ОАО "РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ"
РАСПОРЯЖЕНИЕ
от 25 декабря 2012 г. N 2680р
О МЕРАХ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В целях совершенствования защиты тяговой сети переменного тока:
1. Утвердить и ввести в действие с 1 января 2013 г. прилагаемую Методику выбора уставок защиты, обеспечивающей эксплуатацию контактной сети переменного тока без заземления опор на рельсы (далее - Методику).
2. Начальнику Западно-Сибирской дирекции инфраструктуры Шевцову Е.А. в срок до 1 февраля 2013 г. организовать опытно-промышленную эксплуатацию защиты, обеспечивающей эксплуатацию контактной сети переменного тока без заземления опор на рельсы, на межподстанционной зоне Карасук - Зубково.
Старший вице-президент ОАО "РЖД"
В.А.Гапанович
УТВЕРЖДЕНА
распоряжением ОАО "РЖД"
от 25.12.2012 г. N 2680р
МЕТОДИКА
ВЫБОРА УСТАВОК ЗАЩИТЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИЮ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА БЕЗ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОПОР НА РЕЛЬСЫ
1. Основные положения
1.1. Настоящая методика определяет порядок расчета уставок защиты, обеспечивающей эксплуатацию контактной сети переменного тока без заземления опор на рельсы (далее - защиты).
Методика предназначена для применения структурными подразделениями ОАО "РЖД" при организации эксплуатации участков тяговой сети без заземления опор на рельсы.
1.2. Методика расчета распространяется на микропроцессорные устройства релейной защиты с введенной в них дополнительной ступенью дистанционной защиты от замыканий через большое переходное сопротивление, устанавливаемые на участках переменного тока с разземленными опорами.
1.3. Выбор уставок состоит из следующих этапов:
1) выбор основной (вторая (ДЗ2) ступень дистанционной защиты), резервной (первая (ДЗ1) и третья ступень дистанционной защиты (ДЗ3)) и дополнительной (четвертая ступень дистанционной защит (ДЗ4)) для конкретного участка и рассматриваемого присоединения распределительного устройства напряжением 27,5 кВ;
2) вычисление электрических параметров, на которые не должна реагировать рассматриваемая защита, в нормальном режиме работы присоединения распределительного устройства напряжением 27,5 кВ, при наибольшей нагрузке с учетом наиболее вероятного значения уравнительного тока на межподстанционной зоне;
3) установление нормативной расчетной схемы для вычисления параметров короткого замыкания, на которые должна реагировать рассчитываемая защита, на основе требований действующих Руководящих указаний по релейной защите систем тягового электроснабжения (далее - РУЗ);
4) выбор уставок срабатывания ступеней защит с соблюдением условий
устойчивости функционирования, определяемых нормативными значениями
коэффициентов отстройки к , чувствительности к , запаса к и возврата к ;
отс ч з в
5) проверка выбранной уставки срабатывания на нечувствительность к нормальной нагрузке присоединения распределительного устройства напряжением 27,5 кВ.
2. Основные требования к защите и уставкам
2.1. В качестве основной на участках с разземленными опорами должна использоваться вторая ступень дистанционной защиты (ДЗ2). В качестве резервной защиты выключателя подстанции необходимо использовать первую ступень дистанционной защиты (ДЗ1). Третья ступень дистанционной защиты (ДЗ3) должна обеспечивать дальнее резервирование. В качестве дополнительной защиты должна использоваться четвертая ступень дистанционной защиты (ДЗ4).
2.2. Защищаемая зона для защиты какого - либо присоединения тяговой подстанции должна ограничиваться:
- со стороны тяговой подстанции - выключателем этого присоединения;
- с противоположной стороны:
1) для межподстанционных зон с односторонним питанием без поста секционирования - наиболее удаленной точкой контактной сети;
2) для межподстанционных зон с двухсторонним питанием без поста секционирования - сборными шинами смежной тяговой подстанции;
3) для межподстанционных зон с одно и двухсторонним питанием с одним постом секционирования - сборными шинами поста секционирования;
4) для межподстанционных зон с двухсторонним питанием с двумя постами секционирования - сборными шинами ближайшего к рассматриваемой тяговой подстанции поста секционирования.
