Проектирование релейной защиты контактной сети и тяговой подстанции

ФАЖТ РФ

ИрГУПС

Кафедра: ЭЖТ

Дисциплина: «Релейная защита»













Курсовой проект



«Проектирование релейной защиты контактной сети и тяговой подстанции»



Вариант №I (033)





Выполнил: ст. группы

ЭНС-07-1

Полякова С.А.

Проверил: преподаватель Музыка Д.Ф.













Иркутск, 2009 г.


Введение



Электрификация железных дорог является ключевым направлением в развитии железнодорожного транспорта. Преимущества электрической тяги очевидны: повышение пропускной способности, уменьшение себестоимости перевозок, понижение пагубного влияния на окружающую среду, развитие электрификации всей страны, т.к. тяговые подстанции используются также для питания нетяговых железнодорожных потребителей и промышленных предприятий прилегающих районов.

Надежность работы системы тягового электроснабжения (СТЭ) зависит от надежности работы ее составных частей (тяговых подстанций, линий электропередачи и т.д.). Надежность же элементов системы электроснабжения кроме прочих параметров во многом зависит и от релейной защиты. Поэтому для эффективного и экономичного использования всех частей системы важно правильного выбрать и настроить релейные защиты.

Тяговая сеть не имеет резерва как другие элементы СТЭ и поэтому очень важна защита устанавливаемая на фидеры тяговых подстанций и постов секционирования. Большие токи коротких замыканий могут очень быстро вывести из строя участок контактной сети. Исходя из этого контактная сеть должна снабжаться быстродействующей защитой которая в совокупности с быстродействующими выключателями обеспечивала бы отключение поврежденного участка за минимальное время.


Реферат



В данном курсовом проекте произведен расчёт уставок электронных защит фидеров тяговых подстанций и постов секционирования заданного участка электрифицированной железной дороги, а именно 2-х путного участка, электрифицированного на переменном токе с узловой схемой питания. В ходе проектирования рассчитывались уставки направленных и ненаправленных дистанционных защит, токовой отсечки, блокировки по напряжению для соответствующих комплектов. По результатам расчетов построены совмещенные характеристики электронных защит фидеров и временные диаграммы срабатывания этих защит. Кроме того на чертежах прилагаемых к курсовому проекту изображены функциональные схемы защит и схемы цепей управления выключателями фидеров тяговой подстанции и поста секционирования.




Содержание



	Введение

	Реферат

	Задание на курсовой проект

	1. Комплект защиты фидера тяговой подстанции

	1.1 Функциональная схема

	1.2 Расчет уставок электронных защит

	1.3 Расчет уставок защит фидера тяговой подстанции

	1.3.1 Ненаправленная дистанционная защита ДС1

	1.3.2 Ускоренная токовая отсечка УТО

	1.3.3 Направленная дистанционная защита ДС2

	Предоставление результатов расчетов электронной защиты фидера тяговой подстанции

	2. Комплект защиты фидера поста секционирования

	2.1 Функциональная схема

	2.2 Расчет уставок защит фидера поста секционирования

	2.2.1 Направленная дистанционная защита ДС1

	2.2.2 Ускоренная токовая отсечка УТО

	2.2.3 Ненаправленная дистанционная защита ДС1

	2.3 Предоставление результатов расчетов электронной защиты фидера поста секционирования

	3. Совмещенные характеристики электронных защит

	Совмещенная характеристика электронных защит тяговой подстанции

	Совмещенная характеристика электронных защит поста секционирования

	Список литературы


Задание на курсовой проект



Защита фидеров контактной сети тяговой подстанции и поста секционирования двухпутного участка переменного тока с узловой схемой питания.

Исходные данные





Рис. 1 Схема тягового электроснабжения 2-х путного участка с узловой схемой питания



Вариант: I (033)

Мощность к/з в условиях максимума и минимума энергосистемы:  Sкз max = 1000 МВА;Sкз min = 700 МВА

Тип и мощность трансформатора подстанций А и Б:  ТДТНЭ 40000 / 110/115 / 27,5 / 11

Фидеры: B2, B4

Наличие каналов связи телемеханики: есть.

