CC BY
44
УДК 621.311.004
П. е. МИХАЛ1ЧЕНКО (ДПТ)
МЕТОДИКА ВИБОРУ УСТАВКИ ШВИДКОД1ЮЧИХ ВИМИКАЧ1В Ф1ДЕР1В 3,3 кВ ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ З М1КРОПРОЦЕСОРНИМИ СИСТЕМАМИ ЗАХИСТУ
У статп представлено нову методику вибору уставки швидкодшчих вимикачiв 3,3 кВ тягових тдстан-цiй постiйного струму, призначену для використання в мшропроцесорнш системi захисту фiдерiв. Дана методика е досконалiшою гснуючо! за приростом струму та використовуе результати математичного моделю-вання системи тягового електропостачання.
В статье описана новая методика выбора уставки быстродействующих выключателей 3,3 кВ тяговых подстанций постоянного тока, предназначенная для использования в микропроцессорной системе защиты фидеров. Данная методика совершеннее существующей по приращению тока и использует результаты математического моделирования системы тягового электроснабжения.
In the article a new procedure of choice of minimum current jump for action of fast-acting switches of 3.3 kV DC traction substations intended for the use in the microprocessor protection system of feeders is described. This procedure is more perfect than existing one on the current increment and uses the results of mathematical simulation of the traction electric supply system.
Систему захисту тягових мереж постшного струму виконують за допомогою швидкодда-чих вимикачiв (ШВ), яю обладнанш iндуктив-ним шунтом чи реле-диференцшним шунтом. Однак 1х захисш властивосп перестали задово-льняти сучасним вимогам експлуатаци залiз-ниць, особливо зважаючи на: велику кшьюсть помилкових спрацьовувань; недостатню швид-кодда; низьку чутливють; пошкодження як самих ШВ, так i iншого обладнання тягових тд-станцiй. Тому розробка нових засобiв захисту та пiдвищення 1х чутливостi i селективностi е основною вимогою сучасних умов експлуатацii електрифшованих залiзниць. З цiеi точки зору значних результатiв можна досягти, доповню-ючи ШВ тягових пiдстанцiй пристроями мшро-процесорного захисту (МСЗ). Застосування ШВ у поеднанш з МСЗ дозволяе усунути недол> ки, притаманш iснуючим системам захисту ф> дерiв.
Нормальна робота iснуючоi на сьогоднi ре-лейно-струмово1 системи захисту фiдерiв 3,3 кВ контактно1 мережi [1] залежить вiд уставки ШВ, на основi яких побудованi цi системи. На практищ уставки ШВ часто бувають надто за-ниженi, що призводить до значно1 кiлькостi помилкових та неселективних вимикань ШВ тягових шдстанцш. Причинами помилкових спрацьовувань також е cтрибкоподiбна змiна струму навантаження в тяговiй мережi пiд час перегрупування тягових двигунiв електровозiв
у 1х нормальних режимах роботи, а також у режимах «зняття-вщновлення» напруги на стру-моприймачi [2]. Неселективш вимикання ШВ вiдбуваються за рахунок нескоординовано! роботи систем захисту тягових шдстанцш та еле-ктрорухомого складу (ЕРС).
Таким чином, без суттевих кашталовкла-день шдвищення ефективностi роботи систем захисту може бути здшснено вдосконаленням методiв вибору уставок автоматичних ШВ, в яких використовують результати математично-го моделювання аварiйних та експлуатацiйних перехщних режимiв iз наступним дооснащен-ням iснуючого обладнання тягових пiдстанцii МСЗ.
Найбшьш об'ективну оцiнку властивостей ШВ дають, як це показано в [3], характеристики спрацьовування (ХС) ШВ. Ц характеристики - граничш лши, що подiляють область спрацьовування i неспрацьовування ШВ при певному закош змiни струму.
Пщ оптимальною захисною характеристикою (ОЗХ) будемо розум^и комплекс характеристик спрацьовування, яю забезпечують мак-симальну захищешсть фiдерноi зони при до-пустимiй iмовiрностi хибних спрацьовувань ШВ [4].
Реальна змша струму фщера 3,3 кВ при на-вантаженш i короткому замиканнi (КЗ) вщбу-ваеться за законом, що наближено описуеться виразом:
© Михатченко П. е., 2010
i (t ) = I0 + AI
t ^
1 - e
(1)
де А/ = /к -/0 - прирют струму, який визнача-еться як рiзниця кiнцевого /к i початкового /0 значень перехiдного струму фщера (рис. 1); тс - стала часу змши струму; /0 - попередне значення струму (до початку перехщного про-цесу).