Защищаемая зона для защиты какого - либо присоединения поста секционирования должна ограничиваться:
- со стороны поста секционирования - выключателем этого присоединения;
- с противоположной стороны:
1) для межподстанционных зон с односторонним питанием - наиболее удаленной точкой контактной сети;
2) для межподстанционных зон с двухсторонним питанием и одним постом секционирования - сборными шинами смежной тяговой подстанции;
3) для межподстанционных зон с двухсторонним питанием и двумя постами секционирования - сборными шинами ближайшей к посту секционирования тяговой подстанции, либо сборными шинами соседнего поста секционирования.
Во всех случаях, указанных выше, в расчет не принимаются посты секционирования, на которых секционированы только ответвления от контактной сети.
2.3. Допускается каскадное действие резервных и дополнительных ступеней защиты.
3. Определение уставок основной и резервной защит
3.1. Уставки срабатывания основной и резервной защит, устанавливаемых на присоединениях распределительных устройств 27,5 кВ тяговых подстанций и постов секционирования, рассчитываются, выбираются и проверяются в соответствии с действующими РУЗ с обязательным учетом сопротивления растеканию тока с заземлителей, которое складывается из сопротивления троса группового заземления (ТГЗ), сопротивления дуги и переходного сопротивления группы опор, не заземленных на рельсы.
3.2. Исходя из обеспечения требуемой чувствительности и селективности работы защит необходимо обязательное выполнение требований к максимально допустимому сопротивлению в месте короткого замыкания.
Сопротивление перехода "группа опор - земля" с учетом дуги не должно превышать значения, определяемого выражением:
Zн.min
---------- - z l
к к к n mn АП
в з ч
Rn <= ------------------- - z l , (3.1)
Z + z l тгз тгз
пА mn АП
1 + ------------
Z + z l
пВ mn ПВ
где Zн.min - минимальное сопротивление нагрузки, Ом;
к - коэффициент возврата, принимаемый равным 1,1 - 1,15;
в
к - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,1 - 1,3;
з
к - коэффициент чувствительности, принимаемый равным 1,25;
ч
n - количество задействованных путей на межподстанционной зоне;
z - удельное (погонное) сопротивление тяговое сети, Ом/км;
mn
z - погонное сопротивление троса группового заземления, Ом/км;
тгз
l , l - расстояния, соответственно, между подстанцией А и постом
АП ПВ
секционирования, постом секционирования и подстанцией В, км;
l - максимальная длина троса группового заземления, км.
тгз
3.3. Если сопротивление растеканию какой - либо группы не удовлетворяет полученному значению, проводятся мероприятия по снижению переходного сопротивления "группа опор - земля". Допускается использование дополнительных индивидуальных контуров заземления.
3.4. Полученные значения уставок должны исключать ложную работу защит. В случае невыполнения данного условия необходимо принятие дополнительных мер для исключения ложных срабатываний от токов нагрузки в соответствии с действующими РУЗ.
4. Определение уставок дополнительной защиты
4.1. В качестве дополнительной ступени, предназначенной для отключения токов короткого замыкания на элементы тяговой сети не связанные с рельсом и характеризующиеся повышенным переходным сопротивлением должна использоваться четвертая ступень дистанционной защиты с характеристикой срабатывания, продленной вдоль оси активных сопротивлений, внешний вид которой приведен на рисунке 4.1.
См. Рисунок 4.1 - Угловая характеристика срабатывания дополнительной ступени дистанционной защиты
В соответствии с действующими РУЗ допускается каскадная работа дополнительной ступени защиты.
4.2. Характеристика срабатывания ДЗ4 образуется четырьмя точками на комплексной плоскости сопротивления (А, В, С, D) в соответствии с рисунком 4.2.
См. Рисунок 4.2 - Точки образующие характеристику сопротивления срабатывания ДЗ4
4.3. Координаты точек характеристики срабатывания ДЗ4 определяются исходя из условий отстройки от токов нагрузочных режимов работы присоединений распределительных устройств 27,5 кВ тяговых подстанций и постов секционирования с учетом максимального влияния уравнительных токов на межподстанционной зоне.
