CC BY
60
УДК 621.332.3 : 629.423
М. О. КОСИН, П. е. МИХАЛ1ЧЕНКО (Д11Т)
РЕЛЕЙНИЙ М1КРОПРОЦЕСОРНИЙ ЗАХИСТ СИСТЕМИ ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ, ОСНОВАНИЙ НА НОВ1Й ОЗНАЦ1. 1. ТЕОР1Я РОБОТИ
У статп запропоновано нову ознаку визначення аваршного режиму системи тягового електропостачання постшного струму, а саме, швидшсть спадания наруги фщера тягово! ищстанцп. Дана ознака дозволяе ви-значати вид короткого замикання. KpiM того, запропоновано схемш ршення реал!зацп системи захисту, основан! на цш ознащ.
Ключовi слова: коротке замикання, напруга фщера, швидшсть змши напруги
В статье предложен новый признак определения аварийного режима системы тягового электроснабжения постоянного тока, а именно, скорость уменьшения напряжения фидера тяговой подстанции. Рассмотренный признак позволяет определять вид короткого замыкания. Кроме того, предложены схемные решения реализации системы защиты, основанные на этом признаке.
Ключевые слова: короткое замыкание, напряжение фидера; скорость изменения напряжения
In the article a new indication of emergency conditions detection for the traction DC power supply system, namely the rate of decreasing the traction substation feeder voltage is suggested. The indication considered allows determining a kind of short circuit. In addition, the circuit design decisions for realization of the protection system based on this indication are proposed.
Keywords: short circuit, feeder voltage, rate of changing voltage
Як вщомо [1 - 4], вс1 юнуюч! види захисту електротехшчних пристро!в системи електрич-но1 тяги основаш на певних ознаках, а саме на пор1внянш значень цих ознак при нормальному та аваршному режимах роботи пристро!в чи систем. В системах релейного захисту тягового електропостачання такими ознаками е: макси-мальний струм фщера; кидки струм1в; крутизна
(
фронту зростання струму фщера d'(E> At ; pi
dt V t = 0
вень напруги в р1зних точках тяговет мереж1, стала часу тощо [1 - 4]. Це й обумовило наяв-шсть струмових вид1в захисту (максимально! струмово!, струмово! вщички, максимально! !мпульсно! струмово!), захисту м!н!мально! напруги (вольтметрового блокування, потенща-льно!); захисту за опором; захисту, що реагуе на перех!дн! процеси (по швидкост! зростання фщерного струму чи його стрибок (прир!ст)).
Однак пор1внюючи основш ознаки, на яких базуються вищезазначеш види захисту, можна зробити наступи! висновки [2, 4]. При значних в!дстанях м!ж п!дстанц!ями струми вщдаленого короткого замикання (мал! струми) близью за значениям з максимальними струмами наван-таження нормального режиму, а школи ! менше них. У бшьшост! випадк!в при велик!й штенси-вност! руху потяг!в струми пошкодження, що виникли на в!дстан! 8...12 км в!д тягово! пщ-станцп, практично вже не можна в!др!знити в!д максимального навантаження. По крутизн! фронту зростання струму ! стало! часу кола та-
кож не можна напевно визначати режим тяговет мереж!, оскшьки в нормальних умовах ! при короткому замиканн! у багатьох випадках вони майже однаков!. Кидки струму при кроткому замиканн!, як правило, вище н!ж в нормальному режим!. Виняток складае режим зняття жив-лення (якщо t > 0,5 с) з повторним вщнов-
ленням напруги, але такий режим е частим у практищ експлуатац!!. Потенц!альний захист також мае недол!ки - необх!дн!сть побудови спец!ально! пров!дно! л!н!! для кожно! пари блокуючих вимикач!в реле мшмально! напруги, що встановлюються в р!зних необх!дних точках тягово! мереж!. Зазначеш недол!ки ознак, а значить ! власне систем захисту зо-бов'язують спец!ал!ст!в-електротехн!к!в пра-цювати над пошуком !нших ознак (принцип!в) побудови релейного захисту.
Як вщомо, при короткому замиканн! в тяго-вш мереж! !! напруга знижуеться. Найбшьш р!зке, практично л!н!йне, !! зменшення спосте-р!гаеться, по-перше, в перший момент часу аваршного перехщного процесу, ! по-друге, в м!сц! короткого замикання (до нуля при метал!-чному короткому замиканн!) ! в точках поблизу нього (рис. 1 - 3). Тому ознакою, на якш може бути побудовано захист, на нашу думку, е крутизна фронту такого зменшення фщерно! на-
<^иФ ттт • <3иф пруги - . Швидк1сть - р1зна в залеж-
dt ^_о dt
ноет! в!д в!дстан! м!сця короткого замикання до фщера з розглядуваним иф .