// AI
I0
t=0
t
(
di (t)
Л
(
V Ушах
отримаемо:
di (t)
Л
Jt=0
AI
тс
[3, 4],
i (t ) = I0 +AI
f
\
t \ —v 1 - e I
/
(2)
Динам1чна уставка AIy визначае мшмаль-
ний стрибок струму, який викликае спрацьову-вання ШВ при тс = const i I0 = 0, тобто вона визначае спрацьовування вщ змiни струму.
Як показано в робот [3], ХС е прямою лш> ею, що з'еднуе вiдрiзки AIy i Iy, вщкладеш
вiдповiдно по осi ординат i абсцис (рис. 2).
Таким чином, довшьна промiжна точка ХС при вщомих AIy i !у, а також вiдомомy I0
визначаеться виразом [4]:
AI = AI,
(3)
Область спрацьовування ТТТВ
Рис. 1. Перехщний струм фидера при шдвищенш навантаження чи КЗ
Вираз (1) може бути представлено i через швидкiсть зростання струму. Використовуючи залежностi
Таким чином, згiдно (1) i (2), струм фiдера е функщею трьох параметрiв I0, AI, тс (vI) . Па-раметри I0, AI характеризують усталену величину струму до та тсля змiни поточного значення переходного струму i (t), а третш -
тс (vI) - характеризуе зм^ перехiдного струму.
У вiдповiдностi з [3], ХС е залежнють стри-бка струму AI, що викликае спрацьовування ШВ, вщ величини попереднього струму навантаження I0 при тс = const, тобто це е залеж-шсть AI = f (I0) . Двома граничними значен-
нями ще! ХС е статична i динамiчна уставка ШВ.
Статичну уставку Iy визначають спрацьо-
вуванням ШВ при повшьнш змiнi струму за виразом (1).
I
Рис. 2. Характеристика спрацьовування ШВ
Область спрацьовування вимикача лежить вище ХС. Визначаючи А/у для вшх можливих
значень тс, яке змшюеться у межах 0 < тс < да при одному й тому ж значенш /у, можемо по-
будувати сiмейство ХС ШВ. За допомогою и-мейства ХС легко встановити поведшку ШВ при стрибковi струму величиною А/1, якщо вiдома стала часу тс1 i значення попереднього струму навантаження /01. Вiдклааемо спочатку по ос абсцис величину /01 i проводимо з ще! точки перпендикуляр величиною А/1. Якщо кшець вiдрiзка А/1 знаходиться в обласп над характеристикою, то ШВ вщ розглядуваного стрибка спрацюе, якщо ж нижче характеристики - не спрацюе.
Слщ зауважити, що навт для одного й того ж фщера параметри /0, А/, тс (у/) е величинами змшними, якi залежать вщ конкретно! си-туацп в момент змши струму навантаження чи КЗ. Параметр /0 залежить вщ кiлькостi елект-ровозiв, що знаходяться на фщернш зонi та ре-жимiв !х ведення до моменту перехщного про-цесу, А/ - вщ виду перехщного режиму: пуск
електровоза; перехщ електровоза на шшу пози-цiю; вiдрив-торкання струмоприймача; КЗ на
I
к
у
електровозц КЗ поза електровозом; прохщ струмоприймача iзольованоl вставки. Парамет-ри тс (vj) залежать вiд параметрiв тягово! мереж та електрорухомого складу (ЕРС) в момент короткого замикання.
Аналiз змiни струму фiдерiв тягово! мереж 3,3 кВ дозволяе встановити, що [4, 5]: величина стрибюв струму навантаження мало змшюеться в залежностi вiд попереднього струму навантаження J0; величина стрибюв струму КЗ знахо-диться в зворотнiй залежностi вщ величини по-переднього струму навантаження j0 , тобто зменшуеться зi збшьшенням J0; стала часу тс i швидкiсть змiни vj струму навантаження i КЗ залежать вщ величини попереднього струму навантаження i дiапазони !х змiни спiльномiрнi, достатньо вузью i знаходяться у межах: тс « 0,01...0,05 с; vj « 30...120 кА/с. Тобто вщ-рiзнити змiну струму навантаження фiдерiв 3,3 кВ вiд змiни струму КЗ за швидюстю зрос-тання струму неможливо.
У роботах [3, 4] було зазначено, що у тих випадках, коли максимальш стрибки пускового струму менше мшмальних стрибюв струму КЗ, ця залежнiсть дуже корисна, оскшьки при вщ-повщних характеристиках ШВ дае можливiсть селективно вимикатися при струмах КЗ, величина яких менше 1у .
