭ 94 кВ;
- принципиальная схема устройства для защиты от замыканий ФКС и
ПП 27,5 кВ СТЭ 94 кВ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 155 страниц основного машинописного текста, 68 рисунков, 18 таблиц, библиографический список из 110 наименований, и три приложения на 41 странице.
Аварийные и нагрузочные режимы работы в системе 94 кВ
К устройствам РЗ в соответствии с ее назначением предъявляют следующие требования: селективность, быстродействие, чувствительность, надежность и резервирование [83, 85, 96, 99, 101, 102]. Данные требования предъявляют к РЗ любого электрического присоединения, независимо от его назначения и характеристик. Выполнение всех требований обеспечивает эффективность и стабильность работы устройств СТЭ, перевозочного процесса и безопасность движения поездов.
В соответствии с указанными требованиями, на основании работ отечественных ученых созданы достаточно эффективные защиты системы тягового электроснабжения 25 кВ. В частности для защиты фидеров контактной сети в соответствии с [15, 85, 100] применяются дистанционные защиты.
Вопросам исследования РЗ и автоматики тяговых сетей переменного тока посвящены работы отечественных ученых: Г.И. Атабекова [4], В.В. Белова [15], Б.Е. Дынькина [34, 35, 37, 39, 42, 44, 80, 81, 82], Ю.И. Жаркова [48], В.А. Зимакова [25], В.Я. Овласюка [25, 48], В.Н. Пупынина [14, 79], Е.П. Фигурнова [97], Л.И. Шухатовича [31] и зарубежных: FankH-W [108], LiebachTh. [108].
Большой вклад в разработку методов расчета нагрузочных и аварийных режимов СТЭ переменного тока внесли А.С. Бочев [23], Б.И. Косарев [23, 56]:, P.P. Мамошин [61], К.Г. Марквардт [62], В.Е. Марский [63,64] и другие ученые.
Исследованию режимов работы СТЭ 94 кВ посвящены работы В.Д. Бар-душко [12],В.П. Закарюкина [49,51], А.В. Крюкова [50,51],Р.Р. Мамошина [71].
Теоретические исследования режимов работы системы 94 кВ [36] показали, что характер изменения, измеряемых защитами электрических величин с нетиповыми схемами питания, имеет свои особенности, поэтому в таких условиях существующие устройства РЗ не удовлетворяют в полной мере требованиям селективности, чувствительности и т. д. Наряду с этим, отсутствует четкое понимание того, как должны взаимодействовать защиты ФКС и ПП СТЭ 94 кВ. В связи с этим необходимо проработать вопросы организации релейной защиты, выявить влияние различных факторов на параметры, измеряемые защитами с учетом особенностей работы системы в аварийных и нагрузочных режимах.
В СТЭ 94 кВ из-за наличия ПП возрастает количество разновидностей возможных КЗ. Все виды КЗ необходимо контролировать устройствами защиты, установленными на фидерах подстанций ГТП и ПТП. Полное сопротивление тяговой сети при системе электроснабжения 94 кВ примерно вдвое меньше, чем при системе 25 кВ. Передача энергии в такой сети на напряжении 94 кВ существенно увеличивает ее мощность и обусловливает большие токи, приведенные к напряжению 25 кВ в местах повреждений (рис. 1.4 - 1.8). В то же время на фидерных зонах протяженностью до 350 км токи, приведенные к напряжению 94 кВ, измеряемые устройствами защиты при удаленных КЗ, могут быть незначительными и соизмеримыми с токами нагрузок.
Таким образом, с одной стороны, большие токи (около 3000 ампер и более) в местах повреждений тяговой сети повышают вероятность пережога проводов и обусловливают необходимость повышения быстродействия защиты. С другой стороны, токи удаленных КЗ на протяженных фидерных зонах обостряют проблему обеспечения повышенной чувствительности и селективности защиты.
