автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Совершенствование систем защиты тяговых сетей 27,5 кВ и 2х25 кВ электрифицированных железных дорог от токов короткого замыкания

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ. РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ФИДЕРОВ

ТЯГОВЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Анализ основных требований, предъявляемых к устройствам релейной защиты фидеров тяговых сетей переменного тока.

1.2. Поля, сопротивлений, измеряете защитой фидера контактной сети переменного тока в различных режимах работы системы электроснабжения

1.3. Анализ составных характеристик срабатывания реле сопротивления в электротяговых сетях.

1.4. Организация селективной защиты фидеров электротяговых сетей.

1.5. Выводы по первой главе.

ГЛАВА П. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЗАЩИТЫ ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО

ЗАМЫКАНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2x25 кВ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ. ПО ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ.

2.1. Анализ известных предложений по организации релейной защиты в., системе электроснабжения

2x25 кВ.

2.2. Влияние режимов работы системы электроснабжения 2x25 кВ на параметры сопротивления, измеряемого защитой.

2.3. Влияние остаточной нагрузки на работу устройств защиты в системе электроснабжения 2x25 кВ.'.

2.4. Исследование характеристик срабатывания реле сопротивления для системы электроснабжения! 2x25 кВ.

2.5. Совершенствование релейной защиты в системе электроснабжения 2x25 кВ.

2.6. Выбор уставок для релейной защиты в системе электроснабжения 2x25 кВ.

2.7. Выводы по второй главе.

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЯГОВЫХ

СЕТЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ СРАВНЕНИИ ПОДВЕДЕННЫХ ВЕЛИЧИН ПО ИНТЕГРАЛЬНЫМ ШАЧЕНШМ.

3.1. Известные способы сравнения электрических величин в измерительных органах релейной защиты.

3.2. Возможности использования интегральных значений сравниваемых величин в измерительных органах релейной защиты.

3.3. Характеристики срабатывания измерительных органов релейной защиты в плоскости Z при. времени интегрирования, равном полупериоду.

3.4. Характеристики срабатывания измерительных органов релейной защиты в плоскости Z при.

3.5. Характеристики срабатывания измерительных органов релейной защиты в плоскости Z при Ёци = %. ПО

3.6. Определение области действия релепротивления измерительными органами, реагирующими: на интегральные значения.

3.7. Влияние изменения пределов интегрирования на характеристику срабатывания реле при. заданной длительности интегрирования.

3.8. Анализ работы измерительных органов, сравнивающих подведенные величины по их интегральным значениям при наличии апериодической составляющей в токе фидера.

3.9. Анализ работы измерительных органов, сравнивающих подведенные величины по интегральным значениям с, учетом остаточной нагрузки фидера.

3.10.Возможности улучшения работы защиты при рекуперативном торможении.

3.11.Сравнение устройств релейной защиты фидеров контактной сети, измерительные органы которых реагируют на различные признаки подводимых величин.

3.12.Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 1У. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ РЕЛЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ. В ТЯГОВЫХ

СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ШСИНУСОИДАЛЬНЫХ

ЗНАЧЕНИЯХ ПОДВЕДЕННЫХ ВЕЛИЧИН.

4.1. Влияние гармоник на работу реле, реагирующего на одну подведенную величину, и, на работу реле полного сопротивления.

4.2. Анализ предложений по учету влияния несинусоидальных значений подводимых величин на работу реле сопротивления.

4.3. Особенности работы реле сопротивления, реагирующего на абсолютные значения подведенных величин при наличии гармоник в тяговом токе.

4.4. Особенности работы реле сопротивления, реагирующего на фазовые соотношения.подведенных величин при наличии гармоник в тяговом токе.

4.5. Особенности работы реле сопротивления, реагирующего на интегральные значения подведенных величин при наличии гармоник в тяговом токе.

4.6. Выводы по четвертой главе.

В директивных материалах партии уделяется большое внимание вопросам развития железнодорожного транспорта. Рачительное место в этих планах занимает перевод грузонапряненных участков на электрическую тягу [l»2j .

В соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития. СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года".намечено электрифицировать в II пятилетке свыше шести тысяч км железных дорог, преимущественно на переменном токе lib

Основным средством удовлетворения потребностей народного хозяйства в перевозках в ближайшее время будет рост массы поездов и переход на вождение объединенных поездов \ 2 ] . Уже: имеется положительный опыт по вождению поездов, масса которых в 5 и; более раз превосходит нормативную.