На фщерах 3,3 кВ постiйного струму iмовi-рна ситуацiя показана на рис. 3, де показана усереднена ХС ШВ i стрибкоподiбна змша навантаження вiд нуля до JH max . Статичну уставку ШВ при цьому обирають у вщповщносп з дiючими нормами, тобто [1]:
Jу ^ JК min - 300.
Таким чином, значення мiнiмального струму КЗ лежать справа вщ 1у.
Область спрацьовування ШВ
^01 ^02
^Hmax ^y ^Kmin 1
Для кожного стрибка усталений струм спрощено зображено рiвним сумi приросту струму вiд усiх попередшх стрибкiв. Останнiй третiй стрибок викликае хибне спрацьовування ШВ. Якщо аналопчна ситуацiя на фiдерi по-вторюеться часто, то експлуатацiя ШВ при такому його налаштовуванш стае неможливою, тобто така ХС ШВ е далекою до ОЗХ. K^îm того, з метою досягнення ОЗХ, змша навантаження вимагае змши ХС.
Розглядаючи попередню ХС, можна визна-чити вимоги до ОЗХ: ОЗХ повинна мшмально, але з достатньою надiйнiстю охоплювати область площини АI ( I ), в якш розмiщено стрибки струму навантаження та ïï максимальнi значення; ОЗХ повинна робити фщер, на якому реалiзуеться, максимально захищеним за вшма параметрами, на якi реагуе ШВ iз шунтом за умови надшного налаштовування вiд хибних спрацьовувань; ОЗХ визначаеться не типом ШВ, а властивостями тяговоï мережi, тобто ре-алiзацiя ОЗХ мае бути здшсненою для кожного окремого фщера з урахуванням умов його роботи, пропускноï здатностi та експлуатованого ЕРС.
Враховуючи вищезазначене, в робот [4] бу-ло запропоновано ОЗХ вигляду, зображеного на рис. 4.
бласть спрацьовування ШВ
Рис. 4. Оптимальна характеристика спрацювання при тяговому навантаженш
Щоб забезпечити iмпульсний захист фiдера, уставка вимикача повинна бути менше е^ва-лентного вимикаючого струму при всiх можли-вих сполученнях навантаження на фiдерi i приросту струму КЗ та бшьше еквiвалентних стру-мiв фiдерiв при самих рiзких приростах навантаження з урахуванням початково^' умови. Таким чином, необхщно виконати умову [6]:
Рис. 3. Характеристики спрацювання при тяговому навантаженш
1Н max +А1 ^ 1у ^ 1К min -А 2,
(4)
де h
максимальнии екв1валентнии струм
ВеЛИЧИНИ ЛIН max , ЛIK mm
визначають шля-
навантаження, якии не викликае вимикання ШВ;
IK min - мшмальниИ екв1валентниИ струм
вимикання ШВ в1д КЗ;
Л1; Л2 - запас по струму, якиИ забезпечуе необхщну надшнють i чутливють захисту (Л1 = 100 А, Л2 = 300...350 А [7]).
По вщношенню до самого ШВ iмпульсна уставка Л1у повинна мати значний запас по
вщношенню до максимального iмпульсу струму навантаження ЛIH max i мшмального 1мпу-
льсу струму КЗ iз врахуванням струму генера-ци локомотивiв ЛIK ■ , тобто вона повинна
' К min "
задовольняти нерiвнiсть [8]:
ЛIH max <<Л 1у <<Л 1К min.
Тодi для 1мпульсно1 уставки вираз (4) можна переписати у виглядi:
хом математичного моделювання рiзних режи-мiв роботи системи електрично! тяги постшно-го струму. Величину запасу уставки А/1, А/2 необхiдно визначати з точки зору ймовiрностi можливих хибних спрацьовувань захисту при заданiй уставщ.
Питання вибору А/у е досить складним. З
одного боку, бажаним е максимальне набли-ження А/у до А/Н тах , але у цьому випадку зб>
льшуеться iмовiрнiсть хибних вiдключень. З шшого боку, збiльшення А/у не може бути
безмежним, оскшьки при А/у « А/К т1П порушу -
еться селективна робота системи захисту фще-рiв.
За результатами математичного моделюван-ня, виконаних у роботах [9, 10], встановлено наступш показники захисних ХС (табл. 1). На рис. 5 представлено ХС для А/у = 700...1000 А
та /у = 3000 А.
ЛI
Н max
Л Ii <Л Iу <Л IК min -Л 12.
