Проблемы организации защиты тяговой сети постоянного тока от коротких замыканий при повышенных токовых нагрузках Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.331

Ю. И. ЖАРКОВ, Е. П. ФИГУРНОВ (РГУПС)

Ростовский государственный университет путей сообщения, кафедра Автоматизированные системы электроснабжения, Россия, 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2, тел.: (863) 27-26-385, эл. почта: asel@rgups.ru

ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТОКОВЫХ НАГРУЗКАХ

С увеличением мощности локомотивов, массы грузовых поездов, скоростей движения существенно обостряются вопросы надежной защиты от токов короткого замыкания контактной сети. Особенно остро эта проблема стоит для системы постоянного тока, где пусковые токи электровозов соизмеримы с токами удаленных коротких замыканий и отличить их друг от друга не всегда возможно.

1 (нормальный режим). В качестве пускового тока (тока трогания) электроподвижного состава (ЭПС), для выбора уставок защит принимается наибольшее мгновенное (пиковое) значение тока в режиме трогания поезда с ме-

Пиковые значен

ста. Для ЭПС со ступенчатым реостатным регулированием в режиме пуска наибольшие пики тока возникают при переходе на параллельное соединение тяговых электродвигателей и при ослаблении поля. Так, например, при тро-гании состава с электровозами ВЛ11, ВЛ15С и пиковыми значениями пускового тока, ток в присоединении контактной сети достигает примерно 6000 А. В то же время, при КЗ возле поста секционирования, например, на расстоянии 7 км ток этого присоединения (с учетом падения напряжения в дуге) может оказаться лишь чуть больше 5000 А (табл. 1).

Таблица 1

токов трогания

Серия ЭПС Число секций или моторных вагонов Мощность часового режима Рч, кВт Мощность длительного режима Рдл, кВт КПД П Наибольший пик тока трогания 1тр, А

ВЛ8 2 4200 3760 0,89 2350

ВЛ10, ВЛ10У 2 5360 4600 0,90 2900

ВЛ11, ВЛ11М 2 3 5360 8040 4600 6900 0,88 2850 4100

ВЛ15 2 9000 8400 0,88 4600

ВЛ15С 3 13500 12600 0,88 6900

ЧС2, ЧС2Х 1 4620 4080 0,91 2500

ЧС3 1 1600

ЧС6, ЧС200 2 8400 0,91 4200

ЧС7 2 6160 0,9 3500

ЭП20 2 8750* 3040

Velaro RUS B1 «Сапсан» 4 9200* 3300

В этих случаях либо во время трогания поезда контактная сеть слишком часто будет внезапно отключаться, либо, если такое ложное и вредное отключение исключать выбором уставки защиты, на контактной сети появляются так называемые «мертвые зоны», короткие замыкания на которых защита не чувствует. Контактная сеть не отключается и провода пережигаются. Движение поездов останавливается.

Если же за режим пуска принимать тот, который приведен в Правилах производства тяговых расчетов (ППТР), то уставку защиты во

многих случаях вообще выбрать не удается. Вместе с тем, в реальных условиях машинисты иногда затягивают режим пуска, пусковые токи снижаются, снижаются и приращения токов при переходе на параллельные соединения тяговых двигателей и при ослаблении поля. Это позволяет избежать ложных отключений быстродействующих выключателей при пусках и обеспечить защиту от токов КЗ в зоне «подстанция-пост». Формально режим пуска должен отвечать ППТР, а фактически вероятно возможна договоренность между службой Э и

© Жарков Ю. И., Фигурнов Е. П., 2014

Дирекцией тяги относительно режима пуска в некоторых случаях, когда иначе уставку не выбрать. Поэтому в качестве полумеры для действующих участков, способной во многом снять эту остроту, следует предложить договариваться на дорогах энергетикам и локомотивщикам с тем, чтобы трогание поездов осуществлялось не по режиму, принятому в Правилах производства тяговых расчетов, а замедленно, с меньшими пусковыми токами.

