Защита установок продольной емкостной компенсации

Установки продольной емкостной компенсации С включаются последовательно с нагрузкой (рис. 1)либо в рассечку контактной сети, либо в фазу с понизительного трансформатора Т, соединенную с рельсами, либо одновременно в фазы а, b, с. При включении ее в контактную сеть установка подключается параллельно изолирующему сопряжению (воздушному промежутку) ИС с помощью разъединителей QS1, QS2, QS3 (рис. 2).

Для отключения установки необходимо включить разъединитель QS1 (при отключенной контактной сети фидерным выключателем) и отключить разъединители QS2, QS3.

Рис. 1 Схема возможного расположения установок продольной

емкостной компенсации

Конденсаторы установки делятся на две ветви С1 и С2, соединенные параллельно и размещаемые на разных платформах. В каждой ветви содержится 2—8 последовательно соединенных рядов, а в каждом ряду может быть 6—8 параллельно соединенных конденсаторов. Напряжение установки контролируется реле напряжения КV1, КV2, подключенным к трансформаторам напряжения ТV1 и ТV2 типа ЗНОМ. Если применить трансформатор напряжения типа НОМ, то можно обойтись одним трансформатором.

Защита установки продольной емкостной компенсации действует не на отключение, а на ее шунтирование. При этом электроснабжение тяги не нарушается. Шунтирование осуществляется выключателем Q. Для ограничения тока разряда конденсаторов последовательно с выключателем включен реактор L_p. Однако в том случае, если установка включена не в фазу с, а в контактную сеть, то в момент прохода токоприемником локомотива изолирующего сопряжения ИС конденсаторы этим токоприемником шунтируются. Для уменьшения тока разряда конденсаторов в этом случае реактор L_p включается в рассечку между точками m2 и n2, а точки m1 и n1 соединяются перемычкой.

Рис. 2. Схема типовой установки продольной емкостной компёнсации

Нормальная работа установки продольной емкостной компенсации нарушается при внешних к.з. (к.з. на контактной сети или на электровозе), при внутренних к.з. (нарушении изоляции между обмотками конденсаторов, баковой изоляции или изоляции платформ), при перегрузках, при возникновении субгармоник.

Защита от внешних к.з. Основная защита от внешних к.з. осуществляется с помощью реле тока КА1, КА2, резервная — с помощью реле напряжения КV1 (рис. 2). Обе защиты действуют на включение выключателя Q без выдержки времени. При коротком замыкания в контактной сети ток резко увеличивается. Так как конденсаторы установки (рис. 2) включены в цепь последовательно, то возрастание тока приводит к такому увеличению падения напряжения на них, на которое изоляция конденсаторов не рассчитана. Для защиты конденсаторов от перенапряжения служат разрядники FV1 и FV2. При их пробое проходит ток через трансформатор тока ТА1. Реле тока, подключенное ко вторичной обмотке этого трансформатора, срабатывает и подает импульс на включение высоковольтного выключателя Q, шунтирующего всю установку емкостной компенсации.

При пробое разрядников FV1, FV2 через первичную обмотку трансформатора тока ТА1 проходит ток разряда конденсаторов, имеющий повышенную частоту (до нескольких килогерц). Напряжение на обмотках ТА1 при этом повышается, что может привести к их повреждению. Резистор R с сопротивлением около 1Ом защищает обмотки трансформатора тока от перенапряжения, вызванного протеканием токов высокой частоты. Реле тока КА1 имеет уставку, приведенную к первичной обмотке ТА1, около 30—40 А, что соответствует наименьшему значению тока, который способен поддержать дугу при пробое разрядников. При близких к.з. величина тока достигает нескольких тысяч ампер и магнитная система этого реле тока (с малой уставкой срабатывания) может оказаться в режиме насыщения, что приведет к вибрации контактов и отказу защиты. Поэтому в защите использовано дополнительно реле тока КА2 с уставкой, приведенной к первичной обмотке ТА2, 300-400 А.