Расстояние между тяговыми подстанциями А и Б: L = 50 км

Тип контактной подвески: ПБСМ1-95+МФ100;

Тип рельсов: Р 50

Максимальные токи нагрузки фидеров ТП и ПС: IТП = 450 A; IПС = 200 A

Выключатели: ВМК-27,5

Cos Н = 0,85

Измерительные трансформаторы:

трансформаторы тока на фидерах тяговой подстанции: 1000/5

трансформаторы тока на посту секционирования: 600/5

трансформаторы напряжения на подст. и посту секционирования: 27,5 / 100

Оперативный ток: постоянный 220В, переменный 220В.


1. Комплект защиты фидера тяговой подстанции



Функциональная схема



На листе прилагаемого к курсовому проекту чертежа изображена функциональная схема защиты фидера тяговой подстанции. Данная защита выполняется двухступенчатой:

Первая ступень – Дистанционная ненаправленная защита ДС1, предназначенная для защиты зоны 0,8 L1 Вторая ступень – Дистанционная направленная защита ДС2, настраиваемая до шин поста секционирования. Назначение защиты ДС2 – резервировать первую ступень защиты фидера тяговой подстанции.

В устройство так же включена ускоренная токовая отсечка УТО, имеющая укороченную зону действия и предназначенная для предотвращения возможных пережогов контактного провода при повреждениях около подстанции.

Первая ступень состоит из измерительного органа полного сопротивления ZI, характеристикой которого является окружность с центром в начале координат комплексной плоскости и токового блокирующего органа, разрешающего срабатывать первой ступени защиты только при наличии КЗ в защищаемой линии. Необходимость блокирующего органа вызвана тем, что измерительный орган является не направленным и может сработать при КЗ на других фидерах в следствие понижения напряжения на шинах 27,5 кВ до значения, при котором сопротивление, подводимое к его зажимам, меньше сопротивления уставки срабатывания.

Вторая ступень состоит из измерительного органа полного сопротивления ZII и фазового блокирующего органа . Характеристика второй ступени представляет собой луч (сектор) с центром в начале координат комплексной плоскости, в котором в зависимости от конкретных условий можно раздельно производить регулировку по модулю полного сопротивления ZII и углу . Углы в пределах луча характеризуют фазовые сдвиги между током и напряжением до точек КЗ защищаемой линии. Комбинированную характеристику получают наложением первой и второй ступеней.

Логические связи между различными органами первой и второй ступеней обеспечиваются наличием логической схемы "ИЛИ", с выхода которой посылается импульс на отключение выключателя при поступление необходимого импульса от одной из двух ступеней. От первой и второй ступеней необходимые импульсы могут поступить только в том случае если с обоих органов каждой ступени поступят сигналы, одинаковые по знаку и совпадающие по времени (схема "И"). В отличие от первой, во второй ступени схемы "И" стоит электронное реле времени KT2 для создания необходимой выдержки на отключение выключателя.

Защита выполнена на модулях серии "Сейма-3". Модуль токового органа ДТ-ЗК представляет собой трехфазное реле трехфазное реле максимального тока и выполняет следующие функции: блокирует измерительный орган ZI при КЗ за пределами защитной зоны первой ступени; работает как ускоренная токовая отсечка УТО1 при КЗ в близи шин; совместно с электронным реле времени KT1, которое является составной частью ДТ-ЗК, образует максимальную токовую защиту от перегрузок МТЗП. Измерительные органы полного сопротивления ZI и ZII представляют собой схемы сравнений двух переменных напряжений U1 и U2, пропорциональных напряжению на шинах ТП и первичному току фидера. Сравнение этих напряжений соответствует сопротивлению подводимого к органам ZI и ZII. Фазовый орган  (модуль ФТН) представляет собой фазоограничивающее реле, позволяющее получить блокирующую характеристику направленности.При срабатывании любой защиты – составляется цепь на логическую схему "ИЛИ", с выхода которой подается управляющий импульс на вход выходного устройства ВУ. К выходу ВУ присоединен трансформатор T4, с вторичной обмотки которого подается положительный импульс на управляющий электрод тиристора VS. Тиристор открывается и посылает импульс на катушку отключения выключателя YAT. Все пусковые и измерительные элементы подключаются к TA и TV через промежуточные трансформаторы тока и напряжения TL. В цепи вторичных обмоток TL включены потенциометры и резисторы для регулировки токов и напряжений, подаваемых на входы рассмотренных органов защиты.
