снижение пикового

значения тока трогания поезда, за счёт замедления режима пуска электровоза

Для вновь строящихся, реконструируемых или обновляемых участков эту проблему можно вообще снять, если вместо пунктов параллельного соединения устанавливать упрощенные посты секционирования, что выгодно и для надежности эксплуатации (сокращается вдвое длина обесточенного участка), и для повышения надежности отключения коротких замыканий до уровня, достигнутого в контактной сети переменного тока за счет т.н. «дальнего резервирования» (рис. 1).

действующие участки железной дороги при

невозможности выбора уставки защиты

установка дополнительных

постов секционирования, переоборудование

ппс в посты секционирования (упрощённые)

вновь строящиеся, реконструируемые или обновляемые участки

Рис. 1. Отстроенность защиты от токов нормального режима

2 (короткое замыкание). Очень важно правильно оценивать значение токов короткого замыкания. Наиболее опасными для контактной сети оказываются наименьшие токи КЗ, поскольку они мало отличаются от максимальных токов нормального режима и их трудно обнаружить.

Особенно опасны КЗ на тросе группового заземления. В соответствии с действующей Инструкцией по заземлению ЦЭ-191 (п.2.1.4.). сечение и марку проводов троса группового заземления следует выбирать так, чтобы трос не ограничивал ток КЗ На самом деле при длине 1200 м (железобетонные опоры) трос очень ограничивает ток КЗ и создает мертвые зоны. Практику выбора этого троса марки АС-70, ПБСМ-70 считаем ошибочной, т.к. уже 600 м такого троса имеет сопротивление как несколько км контактной сети и он снижает ток КЗ. Хотя в Инструкции по заземлению записано, что трос группового заземления не должен снижать ток КЗ ниже значений, обеспечивающих надежную работу защиты. Однако это требование в большинстве случаев не выполняется. При интенсивном движении и кратной тяге на длине 1,5 -2 км возле тяговых подстанций и постов секционирования вместо троса группового заземления следует в таких случаях применять индивидуальные заземления. Возможности применения троса группового заземления и его сечение

© Жарков Ю. И., Фигурнов Е. П., 2014

должны быть обоснованы расчетом, иначе могут образовываться мертвые зоны.

То же относится и к падению напряжения в дуге при КЗ,, которое в расчетах принимается явно заниженным (соответственно одному тарельчатому изолятору в пирамиде, хотя давно уже ставят два или три изолятора). Сейчас расчет токов КЗ не учитывает изложенное и ведется по несколько облегченным положениям. Нужно разработать соответствующие нормативные документы по методике расчета токов КЗ в контактной сети постоянного тока (рис. 2).

3 (защита). В последние годы подстанции постоянного тока оснащаются устройствами цифровых защит и автоматики фидеров ЦЗАФ-3,3. Устройство полезное, но там где ток КЗ меньше или соизмерим с наибольшими значениями тока нормального режима (с учетом тока трогания), оно не снимает остроты проблемы. И в этом случае следовало бы вместо пунктов параллельного соединения устанавливать посты секционирования.

Особенную пользу комплектов ЦЗАФ-3,3 мы видим в наличии дистанционной защиты, защите по минимальному напряжению и квазитепловой защите. Дистанционная защита в ряде случаев может несколько продлить защищаемую зону, сократить вдвое длину«мертвой зоны», принять на себя функцию основной защи-

ты. Квазитепловая защита должна быть обязательно включена в работу на всех присоединениях. Она является мощным средством для защиты от перегрузок, отжига проводов контактной сети при неотключенных КЗ на электроподвижном составе, которые не обнаруживается основной защитой. Квазитепловую защиту следует обязательно включать и в комплект ЦЗАФ -27,5 (ИнТер) для контактной сети переменного тока тоже.