В этих условиях особенно возрастает ответственность функционирования устройств тягового электроснабжения, эффективная работа которых невозможна без надежной системы защиты от токов короткого замыкания. Специфические условия: работы релейной защиты в системах тягового электроснабжения во многом обуславливаются непрерывно возрастающими, вследствие увеличения массы поездов, токами нагрузок. В настоящее: время максимальные токи нагрузок значительно больше минимальных токов короткого замыкания. Кроме того; работа устройств релейной защиты в новой, перспектив- v ной системе тягового электроснабжения 2x25 кВ осложняется тем, что увеличилось расстояние между тяговыми подстанциями. Все это обусловило необходимость совершенствования защиты тяговых сетей электрифицированных железных дорог от токов короткого замыкания.

Комплексом вопросов, связанных с защитой тяговых сетей от токов короткого замыкания на железнодорожном транспорте, занимается ряд организаций: ВНИИЖТ, МИИТ, РИШТ, Транс электропроект и другие.

Разработка устройств защиты фидеров тяговых сетей основывается на фундаментальных исследованиях, выполненных Атабеко-вым Г.И., Федосеевым A.M., Фабрикантом B.JI. и другими советскими учеными.

В начальный период электрификации железных дорог на пере -менном токе исследования, выполненные в МИИТе Пупыниным В.Н., позволили создать электромеханические устройства релейной защиг ты, имеющие характеристики, достаточно полно удовлетворяющие существовавшим условиям работы тяговых сетей[з,4, 5 ] .

Си С» О целью дальнейшего совершенствования релейной защиты, во ВНИИНТе под руководством Сухопрудского Н.Д. и Овласюка В.Я. были проведены исследования, которые легли в основу разработанных комплексов релейной защиты и автоматики тяговых подстанций.

Большая работа в области создания релейной защиты контактной сети проведена Быковым В.А., исследовавшим принципы построения электронных устройств релейной защиты в тяговых сетях переменного тока. На основе этих исследований им совместно с Овла-сюком В.Я. разработана универсальная электронная защита фидеров контактной сети, имеющая большее быстродействие и повышенную надежность по сравнению с электромеханическими реле 6, 7 ].

В 1971 г. было налажено серийное производство электронных защит Московским электро-механическим заводом ЦЭ МПС, и с. этого времени их различные модификации применяются в качестве типовых защит при электрификации железных дорог на переменном токе.

Значительный вклад в развитие релейной защиты тяговых сетей

- 8 внесен Шухатовичем Л.И.едбыли исследованы возможности применения различных вариантов организации защит в межподстанционной зоне, а также ряд других вопросов, связанных с применением электронных устройств релейной защиты в тяговых сетях [8, 9| .

В РШЖТе выполняются исследования под руководством Фигурнова Е.П., предложившего использовать для увеличения быстродействия защит поперечные логические связи [ 10, II] .

Разработанные на основе всех этих исследований устройства релейной защиты, как показал опыт эксплуатации, достаточно полно удовлетворяют условиям работы в электротяговых сетях 27,5 кВ при существовавших токах нагрузок.

В настоящее время в связи с увеличением массы поездов, переходом на вождение объединенных поездов, ростом интенсивности движения существенно возросли токи нагрузки фидера. Вследствие этого усложнились условия работы защиты от токов короткого замыкания в тяговых сетях переменного тока. Указанные обстоятельства поставили задачу дальнейшего совершенствования систем защиты тяговых сетей.

Перспективным направлением совершенствования защит тяговых сетей переменного тока являются: разработка новых устройств s релейной защиты с характеристиками, более полно отвечающими новым условиям работы систем тягового электроснабжения, и совершенствование организации защит в межподстанционной зоне.

При исследовании новых принципов построения релейной защиты электротяговых сетей переменного тока, по аналогии с выполнявшимися ранее работами ^7, 9, 12, 13], целесообразным представляется рассматривать как вопросы, связанные с. режимами-работы системы электроснабжения, так и вопросы, связанные с созданием новых устройств•защиты с. улучшенными характеристиками.

В соответствии с принятыми в релейной защите традициями ^16, 17 ], высшая степень совершенства устройства защиты характеризуется селективностью. Важнейшими показателями являются также быстродействие, чувствительность и надежность. Для тяговых сетей переменного тока, имеющих значительные по величине амплитуды высших гармоник тягового тока, необходимо также учитывать устойчивость характеристики реле при несинусоидальных значениях контролируемых величин.