1.2 Расчет уставок электронных защит



Для расчета уставок электронных защит необходимо найти сопротивления цепи к.з. и токи к.з.

Общее сопротивление до места к.з.:





























где  - сопротивление подстанции, Ом;

 - входное сопротивление петли к.з. тяговой сети, замеренное на шинах 27,5кВ,Ом;









где  - сопротивление одной фазы энергосистемы, приведенное к напряжению шин 27,5кВ, Ом;

 - сопротивление фазы понижающего трансформатора тяговой подстанции, Ом;

 - число параллельно включенных трансформаторов.

Пренебрегая активным сопротивлением энергосистемы и понижающего трансформатора получим:















Сопротивление понижающего трансформатора будет равно сумме сопротивлений двух обмоток входящих в цепь к.з.:









где  - номинальная мощность трансформатора, кВА;

 - номинальное напряжение равное 27,5 кВ;

, ,  - условные напряжения короткого замыкания отдельных обмоток (В - высокой, С- средней, Н - низкой) трехобмоточного трансформатора, %

Напряжения к.з. отдельных обмоток находят из напряжений к.з. между обмотками по следующим формулам:













































Сопротивление системы находится по формуле:








где  - мощность короткого замыкания на шинах высокого напряжения тяговой подстанции, МВА

При определении максимального и минимального тока к.з. следует использовать наибольшее и наименьшее сопротивление системы, а следовательно максимальную и минимальную мощность к.з.























В результате сопротивления тяговой подстанции для двух режимов будут:























Для определения входного сопротивления петли к.з. тяговой сети необходимо определить сопротивление 1км тяговой сети:













где , , ,, - соответственно активные и реактивные сопротивления контактной сети и рельсовых путей, Ом/км





































1.3 Расчет уставок электронной защиты фидера тяговой подстанции



1.3.1 Ненаправленная дистанционная защита ДС1

Первичное сопротивление срабатывания первой ступени - ДС1 - определяется исходя из условий отстройки тока к.з. на шинах поста секционирования:









где  - коэффициент отстройки, который принимается равным 0,8 - 0,85

 - входное сопротивление при к.з. в конце защищаемой зоны, т.е. у шин поста секционирования, Ом.

Входное сопротивление  определяется при к.з. в точке k1 и отключенном смежном пути:





где - сопротивление 1км тяговой сети одного пути двухпутного участка, Ом/км

 - расстояние от подстанции до поста секционирования, км





















Напряжение перевода защиты в режим токовой отсечки:









где - минимальное напряжение на шинах подстанции при к.з. на шинах секционирования, кВ

 - коэффициент запаса, равный 1,2 - 1,3.









где  - сопротивление 1км тяговой сети двухпутного участка при параллельной схеме соединения подвесок, Ом

- сопротивление подстанции, Ом





















Величина сопротивления , исходя их условия обеспечения селективности по отношения к максимальным токам подпитки от смежной подстанции:









где  - максимальный ток, протекающий через защищаемый фидер от соседней подстанции Б при к.з. на соседнем фидере, А

Этот ток находится по формуле:








где  - сопротивление подстанции Б в режиме максимума энергосистемы, Ом

 - расстояние между подстанциями, км





























Окончательным сопротивлением срабатывания  является наименьшее из двух значений.












- наименьшее значение

Выбранное сопротивление проверяется на селективность по отношению к максимальным токам нагрузки фидера:







<









где  - минимальное сопротивление нагрузки, Ом

- коэффициент запаса, равный 1,2 - 1,3.