В качестве разрядников FV1, FV2 (два разрядника использованы для повышения надежности) применяется конструкция с вращающейся дугой. Электроды такого разрядника имеют вид двух колец, плоскости которых расположены параллельно. При пробое воздушного промежутка дуга начинает гореть между кольцами. Под действием температуры и магнитного поля тока дуга не растягивается, а вращается на кольцах до включения выключателя Q. Напряжение пробоя разрядников должно отвечать условию:

, (1)

где - номинальное напряжение одного конденсатора (0, 66 или 1, 05 кВ), кВ; М — число последовательно соединенных конденсаторов.

Величину , вычисленную по условию (1), устанавливают на разряднике путем регулировки размера пробивного воздушного промежутка а, величину которого в мм для данного типа разрядника можно вычислить по приближенной формуле:

, (2)

Так, например, для конденсаторов с номинальным напряжением 0, 66 кВ при М = 2 длина пробивного воздушного промежутка разрядника должна находиться в диапазоне 1, 3—1, 6 мм, а при М =8 это расстояние увеличивают до 6, 2—8 мм. Однако с помощью регулировки размера пробивного промежутка рогового разрядника не удается достигнуть достаточно стабильного уровня напряжения пробоя. Для увеличения стабильности уровня напряжения пробоя используют управляемый трехэлектродный роговый разрядник (тригатрон) с принудительным поджиганием.

Тригатрон выполнен также в виде рогового разрядника с вращающейся дугой, однако расстояние между кольцевыми электродами значительно увеличено. Кроме того, в разряднике имеется третий электрод, предназначенный для ионизации воздушного промежутка между кольцевыми электродами, и органа управления. Орган управления состоит из тиристорного ключа ТК, ограничительного сопротивления R₀ и запального повышающего трансформатора TL (рис. 3). Напряжение на первичную обмотку трансформатора TL подается при открытии тиристорного ключа ТК,

Подключенного к одному ряду конденсаторной установки. Повышенное напряжение вторичной обмотки TL прикладывается между одним из главных электродов разрядника FV и его поджигающим электродом,

Рис. 3. Фрагмент схемы установки продольной емкостной

компенсации с трехэлектродным разрядником

расстояние между которыми составляет 4—6 мм. Возникающая дуга ионизирует воздушный промежуток между главными электродами разрядника и он пробивается. Такая защита имеет название ЗПК-2А.

Стабильность напряжения пробоя разрядника зависит от свойств тиристорного ключа ТК. Он состоит из нескольких последовательно соединенных одинаковых блоков, каждый из которых содержит два стабилитрона VD1 и VD2, варистор R_в и встречно включенные тиристоры VS1 и VS2. При нормальном напряжении на конденсаторах варистор Rв имеет высокое сопротивление, поэтому тиристоры VS1 и VS2 заперты. В случае повышения напряжения свыше определенного уровня, определяемого загибом вольт-амперной характеристики варистора, сопротивление последнего снижается, ток через управляющие электроды тиристоров увеличивается и они открываются. Таким образом, стабильность напряжения пробоя разрядника определяется стабильностью характеристики варисторов. Разброс параметра срабатывания разрядника при этом не превышает 5 %.

Число последовательно включенных тиристорно-варисторных блоков в ключе ТК определяется по формуле

, (3)

где - классификационное напряжение варистора.

Обычно используются варистор СН2-2-560 В с классификационным напряжением = 560 В и тиристоры на ток 200 А (с за пасом) с напряжением в 1, 5—2 раза большим .

На рис. 4 приведен вариант тиристорного ключа ТК с принудительным пуском, осуществляемым за счет шунтирования варистора R_в симметричным триодным тиристором VS3 и резистором R2. Открытие тиристора VS3 снижает сопротивление цепи управления тиристоров VS1 и VS2 и они открываются. В свою очередь управление тиристором VS3 осуществляется током вторичной обмотки дополнительно устанавливаемого в цепи конденсаторов трансформатора тока ТА3. Падение напряжения на потенциометре R1 выпрямляется диодным мостом VD3 и, когда выпрямленное напряжение станет выше напряжения стабилизации стабилитрона VD5, тиристор VS3 откроется.