Основной задачей настоящей работы является совершенствование, в целях обеспечения вождения поездов повышенной массы и объединенных поездов, систем защиты тяговых сетей 27,5 кВ и 2x25 кВ электрифицированных железных дорог от токов коротких замыканий. Для достижения поставленной цели, в диссертации:

- выполнен анализ предложений по совершенствованию устройств защиты фидеров тяговых сетей переменного тока,

- проведены теоретические и экспериментальные исследования особенности работы защиты в системах электроснабжения 27,5 кВ и. 2x25 кВ при; возросших токах нагрузок,

- выполнен анализ работы различных типов реле сопротивления с учетом гармоник, содержащихся в тяговом токе,

- предложены и исследованы новые принципы выполнения реле сопротивления тяговых сетей, сравнивающих подведенные величины по их интегральным значениям в заданном интервале времени,

- показана возможность и исследованы способы создания усовершенствованной системы защиты тяговых сетей от токов короткого замыкания, более полно удовлетворяющей возросшим требованиям.

В результате проведенной работы получены результаты, обладающие научной новизной.

Показано, что существующая защита фидеров тяговых сетей

27,5 кВ и 2x25 кВ от токов короткого замыкания требует дальнейшего повышения уровня технического совершенства, в связи с ростом массы поездов и интенсивности движения.

Уточнены области сопротивления, измеряемого защитой в различных режимах работы систем тягового электроснабжения.

Разработана теория измерительных органов реле сопротивле — ния, сравнивающих подведенные величины по их интегральным зна — чениям за некоторый интервал времени.

Выявлено, что для защиты тяговых сетей может быть эффективным применение характеристики срабатывания с граничной линией в виде окружности, проходящей через начало координат. Для обеспечения необходимой отстройки от возросших токов нагрузок и необходимой чувствительности по отношению к коротким замыканиям предложено в последней ступени использовать характеристику срабатывания реле в виде двояковыпуклой линзы, направленной по углу сопротивления, измеряемого защитой при металлических коротких замыканиях, и двояковыпуклой линзы, направленной по активной оси.

Результаты исследований имеют практическую полезность.

Применение комплекса защит, реализующего предложенную характеристику срабатывания, обеспечивает повышение допустимого тока нагрузки фидера на 2что способствует вождению на электрифицированных участках железных дорог поездов большей массы и объединенных поездов. Вместе с тем, обеспечивается необходимая чувствительность защит по отношению к токам короткого замыкания с: учетом остаточной нагрузки в системе тягового электроснабжения 2x25 кВ.

Применение реле, реагирующих на интегральные значения подводимых величин, повышает быстродействие защиты в 2-3 раза по сравнению с применяемыми реле при малой кратности токов короткого замыкания и позволяет получить более устойчивую характеристику срабатывания.

Разработана усовершенствованная система защиты от токов короткого замыкания, которая существенно уменьшает возможность пережога проводов тяговой сети и вероятность излишнего и ложного отключения высоковольтных выключателей, приводящих к потере напряжения в межподстанционной зоне.

Экономический эффект от внедрения усовершенствованной защиты можно ориентировочно подсчитать, исходя из того, что увеличение пропускной способности на 1% всей сети железных дорог дает по данным отделения Экономики ЕНИИЖТа народнохозяйственный эффект 800 млн.руб. Для участка железной дороги протяженностью 100 км это составит 530 тыс.руб.

Внедрение предложенной защиты позволяет увеличить максимально допустимый ток нагрузки фидера на 20}а. Время использования максимального тока фидера при пропуске поездов повышенной массы составит около I%. Таким образом, экономический эффект от применения усовершенствованной защиты тяговых сетей составит более 100 тыс.руб. для участка протяженностью 100 км.

Результаты исследований, выполненные в диссертации, использованы при создании комплексов защит и телезащит для фидеров тяговых сетей электрифицированных железных дорог.

Разработанные устройства применяются в серийно выпускаемой аппаратуре универсальной защиты УЭЭШМ, а также в опытных партиях аппаратуры защиты фидеров тяговых сетей УЗЖ и теле защит ТЗМ.

Материалы диссертации использованы при разработке перспективного устройства защиты тяговых сетей переменного тока УЗТС, конструкция которого разработана Проектно-конструкторским бюро Главного управления электрификации и энергетического хозяйства МПС.

Методика выбора уставок для защит фидеров тяговых сетей вопила в инструктивно-методические указания Трансэлектропроекта.и используется в настоящее время при проектировании электрифицированных участков железных дорог.