1.3.2 Ускоренная токовая отсечка (УТО)

Первичный ток срабатывания ускоренной токовой отсечки выбирается из условия отстройки от к.з. в конце защищаемой зоны, т.е. у поста секционирования:









где  - максимальный ток к.з., протекающий через защищаемый фидер подстанции при к.з. на шинах поста секционирования, А

Ток  определяется:































Выбранное значение проверяется по условию селективности к максимальному нагрузочному току:





>









Затем проверяется чувствительность УТО:





>







где  - минимальный ток протекающий по фидеру при к.з. непосредственно за выключателем, А









где  - сопротивление подстанции в режиме минимума энергосистемы, Ом























<




Необходимое условие не выполняется и следовательно требуется откорректировать ток срабатывания УТО:













1.3.3 Направленная дистанционная защита ДС2

Первичное сопротивление срабатывания второй ступени выбирается исходя из минимального тока к.з. на шинах смежной подстанции.









где  - максимальное сопротивление, замеряемое защитой при к.з. на шинах смежной подстанции, Ом

Значение  для узловой схеме вычисляется по формуле:









при раздельном питании:









За расчетное сопротивление принимается наибольшее из полученных.

Установка по углу второй ступени защиты фидера подстанции находится в пределах 45 - 95 























- расчетное сопротивление.















1.4 Предоставление результатов расчетов электронной защиты фидера тяговой подстанции



Полученные значения первичных сопротивлений, напряжений и токов необходимо привести ко вторичным сторонам измерительных трансформаторов, т.е. определить для соответствующих величин уставки реле электронных защит:








- коэффициент трансформации трансформатора напряжения









- коэффициент трансформации трансформатора тока


























2. Комплект защиты фидера поста секционирования



2.1 Функциональная схема



На листе прилагаемого к курсовому проекту чертежа также изображена функциональная схема защиты фидера поста секционирования. Данная защита выполняется так же как и защита фидера тяговой подстанции двух ступенчатой:

Первая ступень - Дистанционная направленная защита ДС1, , предназначенная для защиты зоны 0,8 L1

Вторая ступень – Дистанционная ненаправленная защита ДС2 с выдержкой времени, предназначенная для резервирования первой ступени защиты фидера поста секционирования и для ликвидации "мертвых зон" по напряжению у защиты ДС1, при КЗ близких к посту секционирования.
В устройство так же включена ускоренная токовая отсечка УТО, имеющая укороченную зону действия и предназначенная для предотвращения КЗ близкого к поcту.

Первая ступень состоит из измерительного органа полного сопротивления ZI и фазового блокирующего органа . Характеристика первой ступени представляет собой луч (сектор) с центром в начале координат комплексной плоскости, в котором в зависимости от конкретных условий можно раздельно производить регулировку по модулю полного сопротивления ZI и углу . Углы в пределах луча характеризуют фазовые сдвиги между током и напряжением до точек КЗ защищаемой линии.

Вторая ступень состоит из измерительного органа полного сопротивления ZII, характеристикой которого является окружность с центром в начале координат комплексной плоскости и токового блокирующего органа, разрешающего срабатывать второй ступени защиты только при наличии КЗ в защищаемой линии. Необходимость блокирующего органа вызвана тем, что измерительный орган является не направленным и может сработать при КЗ на других фидерах в следствие понижения напряжения до значения, при котором сопротивление, подводимое к его зажимам, меньше сопротивления уставки срабатывания. Комбинированную характеристику получают наложением первой и второй ступеней.

Схема защиты фидера поста секционирования выполнена аналогично схеме защиты фидера тяговой подстанции описанной в пункте 1.1, c учетом изменения системы построения выше описанных ступеней защит.