Функционирование защиты усложняется также из-за увеличения числа возможных режимов работы системы электроснабжения, например, при обрывах или секционировании питающих проводов во время выполнении работ на линии, при отключениях трансформаторов ПТП резко возрастает модуль сопротивления, измеряемого защитой фидеров тяговой сети подстанции ГТП. В случае отключения на фидерной зоне всех трансформаторов ПТП1 - ПТП4 (рис. 1.9 — 1.12) система электроснабжения 94 кВ переходит в режим работы по системе 25 кВ с увеличенным модулем сопротивления контактной сети.
Поэтому для исследования параметров измеряемых защитами при любой схеме питания, необходимо рассмотреть все возможные режимы.
В момент включения тягового трансформатора на электровозе, находящемся под напряжением, амплитуда апериодического броска тока намагничивания превышает 500 - 600 ампер, а при одновременном включении большого числа ПТП на холостой ход, например, при автоматическом повторном включении (АПВ) после внезапного отключения фидера, когда апериодические броски тока намагничивания не сглаживаются нагрузкой, амплитуды их могут достигать 1000 - 1200 ампер и более [19]. При этом модуль вектора сопротивления, измеряемого защитой на шинах подстанции, составляет 25 - 30 Ом, а угол 70...80. Таким образом, амплитуды бросков тока намагничивания значительно превышают максимальные значения токов нагрузки фидеров, а область сопротивлений при этих бросках совпадает с областью сопротивлений, измеряемых защитой подстанции при КЗ. Следовательно, для предотвращения неселективных срабатываний защиты при таких режимах необходимы дополнительные устройства.
На железных дорогах РФ принята система двухстороннего питания меж-подстанционых зон. Поэтому тяговые сети переменного тока выполняют и функции межсистемных связей, через которые реализуются существенные перетоки электроэнергии, обусловленные различием напряжения (по модулю или фазе) на шинах питающих подстанций. Наибольшее влияние на угол фазового сдвига, измеряемого защитой, уравнительные токи оказывают при токах нагрузки, меньших 200 — 300 ампер. Складываясь или вычитаясь из тока нагрузки, уравнительный ток оказывает превалирующее влияние на ток фидера, а также на его угол фазового сдвига, который может изменяться от 0 до 360. С увеличением уравнительных токов возрастает их влияние на устройства РЗ, реагирующие на значение тока фидера и его фазу.
Расчет параметров тягового электроснабжения в системе 94 кВ
Для определения параметров трансформатора воспользуемся схемой замещения, представленной на рис. 2.5. Для исследования параметров аварийных режимов работы, а также электрических величин, измеряемых РЗ, как упоминалось выше, можно рассмотреть одну межподстанционную зону, которая запитана от одной фазы левого и правого плеча питания соответствующих ГТП. Таким образом, в однофазном исполнении симметрирующая структура трансформатора ГТП может быть представлена в виде однофазного трехобмоточного трансформатора [71]. Схема замещения СТ, приведенная на рис. 2.2, является эквивалентной схеме одной из симметрирующих структур, представленной на рис. 2.1, а, такое представление схемы на результат расчета параметров не влияет, так как напряжения, представленные на эквивалентной схеме, соответствуют заданным напряжениям в реальной схеме.
Исходя из равенства мощностей обмоток сопротивления посчитаны с учетом разнесения их на сторону высокого и низкого напряжений по 50 %. А сопротивления Zn и ZT2 рассчитаны как сопротивления, пропорциональные числу витков обмоток напряжением 66,4 кВ и 27,5 кВ соответственно [40].
Для расчета сопротивления взаимной индукции необходимо знать расстояния между проводами тяговой сети 94 кВ. Определим расстояния в соответствии с рис. 2.3 [71], и сведем данные в табл. 2.5: электроснабжения 94 кВ Расчет токораспределения в СТЭ 94 кВ будем производить на основании решения системы уравнений, составленных с использованием законов Кирхгофа [38] для схемы замещения, приведенной на рис. 2.5 с учетом всех взаимоиндуктивных связей [17]. Известна методика расчета токораспределения в системах тягового электроснабжения 2x25 кВ в аварийных режимах [38], согласно которой уравнения, описывающие взаимосвязь между токами и напряжениями в схеме, составляются методом контурных токов.