© Костш М. О., Михал1ченко П. е., 2011
¡(t), kA u(t), kB 7
6
5
4
3
2
1
1,20
1,25
1,301*0,1, c
Рис. 1. Осцилограма выключения подвшним вими-качем 2*ВАБ-43 близького короткого замикання
кВ 10'
чимо його за допомогою штеграла Дюамеля [7], зпдно якого можна записати:
(t )=№ G (t-х) d х,
(1)
де О (г) - перехщна провщнють простого ЯДС -
кола, утворена «в1ткою захисту» (рис. 4). Ця провщшсть дор1внюе шуканому перехщному
струму г'1 (г) кола рис. 4 при И включенш на
одиничну напругу. Згщно [7], для ЯДС -кола
вона визначаеться виразом
G (t ) = /1 (t ) = R-
(2)
де T3 = R C - стала часу «bítkh захисту».
¡(t), kA
u(t), кВ
4 ■ ■ 5
3,2 ■ 4
2,4 ■ 3
1,& ■ 2
0,& ■ 1
70 t, мс
Рис. 2. Осцилограма выключения подвшним вими-
качем 2*ВАБ-49 глухого короткого замикання з усталеним струмом 27 кА на виход1 тягово! тдстанци «1сток» (за даними ОАО «УЕТМ») [5]
3 метою теоретичного обгрунтування мож-ливост1 використання крутизни фронту
йиф
- для створення захисту вв1мкнемо М1ж
^ г=0
фщером та рейкою в1тку ЯДС (яку назвемо «в1-
ткою захисту») (рис. 4).
До моменту короткого замикання струм ?3 (7) в цш в1тщ не протшав внаслщок того, що фщерна напруга иф е постшною (вважатимемо щеально випрямленою), р1вною деякому почат-ковому значению ифн. В момент початку короткого замикання напруга иф починае з точки «н» лшшно зменшуватися (рис. 5), нехай до деякого значения иф к, до точки «к». Сумюти-
мо точку «н» з початком вщлшу часу «0», тоб-то, з моменту виникнення 1 подальшого прот1-кання перехщного процесу зменшення фщерно! напруги иф (г) .
Пщ д1ею змшно! (зменшення) напруги иф (г), прикладено! до «в1тки захисту», в
останнш починае протшати струм /3 (г). Визна-
1,3 0,35 0,4 045 0,5 0,55 t,c
б)
Рис. 3. Осцилограми перехвдних процеав выключения ШВ Тягово! тдстанци з двох сторш шляху фщерно! зони, коротке замикання в тяговш мережа
а) выключения ШВ фщера 2 тягово! тдстанци «Ховршо»; б) выключения ШВ фщера 4 тягово! тдстанци «Останюно» [6]
Тод1 шдставимо (2) в (1), для моменпв часу перехщного процесу 0 < t < t0 (рис. 5) величину
струму /3 (t) можна записати
t (t-х)
(t) = т3 dт .
3 W R J dt
(3)
■Д 0
Зпдно експериментальних даних (рис. 1 - 3), функщя иф (t) е лшшною
иф (х) =
иФк иФЯ
(4)
8
6
4
2
t
1 тод1 11 похщна представляе собою деяку сталу величину
йиф _ ифк иФН
и
(5)
К --^ =0;
(г ) = гр /Р (г) + ь .
фщер
(8) (9)
а, В1ДПОВ1ДНО, цю пох1дну можна винести за знак штеграла виразу (3), теля штегрування, з врахуванням формули для Т3, отримаемо
г г х г ( х \
, , = ёи^1 Г- Т ^ а т = 1 е ^
1 V / л * и J
л
■Д 0
ёиФ лрс т[ г
л
'д
Т„е
т
л
ет -1
= рёиф
(
1 - е
V у
V / 0 г
. (6)
т
ф1дер
= С
УФ ¡з(Т)
Рис. 6
Розв'язавши систему р1внянь (6), (8), (9), отримаемо:
ь
п
Р.
рельс
. (10)
н 0
Рис. 4
и.
; С )=^ > е т
Якщо шд1брати реле так, щоб його стала часу Тр = Ьр / гр була настшьки малою, щоб можна було знехтувати другою складовою у вираз1 (10), тод1 для моменпв часу 0 < г < гф (рис. 5) отримаемо:
(Л - Гш С ёиФ
Р у' , ^
к иФК
1 - е
(11)
Рис. 5
Якщо стала часу Т3 в (6) достатньо велика, а тобто практично /р (г)
гф дуже маленька (е т « 1), тодк
.(г ) = С-
(7)
Тобто, зпдно (6) та (7) струм 4 (г) у «в1тщ
захисту», що знаходиться шд д1ею спаду фще-рно! напруги при короткому замиканш, прямо пропорцшна швидкосп зменшення ще! напруги на початку И змши, тобто крутизн!, фронту спаду фщерно! напруги.