Рис. 4. Вариант тиристорного ключа с токовым пуском

Поскольку ток конденсаторной установки опережает напряжение, то открытие тиристора VS3, а следовательно и тиристорного ключа ТК, происходит раньше, чем напряжение на ключе ТК достигнет уровня, определяемого загибом вольт-амперной характеристикой варисторов. При регулировке потенциометром R1 момента открытия тиристора VS3, соответствующего току конденсаторной установки, превышающему в 2—2, 5 раза ее номинальный ток, напряжение на конденсаторах не превысит 1, 3—1, 5 номинального. Защита с принудительным токовым пуском тиристорного ключа имеет шифр ЗПК-2Б. Она содержит еще один дополнительный трансформатор тока ТА4, управляющий принудительным пуском второго тиристорного блока ключа ТК. Остальные блоки ключа ТК принудительного пуска не имеют и открываются сами при открытии тиристоров первых двух блоков из-за повышения напряжения на них. Использование защиты ЗПК-2Б, позволяет снизить уровень перенапряжения на конденсаторах и повысить тем самым их эксплуатационную надежность.

Реле максимального напряжения КV1 (рис. 2) осуществляет резервную защиту от внешних к.з. Его срабатывание также приводит к включению выключателя Q. Уставку срабатывания выбирают по условию:

, (4)

где К_U — коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Защита от внутренних к.з. При комплектовании ветвей С1 и С2 установки продольной емкостной компенсации (рис. 2) конденсаторы подбирают таким образом, чтобы емкости обеих ветвей были примерно одинаковы. В этом случае токи ветвей примерно равны. В случае нарушения изоляции между обкладками в каком-либо конденсаторе сгорает встроенный в его бак предохранитель секции, поврежденная секция отключается, из- за чего меняется емкость конденсатора, а следовательно и всей ветви. При этом равенство токов в ветвях установки нарушается. То же самое происходит при всех внутренних к.з.

Защита от этих видов повреждений осуществляется с помощью небалансного трансформатора тока ТАD, осуществляющего по существу поперечную дифференциальную защиту, основанную на сравнении магнитных потоков токов обеих ветвей (рис. 2). Токи ветвей С1 и С2 проходят по одинаковым, но намотанным в разные стороны обмоткам и .Их магнитные потоки вычитаются, поэтому в нормальном режиме, когда токи ветвей С1 и С2 одинаковы, э. д. с. вторичной обмотки должна быть равна нулю. В действительности емкости ветвей С1 и С2 абсолютно одинаковыми подобрать не удается. Поэтому для снижения э. д. с. небаланса в нормальном режиме используется компенсационная обмотка с отводами, с помощью которых эта э. д. с. сводится до возможного минимального значения.

При внутренних к.з. баланс токов нарушается и в обмотке небалансного трансформатора тока ТАD появляется э. д. с., на которую реагирует реле тока КАЗ. Поскольку у небалансных трансформаторов тока изоляция между первичными и вторичной обмотками на высокое напряжение не рассчитана, то между обмотками и реле КАЗ приходится устанавливать раздели тельный трансформатор тока ТА2. Защита реагирует на изменение емкости одного конденсатора в любом ряду на 10—20 %.

Для обеспечения такой чувствительности в качестве реле КАЗ необходимо использовать реле с весьма малой уставкой срабатывания, например, РТ40/02 или РСТ13/04. Защита при этом работает с выдержкой времени. Однако при внутренних к.з., сопровождающихся большой разницей токов ветвей С1 и С2, такое реле тока может отказать из-за вибрации контактов при больших токах. По этому последовательно с реле КА2 можно установить еще одно реле с большим током срабатывания. Оно подает команду на включение выключателя Q без выдержки времени.