Таким образом, система уравнений, описывающих токораспределение в рассматриваемой схеме в аварийных режимах (рис. 2.5), должна отвечать следующим требованиям: учитывать сопротивление внешнего электроснабжения, возможность изменения числа источников питания, ПТП, взаимоиндуктивные связи между проводами, наличие переходного сопротивления в месте повреждения; обеспечивать возможность расчетов параметров, измеряемых защитами ТП, ПТП и ПС для различных типов защит при всех видах КЗ с любой схемой соединения проводов тяговой сети системы 94 кВ. Далее приводится отвечающая этим требованиям система уравнений, описывающих токораспределение в системе 94 кВ.
Исследование влияния схемы питания фидерной зоны на параметры, измеряемые защитами ПП и ФКС
Исследуем влияние схемы питания фидерной зоны на параметры режима, а именно изменение токов, напряжений и сопротивлений в схеме при одностороннем и двустороннем питании, для схемы однопутного участка железной дороги.
Для этого рассчитаем токи, напряжения и входные сопротивления измеряемые защитами ФКС и ПП при коротких замыканиях между всеми проводами, на расстоянии от 0 до 150 километров от ГТШ с шагом в 10 километров, сначала для участка железной дороги с односторонним, а затем с двусторонним питанием. Результаты расчетов токов, напряжений и входных сопротивлений при одностороннем питании сведем в табл. 1, 3, 5 а при двустороннем питании в табл. 2, 4, 6 (прил. 1). Выполненные в данном пункте исследования влияния схемы питания фидерной зоны на параметры КЗ показывают, что в качестве расчетного режима по условиям отстройки защит ФКС и ГШ необходимо рассматривать режим двустороннего питания. Это обусловлено тем, что при переходе к схеме двустороннего питания фидерной зоны увеличиваются значения сопротивлений и уменьшаются значения токов, измеряемых РЗ ФКС и ГШ. В качестве примера сопротивления, измеряемые защитами ФКС, установленными на ГТП1 при двустороннем питании, составляют от 1,15 до 1,2 при КЗ контактный провод — рельс на шинах ПТП и до 1,6 при КЗ между ПТП от соответствующих сопротивлений при одностороннем питании. Сопротивления, измеряемые защитами 111127,5 кВ, установленными на ГТШ при одностороннем питании, составляют от 0,79 до 0,93 при КЗ контактный провод - рельс на шинах ПТП и до 0,69 при КЗ между ПТП от соответствующих сопротивлений при двустороннем питании. Сопротивления, измеряемые защитами ПП66,4 кВ, установленными на ГТП1 при одностороннем питании, составляют от 0,72 до 0,95 при КЗ контактный провод - рельс на шинах ПТП и до 0,67 при КЗ между ПТП от соответствующих сопротивлений при двустороннем питании.
Следует также отметить, что сопротивления, измеряемые защитами ФКС, установленными на ГТП1 как при одностороннем, так и при двустороннем, питании при внешних коротких замыканиях (вне зоны действия защиты) имеют большие значения, чем при внутренних КЗ (на защищаемом присоединении).
Анализируя схему питания при КЗ контактный провод — рельс на последнем участке фидерной зоны (Ьф=120 - 150 км) можно заметить, что значения и характер изменения сопротивлений, измеряемых защитами, различен. Это вызвано тем, что при изменении числа источников питания, изменяется значение падения напряжения от места установки защит до места КЗ, и значения токов в схеме перераспределяются так, что при одностороннем питании большая часть тока подпитки КЗ протекает через трансформатор ПТП4, а при двустороннем питании - как через трансформатор ПТП4 так и через трансформатор ГТП2, соответственно доля тока, протекающего через место установки защиты, в начале фидерной зоны, будет различна и составляет 0,42.. .1,02 от токов при двустороннем питании.