Дамо теоретичне обгрунтування роботи ряду (в тому числ1 й деяких вщомих [1 - 4]) принципових схем релейних пристро!в захисту, яю базуються на отриманих, зпдно ново! озна-ки, вираз1в (6) та (7).
Найбшьш простою е схема на основ! шунта з гш , представлена на рис. 6, де гр, Ьр - актив-ний ошр та ¿ндуктившсть реле.
Для не! зпдно закону Клрхгофа маемо:
Розглянемо схему, в якш джерелом сигналу, для розглянутого захисту, е спещальний трансформатор струму з повпряним пром1жком (рис. 7) [1, 2, 4].
фщер
Рис. 7
В режим! короткого замикання \ тим самим при змш фщерно! напруги иф (г) у «в1тщ захи-
г
1
г
р
г=0
сту» з'являеться змшний струм 13 (7). В результат!, внаслщок явища взаемо1ндукцп, на вто-риннш обмотщ трансформатора струму ТА ш-дукуеться ЕРС взаемошдукцп, яка створюе на затискачах вторинно! обмотки напругу вщ вза-емо1ндукцп:
/ Ч -1
•X7 )=м-т,
(12)
де М - коефщент взаемошдукцп м1ж обмотками трансформатора струму.
3 шшо1 сторони, для контура з реле струму за 2-им законом Клрхгофа:
( 7 ) = ^ 1р ( 7) + Ьр .
(13)
Прир1вияемо (12) до (13) I шдставимо за-мють 13 (7) вираз (6), тод1 отримаемо:
- -иф
-7 -7
1 - е
= г !р (7) + . (14)
Оскшьки фуикщя иф на початковш стадп короткого замикання е лшшиою, то крутизна И -и^
фронту, тобто
, е величиною сталою 1 тод1
теля диференщювання л1во! частини р1вност1 (14) прийме вигляд:
М -иф -ут .
--^е 7 3 = гр /р
Я.
(г) + Ьр . (15)
Роздшивши обидв1 частини р1вносп (15) на гр та прийнявши, що стала часу Тр маленького
значения, що другою складовою право! частини виразу (15) можна знехтувати, кшцево отримаемо:
^) = М -иф
Я Гр
(16)
Таким чином, струм реле струму (тобто йо-го реакщя) прямо пропорцшиа крутизн! фронту ¿мпульсу спадання фщерно! напруги.
Розглянемо роботу захисту по схем1 моста [1], в д1агональ якого вв1мкнено реле (рис. 8). Завдяки р1вним активним опорам Я птч моста вш при нормальних режимах роботи (нав1ть якщо иф буде щеально згладженим чи буде коливатися) буде знаходитися в р1вноваз1, тод1 и24 [7) = 0 I струм реле 1р (7) також дор1внюва-
тиме 0 (1р (7) = 0).
При р1зкш змш1 иф струм 13 (7) Ф 0 . I якщо стала часу моста Тм буде дуже маленького значения у пор1внянш ¿з сталою часу «в1тки
захисту» Т3, то при малому струму через реле 1р (7) струм через плече моста буде р1вним [1]:
г
............(17)
фщер
1к ~11 ~ 2ЯШ .
Рис. 8
Для контуру 1-2-4-1 рис. 8 маемо:
- Я1ь (7)- ^ + Гр ! (7) +
-К , ч + — + Я1Я (7) = 0, р -7 КУ)
чи з врахуванням р1вносп 1 Я = 1Ь : т -1 Ь ■ Г Л т -1Р
Ь = гР 1п (7) + Ьп —.
А+ р р V/ Р Й +
(18)
(19)
Для вузла з шунтом рис. 8:
1 (7) = 1м (7) + 1Ш (7) . Вщповщио для вузла 1:
1м (7) = !Я (7) + !Ь (7) = 21Ь (7) . Тод1 13 (7) = 1ш (7) + 21Ь (7), звщки
1Ш (7) = 13 (7)- 21ь (7) . (20).
Пщставимо в (20) вираз (6) для 13 (7) I струм 1Ш (7) з виразу (17), отримаемо:
2Я1г = 1 -е /"Тз I-21г.