С увеличением размеров перевозок, скоростей движения и массы поездов на участках постоянного тока существующая защита на по-

ТРОС ГРУППОВОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НЕ ДОЛЖЕН СНИЖАТЬ ТОК КЗ НИЖЕ ЗНАЧЕНИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ НАДЁЖНУЮ РАБОТУ ЗАЩИТЫ (инструкция по заземлению цэ-191 (п.2.1.4)

ТРОС МАРКИ АС-70, ПБСМ-70, НЕ

ВЫПОЛНЯЕТСЯ ТРЕБОВАНИЕ ИНСТРУКЦИИ ПО ЗАЗЕМЛЕНИЮ, ТРЕБУЕТСЯ УВЕЛИЧЕНИЕ СЕЧЕНИЯ

стах секционирования и пунктах параллельного соединения может оказаться недостаточной и понадобятся резервные и дополнительные защиты. Возможно, придется думать о каком-то более простом терминале для них. Или еще проще - использовать типовые (существующие) датчики тока и напряжения производства ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО» с небольшим микропроцессорным комплексом (или без него), который легко может освоить МЭЗ ОАО «РЖД», поскольку защита по переходным процессам здесь не нужна (рис. 3).

при интенсивном движении и кратной тяги на длине 1,5-2 км

возле тп и пс применять индивидуальное заземление

расчётное значение падения напряжения в электрической дуге-один тарельчатый изолятор

занижено, в действительности - два-три изолятора в комплекте

Рис. 2. Аварийный режим (короткое замыкание)

тяговые подстанции

основной состав

> токовая защита ^дистанционная защита

(основная защита) >защита по напряжению

> квазитепловая защита

(перегрузки, к.з. на эпс)

посты секционирования, ппс

существующая защита при увеличении размеров и скоростей движения, массы поездов недостаточна.требуются

резервные и дополнительные защиты

Рис. 3. Цифровые защиты присоединений контактной сети

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Фигурнов Е. П. Релейная защита: учебн. для студентов электротехнических и электромеханических специальностей трансп. и др. вузов / Е. П. Фигурнов. - К.: Транспорт Украины, 2004. - 565 с.

2. Фигурнов Е. П. Релейная защита устройств электроснабжения железных дорог: учебн. для вузов ж.д. трансп. / Е. П. Фигурнов. - М.: Транспорт, 1981. - 215 с.

3. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учебн. для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

REFERENCES

1. Figumov E. P. Releynaya zashchita: uchebn. dlya studentov elektrotekhnicheskikh i elektromekhanicheskikh spetsial'nostey transp. i dr. vuzov [Relay protection: a textbook for students of electrical and electromechanical specialties of transport. and others. universities]. Kyiv, Transport of Ukraine Publ., 2004. 565 p.

2. Figurnov E. P. Releynaya zashchita ustroystv el-ektrosnabzheniya zheleznykh dorog: uchebn. dlya vuzov zh.d. transp. [Relay protection the devices of railway power supply: textbook. for universities of railway

© Жарков Ю. И., Фигурнов Е. П., 2014

transport]. Moscow, Transport Publ., 1981. 215 p.

Поступила в печать 19.05.2014. 3. Burkov A. T. Elektronnaya tekhnika i

preobrazovateli: uchebn. dlya vuzov zh.-d. transp.

„ „ [Electronic technique and converters: textbook. for uni-

Ключевые слова: тяговая сеть, постоянный ток, L ^ ^

релейная защита, короткое замыкание. versities of railway transport Moscow, Transport

Publ., 1999. 464 p.

Внутренний рецензент Кузнецов В. Г. Внешний рецензент Панасенко Н. В.

В работе широко рассмотрена проблема защиты контактной подвески от тока короткого замыкания. Особенно остро эта проблема стоит для системы постоянного тока, где пусковые токи электровозов соизмеримы с токами удаленных коротких замыканий и отличить их друг от друга не всегда возможно. Рассмотрена проблематика «мертвых зон» и значений уставок в тяговой сети. В реальных условиях машинисты допускают затягивание режим пуска, пусковые токи снижаются, снижаются и приращения токов при переходе на параллельные соединения тяговых двигателей и при ослаблении поля. Это позволяет избежать ложных отключений быстродействующих выключателей при пусках и обеспечить защиту от токов КЗ в зоне «подстанция-пост». Формально режим пуска должен отвечать ППТР, а фактически вероятно возможна договоренность между службой Э и Дирекцией тяги относительно режима пуска в некоторых случаях, когда иначе уставку не выбрать. Наиболее опасными для контактной сети оказываются наименьшие токи коротких замыканий, поскольку они мало отличаются от максимальных токов нормального режима и их трудно обнаружить.