В связи с этим, как отмечалось выше, в качестве расчетного режима по условиям отстройки защит рекомендуется принимать режим двустороннего питания. 3.1.2. Исследование влияния количества ПТП на фидерной зоне на параметры, измеряемые защитами ПП и ФКС
Исследуем влияние количества ПТП на фидерной зоне на параметры режима, а именно изменение токов, напряжений и сопротивлений при двустороннем питании, для однопутного участка железной дороги.
Для этого рассчитаем токи, напряжения и входные сопротивления, измеряемые защитами ФКС и ПП, при коротком замыкании контактный провод -рельс, на расстоянии от 0 до 150 километров от ГТП1 с шагом в 10 километров для участка железной дороги с двусторонним питанием при двух и четырех ПТП на фидерной зоне.
При двустороннем питании тяговой сети в условиях отсутствия уравнительных токов, токи трансформаторов ПТП практически равны [19]. Исследуя количество ПТП на фидерной зоне, рассмотрим относительную загрузку каждой ПТП, под которой будем понимать отношение тока, протекающего по вторичной обмотке трансформатора ПТП, к току КЗ. На рис. 3.7 в качестве примера приведены кривые относительной загрузки при четырех ПТП на фидерной зоне, которые составляют 0,05...0,82 для ближайших к точке КЗ ПТП и не превышает 0,05 для последующих ПТП. . Величины сопротивлений, измеряемых защитами при КЗ на шинах ПТП, практически не зависят от количества ПТП. Это объясняется тем, что при КЗ на шинах какого-либо ПТП загружается только этот ПТП (см. рис. 3.7), а остальные в подпитке точки КЗ не участвуют. Однако при КЗ в межподстанционной зоне сопротивления, измеряемые защитами при двух ПТП с каждой стороны составляют 1,23...1,32 от соответствующих сопротивлений при одной ПТП по обе стороны, от места повреждения. Это вызвано тем, что основная доля тока подпитки КЗ протекает через ПТП, расположенные ближе к месту КЗ, а доля тока, протекающего через соседние ПТП, соизмерима с током, протекающим в месте установки защиты. Поэтому при отключении крайних ПТП, загрузка ближайших ПТП практически не изменяется, а ток в месте установки защиты увеличивается на долю тока, которым были загружены крайние ПТП.
Следует также отметить, что при КЗ на 1111, в зоне действия защит 111127,5 кВ и 111166,4 кВ, количество ПТП на фидерной зоне не оказывает влияния на сопротивления, измеряемые этими защитами. Это объясняется тем, что подпитка таких КЗ происходит непосредственно через замыкаемые провода. Доля тока подпитки через ПТП незначительна.
Требования, предъявляемые к типам защит и их размещению в СТЭ94кВ
В данном подразделе представлены требования к защитам. При разработке требований приняты во внимание исследуемые аварийные и нагрузочные режимы работы СТЭ 94 кВ. Коэффициент чувствительности Кч для основных и резервных защит, вычисленный по формулам (4.1), (4.2), (4.3).
Для КС переменного тока предпочтительными являются следующие виды защит. На фидерах ТП четырехступенчатая дистанционная направленная защита. В качестве основной — вторая ступень ДЗ; в качестве резервной — третья ступень ДЗ; в качестве дополнительной — ТО. На деповских и станционных фидерах ТП предпочтительны в качестве основной — максимальная токовая защита без выдержки времени, в качестве резервной — вторая ступень такой же защиты или одноступенчатая дистанционная. На постах секционирования применять трехступенчатые защиты: в качестве основной — первая и вторая ступень направленной ДЗ, в качестве резервной — третья ступень направленной ДЗ, в качестве дополнительной — ТО. Защита пунктов ПТП должна быть направленной. Все защиты, кроме потенциальной, чувствительны к КЗ в расчетных точках только после отключения соответствующего выключателя на подстанции или на ПС. Поэтому в качестве основной защиты шин ПТП должна быть выбрана потенциальная защита. В качестве резервной защиты можно использовать токовую отсечку (при Котс = 0,8), максимальную токовую или ДЗ.