(5)
Таблиця 1
Показники захисних характеристик iмпульсного захисту
Напруга на затиска- Стала часу електро- Струм статично! МаксимальниИ стрибок МшшальниИ стри-
чах тягово1 тдстанцн тягово1 мереж1 уставки струму навантаження бок струму КЗ
U 0, В тс, с ЛI, А ЛIН , А Н max ' ЛIK . , А К min '
3300 0,005...0,03 3000...4000 600..850 1200... 1700
ЛI 100
700 500
Область спрацьовування ШВ
500
1000
1500
2000
2500
I=3000 IKm„ I
Рис. 5. Реализована оптимальна характеристика спрацювання
Алгоритм визначення уставки з врахуван-ням режимiв роботи ЕРС можна представити таким чином.
1. За даними графша руху потяпв вибира-ють розрахунковi схеми для зосередженого i розподiленого навантаження.
2. Знаючи дiапазон коливання напруги на фщер^ тип i характеристику ЕРС, параметри
фiдерiв i тягових шдстанцш, виконують мате-матичне моделювання СЕТ в перехщних ава-рiИних i експлуатацiИних режимах.
3. На основi результатiв зазначеного моделювання СЕТ в робочих перехiдних режимах вибирають наИбшьшиИ прирiст перехiдного струму навантаження фщера ЛIH max .
4. За результатами моделювання в аваршних перехщних режимах вибирають найменший прирют перехiдного струму КЗ фiдера А1К т1П .
5. За юнуючою методикою визначають пе-рехщний струм фiдера при КЗ у найвщдалеш-шiй точцi фiдерноi зони за умовою (4) визначають струм уставки ШВ 1у .
6. Знаючи А 1н тах , А1К т1п , 1у , будують ЗХ
розглядуваного фщера.
7. Захисну характеристику (ЗХ) фщера представляють у виглядi апроксимованоi характеристики, виконують оцифровку (представ-лення у бiнарному кодi) отриманоi ЗХ. ЗХ, представлену у двшковому кодi, заносять у пам'ять м^о^о^^рно! системи захисту у виглядi масиву даних.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Марквардт, К. Г. Электроснабжение електри-ческих железных дорог [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
2. Костш, Н. А. 1мов1ршсний анал1з перехвдних процеав в силових електричних колах електро-воза ДЕ1 [Текст] / Н. А. Костш, Т. Н. Мщенко, О. I. Плевич // Техшчна електродинашка. -2005. - № 3. - С. 54-61.
3. Пупынин, В. Н. Полная теория работы и характеристики параллельных индуктивных шунтов быстродействующих выключателей типов ВАБ-2, АБ-2/3, АБ-2/4 и реле дифференциальных шунтов выключателей ВАБ-28 [Текст] / В. Н. Пупынин // Труды МИИТа. - 1965. -Вып. 213. - С. 61-85.
4. Пупынин, В. Н. Реализация оптимальных защитных характеристик быстродействующего выключателя постоянного тока [Текст] /
B. Н. Пупынин // Труды МИИТа. - 1971. -Вып. 380. - С. 26-44.
5. Векслер, М. И. Экспериментальное исследование влияние тяговой нагрузки на формирование тока короткого замыкания и работу импульсной защиты питающих фидеров [Текст]/ М. И. Век-слер // Сб. тр. ВЗИИТа. - М., 1968. - Вып. 30. -
C. 49-62.
6. Векслер, М. И. Методика расчета импульсных уставок и параметров индуктивных шунтов быстродействующих выключателей постоянного тока [Текст] / М. И. Векслер // Сб. тр. ВЗИИТа. - М., 1968. - Вып. 30. - С. 63-71.
7. Пупынин, В. Н. Защита и отключение тяговых сетей в аварийных режимах [Текст] : дисс. ... докт. техн. наук. - М.: МИИТ, 1986. - 340 с.
8. Кучма, К. Г. Защита от токов короткого замыкания в контактной сети [Текст] / К. Г. Кучма, Г. Г. Марквардт, В. Н. Пупынин. - М.: Транс-желдориздат, 1960. - 259 с.
9. Костин, Н. А. Математическое моделирование переходных аварийных электромагнитных процессов в системе электрической тяги постоянного тока: 1. Короткое замыкание без тяговой нагрузки [Текст] / Н. А. Костин, П. Е. Михаличенко // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. -2007. - Вип. 17. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. -С. 66-71.
10. Михал1ченко, П. е. Математичне моделювання перехвдних аваршних електромагшгних проце-ав в систем! електрично! тяги постшного струму [Текст] / П. е. Михал1ченко, М. О. Костш // Техшчна електродинашка. Тематичний випуск «Проблеми сучасно! електротехшки». - Ч. 2. -К., 2008. - С. 31-35.
Надшшла до редколеги 02.10.2009.
Прийнята до друку 21.10.2009.