УДК 621.331.3

Ю. I. ЖАРКОВ, е. П. Ф1ГУРНОВ (РДУШС)

Ростовський державний ушверситет шляхiв сполучення, кафедра Автоматизоваш системи електропостачання, Роая, 344038, м. Ростов-на-Дону, пл. Ростовського Стршецького Полку Народного Повстання, буд. 2, тел.: тел.: (863) 27-26-385, эл. почта: asel@rgups.ru

ПРОБЛЕМИ ОРГАШЗАЦП ЗАХИСТУ ТЯГОВО1 МЕРЕЖ1 ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ В1Д КОРОТКИХ ЗАМИКАНЬ ПРИ П1ДВИЩЕНИХ СТРУМОВИХ НАВАНТАЖЕННЯХ

У робот широко розглянуто проблему захисту контактно! пщвюки вщ струму короткого замикання. Особливо гостро ця проблема стоТть для системи поспйного струму, де пусковi струми електровозiв ствставы зi струмами вщдалених коротких замикань i вiдрiзнити Тх один вщ одного не завжди можливо. Розглянута проблематика «мертвих зон» i значень уставок в тяговоТ мережк У реальних умовах машишсти допюкають затя-гування режиму пуску, пусковi струми знижуються, знижуються i прирощення струмiв при переходi на пара-лельн з'еднання тягових двигушв i при ослаблены поля. Це дозволяе уникнути помилкових вщключень шви-дкод^чих вимикачiв при пусках i забезпечити захист вiд струмiв КЗ в зон «пiдстанцiя-пост». Формально режим пуску повинен вщповщати ППТР, а фактично Имовiрно можлива домовленiсть мiж службою Е i Дирекцiею тяги щодо режиму пуску в деяких випадках, коли Ыакше уставку не вибрати. Найбшьш небезпечними для контактно! мережi виявляються наИменшi струми коротких замикань, оскшьки вони мало вiдрiзняються вiд максимальних струмiв нормального режиму i Тх важко виявити.

Ключовi слова: тягова мережа, постiИниИ струм, релейний захист, коротке замикання.

Внутршнш рецензент Кузнецов В. Г. Зовшшнш рецензент Панасенко М. В.

UDC 621.331

Y. I. ZHARKOV, E. P. FIGURNOV (RSURT)

Rostov State University of Railway Transport, Department of Automated Power Supply Systems, Russia, 344038, Rostov-on-Don, Rostov Rifle Regiment of the People's Militia Square, h. 2, tel.: (863) 27-26-385, email: asel@rgups.ru

THE PROBLEMS OF ORGANIZATION THE PROTECTION OF THE DC TRACTION NETWORK FROM THE SHORT-CIRCUIT FAULTS AT THE HIGH CURRENT LOADS

In this paper, widely considered the problem of protection of overhead catenary from short-circuits currents. Particularly acute that problem is for the DC system, where the starting current of electric locomotives with remote short circuit currents and to distinguish them from each other is not always possible. The problems of «dead zones» and set values in the traction network are also considered. In the real world of real machinists sometimes delaying the start mode, the starting currents are reduced, and reduced increment currents during the transition to the parallel connection of traction motors and the weakening of the field. This avoids nuisance tripping speed circuit during start-up and provide protection against short-circuit currents in the zone "substation-post". Formally start mode must agree with PPTR but in fact probably possible agreement between the Traction and Power Supply Departments about the draw as the start mode, in some cases, when the setting is not otherwise choose. Most dangerous for the catenary are the lowest short-circuit currents, since they do not differ much from the current maximum normal and difficult to detect.

Keywords: traction network, direct current, relay protection, short circuit.

Internal reviewer Kuznetsov V. G. External reviewer Panasenko M. V.

© Жарков Ю. И., Фигурнов Е. П., 2014