Функциональная схема защиты фидера поста секционирования переменного тока







2.2 Расчет уставок защит фидера поста секционирования



2.2.1 Дистанционная направленная защита ДС1

Первичное сопротивление срабатывания ДС1 выбирается из условия отстройки от к.з. на шинах смежной подстанции:








где  - входное сопротивление при к.з. в конце защищаемой зоны, т.е. у шин смежной подстанции, Ом











Селективность защиты первой ступени ДС1 по отношению к токам нагрузки обеспечивается его угловой характеристикой, в связи с чем ее можно было бы не проверять. Однако во избежание случаев неселективного действия защиты при нагрузках, имеющих значительную долю тока холостого хода трансформаторов электроподвижного трансформатора, выбранное сопротивление проверяется. При этом минимальное напряжение на шинах поста секционирования в рабочем режиме принимается равным 22кВ.







<







условие выполняется.


2.2.2 Ускоренная токовая отсечка (УТО)

За первичный ток срабатывания УТО выбирается наибольшее из двух значений:













где ,- коэффициенты запаса, , ;

 - максимальный ток нагрузки фидера поста секционирования, А;

 - максимальный ток, протекающий по фидеру поста секционирования при к.з. у шин подстанции Б, А









где  - сопротивление подстанции А в режиме максимума энергосистемы, Ом

































Примем ток равным:









Необходимо провести проверку на селективность по отношению к максимальным токам подпитки протекающим через фидер поста секционирования пр к.з. на смежном фидере вблизи поста секционирования.



















<





2.2.3 Ненаправленная дистанционная защита ДС2

Первичное сопротивление ДС2 выбирается по выражению:









где  - коэффициент чувствительности, ;

 - сопротивление к.з., , Ом













Проверка выбранного значения на селективность по отношению к максимальным рабочим токам поста секционирования можно не производить ввиду того, что эти токи невелики.

Напряжение перевода в режим токовой отсечки:









где  - максимальное напряжение на шинах поста секционирования при к.з. на расстоянии 2 - 3 км от поста секционирования, кВ









где  - эквивалентное сопротивление, Ом;

 - сопротивление 1км контактной подвески одного пути двухпутного участка, Ом









































<







2.3 Предоставление результатов расчетов электронной защиты поста секционирования



Полученные значения первичных сопротивлений, напряжений и токов необходимо привести ко вторичным сторонам измерительных трансформаторов, т.е. определить для соответствующих величин уставки реле электронных защит:









- коэффициент трансформации трансформатора напряжения









- коэффициент трансформации трансформатора тока




























3. Совмещенные характеристики электронных защит



3.1 Совмещенная характеристика электронных защит тяговой подстанции



Сопротивление срабатывания реле ненаправленной дистанционной защиты первой ступени:









Напряжение переключения реле в режим ускоренной токовой отсечки:









Сопротивление срабатывания реле направленной дистанционной защиты:









Ток срабатывания реле ускоренной токовой отсечки:









Представим круг с радиусом Zср1 и круг с радиусом Zср2 как функции координат x от координат y:








Обозначим ограничивающие прямые для определения направленности защиты:









Результирующая характеристика:








3.2 Совмещенная характеристика электронных защит поста секционирования



Сопротивление срабатывания реле направленной дистанционной защиты первой ступени:









Напряжение переключения реле в режим ускоренной токовой отсечки:









Сопротивление срабатывания реле ненаправленной дистанционной защиты:









Ток срабатывания реле ускоренной токовой отсечки:









Представим круг с радиусом Zср1 и круг с радиусом Zср2 как функции координат x от координат y:









Обозначим ограничивающие прямые для определения направленности защиты:









Результирующая характеристика:






Список литературы



	Марквардт К.Г. "Электроснабжение электрифицированных ж.д." М.: Транспорт, 1982г.

	Фигурнов Е.П. "Релейная защита устройств электроснабжения железных дорог" М.: Транспорт, 1981г.

	Справочник по электроснабжению железных дорог, под редакцией Марквардта К.Г. М.: Транспорт, 1980г.

	Прохорский А.А. "Тяговые и трансформаторные подстанции" М.: Транспорт, 1983г.

	Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования. Давыдова И.К., Попов Б.И., Эрлих. В.М., М.: Транспорт, 1978г.

1