На вводах 27,5 и 94 кВ необходимо иметь защиту шин подстанции и резервную защиту для выключателей ФКС. Рекомендуемые защиты: максимальная токовая в трех фазах и ДЗ в ДПЛ. Селективность основных и резервных защит обеспечивается свойством направленности и с помощью выдержки времени. Первые ступени защит (основная и дополнительная в виде токовой отсечки, а также защита пунктов параллельного соединения) выполняются без выдержки времени, с «памятью» в цепи напряжения с длительностью не менее 0,15 с. Ступень выдержки времени резервных защит КС переменного тока принимается от 0,3 до 0,4 с. Вторая ступень защиты ПС имеет выдержку времени 105 от 0,3 до 0,4 с. На фидере ТП защиту второй ступени выполняют с выдержкой времени от 0,6 до 0,7 с, а третьей ступени — от 0,9 до 1,0 с. На вводах 27,5 кВ максимальная токовая и ДЗ могут иметь одинаковую выдержку времени от 1,2 до 1,3 с. Защита от КЗ ФКС и ПП кВ должна быть отстроена от максимальных нагрузок нормального режима работы, скачков тока при проезде локомотивом воздушного промежутка или нейтральной вставки, бросков тока намагничивания трансформаторов электроподвижного состава переменного тока, изменений фазового угла при искрении над токоприемником при гололеде, а также от повреждений, отключаемых выключателем локомотива или выключателями смежных участков. Отстройка уставки от указанных режимов осуществляется коэффициентами запаса к3 и возврата кв.
Коэффициент запаса к3 принимают не менее 1,1 до 1,3. Защита ФКС должна селективно работать при внутренних коротких замыканиях, т. е. повреждениях в защищаемой зоне, и не срабатывать при внешних коротких замыканиях на питающих проводах (ДПЛ). При КЗ на ПП (ДПЛ) возможна неселективная работа третьей ступени защиты ФКС, исправляемая устройствами АПВ. Защита ближнего резерва дублирует основную защиту, защита дальнего резерва резервирует защиту выключателей смежных участков, входящих в зону резервирования. Резервные защиты на ГТП должны обеспечивать отключение КЗ в наиболее удаленной точке даже в случае отказа на ПС защиты или одного из выключателей. Для защит, установленных на выключателях фидеров ГТП, защищаемой зоной и зоной ближнего резервирования (зоной основной защиты) является участок КС от подстанции до ПС, при отсутствии ПС защищаемой зоной и зоной ближнего резервирования является участок до шин смежной ПТП. Зоной дальнего резервирования является участок от конца зоны основной защиты до смежной ПТП. Для защит, установленных на ПС, при наличии в межподстанционной зоне одного поста, зоной защиты и зоной ближнего резервирования является участок между постом и смежной ПТП.
Основная и резервная защиты фидеров на ГТП и постах секционирования должны образовывать направленную многоступенчатую систему (комплект защиты). При этом КЗ в любой точке межподстанционной зоны должно обнаруживаться не менее, чем двумя защитами (или двумя ступенями комплекта защиты) на ближайшем выключателе и, одной защитой (одной ступенью комплекта защиты) на выключателе смежного элемента.
Защита фидеров ТП должна быть снабжена аппаратурой контроля условий нагревания проводов для предотвращения их отжига при удаленных КЗ и перегрузке. Для защиты ФКС Д31 следует выполнять направленной с областью срабатывания фазовой характеристики в диапазоне углов от 0 до 110 (рис. 4.5, б, д). Нижняя граница фазовой характеристики обусловлена необходимостью срабатывания при переходных сопротивлениях до 10 Ом (при перекрытиях нейтральной вставки, либо падении провода на землю), а верхняя граница обусловлена необходимостью отстройки от режима рекуперации при больших нагрузках. При такой характеристике Д31 обеспечивает защиту 85% зоны при близких КЗ, а также при КЗ через небольшое переходное сопротивление.