Защиту от внутренних повреждений можно выполнить с помощью реле тока типа РНТ-566, если конденсаторы установки продольной емкостной компенсации соединить в схему четырехплечного моста (рис. 5).

Конденсаторы установки тщательно подбираются таким образом, чтобы для емкостей плеч соблюдались соотношения: С1 = С2, СЗ = С4. В этом случае ток в перемычке с трансформатором тока ТА1 отсутствует. При внутренних повреждениях одно из приведенных равенств нарушается, в этой перемычке появляется ток, который заставляет сработать реле тока КА1. Срабатывание реле тока обеспечивает формирование команды на отключение выключателя Q (рис. 2) с выдержкой времени 0, 5 с для отстройки от помех. Однако в действительности не удается подобрать конденсаторы так, чтобы выполнялось условие С1=С2, С3=С4 и в нормальных условиях по перемычке протекает ток небаланса I_нб,, величина которого определяется соотношением:

, (5)

где — суммарный ток установки продольной емкостной компенсации в цепи с трансформатором тока ТА2; - емкостные сопротивления плеч моста с соответствующими емкостями С1-С4

Рис. 5. Защита от внутренних повреждении с реле РНТ-566

Компенсация тока небаланса нормального режима осуществляется обмоткой реле КА1, которая подключена ко вторичной обмотке трансформатора тока ТА2. Из трех обмоток, реле РНТ-566, используются две, имеющие маркировку и . Обмотка с длительно допустимым током 3, 6 А имеет 77 витков с отводами и подключается к трансформатору тока ТА1. Обмотка с длительно допустимым током 7 А имеет 39 витков с отводами и подключается к трансформатору тока ТА2. Обе используемые в реле КА1 обмотки включены так, что создаваемые ими магнитные потоки вычитаются. С помощью отпаек подбирается число витков обмоток таким, чтобы в нормальном режиме суммарный магнитный поток в магнитопроводе был равен нулю, что соответствует условию:

(6)

где - коэффициенты трансформации трансформаторов тока соответственно ТА1 и ТА2.

При внутренних повреждениях ток , возрастает и, если он достигает значения уставки срабатывания защиты то реле КА сработает. Это произойдет при выполнении условия:

, (7)

где F — намагничивающая сила срабатывания реле, А.

Для реле РНТ-566 . На основании выражений (5), (6) и (7) определяется последовательность выбора числа витков реле и чувствительности которая обеспечивается рассматриваемой защитой. Ток небаланса и токи срабатывания защиты принимают равными:

, (8)

где — номинальный ток установки продольной емкостной компенсации; -коэффициент, принимаемый равным 0, 01— 0, 02; - коэффициент запаса, принимаемый равным 1, 5—1, 2.

Значение =0, 01—0, 02 соответствует отличию емкостей в параллельных ветвях установки (рис. 5) в нормальном режиме примерно на 4-8 %. Число витков обмотки подключенной к трансформатору тока ТА1, вычисляют по формуле:

, (9)

Полученное значение округляют до ближайшего целого числа которое можно реализовать в реле РНТ-566 на наборной панели. Число витков обмотки подключенной к трансформатору тока ТА2, вычисляют по формуле:

, (10)

Полученное значение округляется до ближайшего целого числа которое можно реализовать на наборном поле реле. После выбора числа витков уточняется ток срабатывания защиты:

, (11)

Далее вычисляют отношение на основании которого определяют чувствительность защиты по приближенной величине такого изменения емкости в одном из плеч, при котором защита срабатывает:

, , , (12)

где , , , - величины изменения емкости соответственно одного плеча, одного ряда и одного конденсатора, которые вызывают срабатывание защиты, %; М — число последовательных рядов конденсаторов во всей установке; N — число параллельно соединенных конденсаторов в одном ряду в уставке (суммарное для двух параллельных плеч).

Защита считается достаточно чувствительной, если не превышает 10-12 %. Тщательный подбор конденсаторов для выравнивания емкостей в плечах установки снижает ток небаланс и повышает чувствительность защиты.