3 цього виразу струм 1Ь дор1внюе: Сг„, -и
1 - е
2(Я + гш ) -7
(21)
(22)
Щцставимо (22) в (19) продиференщюва-вши, отримаемо:
Ьг
-иФ -/Т3 _
2 (Я + гш ) Яд
-е ' = гр 1
(7) + . (23)
и
и
2
е
г
1 Ь =
Подшивши обидв1 частини р1вносп (23) на гр та враховуючи, що стала часу Тр настшьки
маленька, що можна знехтувати складовою
т Р
Ьр-, к1нцево отримаемо:
Ьг
йил
2 (Я + гш ) Я
Д ГР
(24)
тобто реакщя реле часу пропорцшна швидкосп зменшення фщерно! напруги.
Слщ зазначити, що формули (11), (16) 1 (24) для струму реле справедлив! за умови, що стала часу Тр дуже маленька, чого легко досягти, за-
стосовуючи електронш реле (але дуже важко -у електромагштних).
Як було зазначено вище, вс1 види релейного захисту основаш на пор1внянш значень певних ознак 1 при нормальних та аваршних режимах роботи системи. В запропонованому вид1 захи-
йиф
сту такими ознаками е -, значения якого в
йг
режим1 короткого замикання наведеш в табл. 1 для одше! з дшянок тягового електропостачан-ня Придшпровсько! затзнищ.
Таблиця 1
Тип ШВ
Значения
йг
кВ/
Близьке Середне Дальне
КЗ КЗ КЗ
2хВАБ-43 3214,0 1254,4 586,4
2хВАБ-49 2722,5 712,5 476,5
При вщключенш ШВ шд час струмового
перенавантаження
йи,
ф = 330 кВ/ . Пщ
/с
час
пуску ЕРС фщерна напруга не змшюеться. йиф
Для визначення —— в нормальному режи-
йг
м1 роботи звернемося до такого показника яко-сп електроенергп для електричних мереж по-стшного струму (зпдно ГОСТ 13109-97) як ко-ливання напруги, шд яким розум1ють швидку змшу, що вщбуваеться з1 швидюстю 1... 2 % за секунду. Тут 1.2 % - вщносне вщхилення (ампл1туда) коливання напруги 5иг, яке визна-чають вщносною р1зницею м1ж слщуючими один за одним екстремумами напруги
щ =
итах ^т
и ..„„
•100%.
Звщси випливае, максимальна змша фщер-но1 напруги (зпдно цього виразу) складае:
0,02 • 3,3 = 0,066 кВ за 1 секунду, що значно йи„
нижче
наведених у табл. 1.
Тепер розглянемо екстремальне значения змши фщерно1 напруги зпдно правил техшчно! експлуатацп. Як вщомо, зпдно ПТЕ итах = 4 кВ, ит1П = 2,7 кВ . Тод1 найбшьш не-сприятливе вщхилення напруги буде: 4 - 2,7 = 1,3 , що значно нижче табличних значень.
3 цього короткого анатзу виходить, що за-хист на запропонованому принцип!:
1) «вщр1зняе» нормальш та аваршш режи-
ми;
2) «вщр1зняе» вид короткого замикання («близьке», «середне», «дальне»).
Для цього необхщно на тяговш шдстанцп встановити три комплекта захисту, в кожей з яких реле струму налаштувати на вщповщне йиф
значения -. В цьому випадку в1дпов1дне
йг
реле буде спрацьовувати при вщповщному КЗ. Або застосовувати цей принцип в багатопара-метричних системах захисту, побудованих на мшропроцесорнш елементнш баз1.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. 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. - 303 с.
2. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст]/ К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.
3. Сердинов, С. М. Повышение надежности устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог [Текст] / С. М. Сердинов. -М.: Транспорт, 1985. - 301 с.
4. Фигурнов, Е. П. Релейная защита [Текст] / Е. П. Фигурнов. - К.: Транспорт Украши, 2004. - 565 с.
5. Пупынин, В. Н. Сравнение фидерных выключателей постоянного тока 2*ВАБ-49-3200/3-Л и ОЕЯар1а 4207 2x4 [Текст] / В. Н. Пупынин, С. X. Дарчиев // Железные дороги мира. -2006. - № 5. - С. 64-71.
6. Анисов, А. Н. Повышение эффективности работы защиты фидеров контактной сети на основе исследования переходных процессов токов короткого замыкания в тяговой сети и на подвижном составе [Текст] : дис. ... канд. техн. наук / А. Н. Анисов. - М., 2000. - 138 с.
7. Костш, М. О. Теоретичш основи електротехшки [Текст] / М. О. Костш, О. Г. Шейкша. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2007. - Т. 2. - 368 с.
Надшшла до редколегп 17.01.2011.
Прийнята до друку 21.01.2011.
е