Защита от перегрузки. При увеличении тока, протекающего через установку продольной емкостной компенсации из-за нерасчетного возрастания тяговой нагрузки, напряжение на конденсаторах возрастает. Это напряжение контролируется с помощью реле КV2 (рис. 2). При срабатывании реле КV2 запускается реле времени, которое обычным образом через промежуточное реле подает команду на включение выключателя Q.

Уставка срабатывания защиты выбирается по условию

, (13)

где -номинальный ток установки продольной емкостной компенсации, А; — емкостное сопротивление установки, Ом; - коэффициент, учитывающий допустимую длительную перегрузку используемых конденсаторов -коэффициенты запаса и возврата.

Следует, однако, отметить, что использование одного реле напряжения и одного реле времени не является достаточно эффективным решением, поскольку между кратностью перегрузки к_пер и допустимой выдержкой времени имеется определенная (нормативная) зависимость. Для конденсаторов КСПК-1, 05-120, применяемых в установках продольной емкостной компенсации, эта зависимость указана в табл. 1. Поскольку не выпускается реле напряжения с зависимой выдержкой времени, то следовало бы использовать несколько реле КV с разной уставкой, причем каждое реле напряжения включало бы в работу свое реле времени с соответствующей выдержкой времени. Однако такое решение является достаточно громоздким.

Таблица 17.1

Если в установке продольной емкостной компенсации предусмотрен высоковольтный трансформатор тока, через который протекает ток всей установки (на рис. 5 таким трансформатором тока является ТА2), то эффективная защита от перегрузки может быть выполнена с помощью реле тока КА2, в качестве которого следует использовать индукционное реле типа РТ-84/2, уставка срабатывания по времени которого выставляется на 16 с. Такая уставка по времени соответствует условию, при котором через реле протекает ток, величина которого в 8—10 раз превышает ток срабатывания. При двукратном превышении тока уставки время срабатывания составляет уже 35 с, а при полуторном оно превышает 1 мин. Ток срабатывания индуктивного элемента реле выбирают по формуле:

, (14)

где — коэффициент запаса, принимаемый равным 1, 1—1, 2; — коэффициент возврата для данного типа реле, равный 0, 8; — коэффициент трансформации трансформатора тока ТА2 (рис. 17.5).

Уставку электромагнитного элемента реле выбирают по условию:

, (15)

Если параметры установки продольной емкостной компенсации выбраны по условиям, гарантирующим от перегрузок любой длительности, то защиту от перегрузки не устанавливают.

Защита от субгармонических колебаний. Субгармонические колебания, т. е. изменения мгновенного значения тока с частотой менее 50 Гц (обычно - Гц, реже — 10 Гц) могут возникать при резком изменении нагрузки в контуре, состоящем из последовательно соединенных емкости установки продольной компенсации и нелинейной индуктивности, в качестве которой

выступать ненагруженный трансформатор электровоза. длительность таких колебаний невелика и не превышает, как правило 1 с. Однако их появление может нарушить работу автоблокировки, вызвать отключение фидеров ДПР, поэтому, при появлении субгармонических колебаний, установка продольной емкости компенсации должна быть зашунтирована выключателем Q.

Блок защиты от субгармонических колебаний подключается параллельно реле КV (рис. 6). Он содержит резонансные фильтры на 16 и 10 Гц, образованные последовательным соединением катушек индуктивности и конденсаторов, соответственно L1, С1 и L2, С2, выпрямители VD1, VD2 и нуль-орган EA, в качестве которого используется поляризованное реле.

Рис. 17.6. Блок защиты от субгармонических колебаний

Для частоты 50 Гц сопротивления обоих резонансных фильтров одинаковы, поэтому токи в обмотках нуль-органа также одинаковы и этот орган в нормальном режиме не срабатывает. При появлении субгармонических колебаний сопротивления резонансных фильтров изменяются и становятся различными. Баланс токов в ЕА нарушается, и нуль-орган срабатывает. При этом без выдержки времени подается команда на включение выключателя Q (рис. 2).