4.3.1. Для точки В минимальное значение по оси ординат определяется аналогично ступени ДЗ1 в соответствии с выражением:
Хв = к Zк (4.1)
отс
где Zк - модуль полного сопротивления, измеряемого защитой при замыкании у шин поста секционирования, определяемый в соответствии с действующими РУЗ, Ом;
к - коэффициент отстройки, принимаемый в диапазоне 0,85 - 0,9.
отс
Значение координаты точки В по оси абсцисс принимается равным нулю.
4.3.2. Минимальное значение по оси ординат для точки С определяется максимальным значением уравнительного тока Iур.max в соответствии с выражением:
к Uн.min
отс 1
Хс = -------------------------- sin("фи" - arctg(-------)), (4.2)
____________________ н.max "альфа"
/ 2
к \/ 1 + "альфа" Iур.max
в
где Uн.min - минимальное напряжение на шинах 27,5 кВ тяговой подстанции
при максимальной нагрузке, В;
"фи" - угол, соответствующий максимальному току нагрузки. При
н.mах
отсутствии экспериментальных данных принимается равным 32 - 37 эл. град;
К - коэффициент отстройки, принимаемый от 0,85 до 0,9;
отс
к - коэффициент возврата, принимаемый для цифровых защит в диапазоне 1,1 - 1,15
в
"альфа" - коэффициент, зависящий от угла нагрузки, и определяемый по выражению:
131
"альфа" = --------- . (4.3)
"фи"
н.mах
Максимальное значение Хс не должно превышать 50 Ом.
Значение по оси абсцисс для точки С определяется в соответствии с выражением:
к Uн.min
з 1
Rс = -------------------------- cos("фи" - arctg(-------)). (4.4)
___________________ н.max "альфа"
/ 2
к \/ 1 + "альфа" Iур.max
в
где к - коэффициент запаса, принимаемый в диапазоне 1,1 - 1,3.
з
4.3.3. Для точки D значение по оси абсцисс определяется по выражению:
Uн.min
R = ----------- sin "фи" . (4.5)
D к Iур.max н.mах
в
Максимальное значение R не должно превышать 200 Ом.
D
Значение по оси ординат для точки D принимается равным в диапазоне
Х = -5 - - Хс.
D
4.4. Для отстройки от режимов максимальной нагрузки ступень ДЗ4 должна
дополняться блокировкой по коэффициенту искажения синусоидальности кривой тока
фидера высшими гармоническими составляющими k .
гу
Значение коэффициента k определяется по выражению:
гу
-0,0025 l
k = к 22,5е ур (4.6)
гу отс
где I - максимально возможное значение уравнительного тока, протекающего
ур
по рассматриваемому присоединению распределительного устройства
напряжением 27,5 кВ, А.
Полученное по (4.6) значение округляется в меньшую сторону.
4.5. Переходное сопротивление, при котором защита будет устойчиво функционировать, зависит от схемы питания и секционирования тяговой сети. Наиболее тяжелые условия с точки зрения работы защиты будут наблюдаться в случае узловой схемы питания при выведенных из работы защитах поста секционирования. При этом максимальное значение переходного сопротивления, при котором защита будет надежно функционировать, определяется выражением:
1 Rc
Rn <= ------------------- ( ---- - r l ), (4.7)
Z + z l к n mn АП
пА mn АП ч
1 + ------------
Z + z l
пВ mn ПВ
где r - активно сопротивление 1 км тяговой сети m-путного участка, на
mn
котором контактная сеть n путей включена в работу, ом/км;
n - число включенных в работу путей;
к - коэффициент чувствительности, принимаемый для дополнительной защиты
ч
равным 1,2.
Z - сопротивление подстанции, для защиты которой ведется расчет, Ом;
пА
Z - сопротивление смежной подстанции, Ом;
пВ
l - расстояние между рассматриваемой подстанцией и постом
АП
секционирования, км;
l - расстояние между постом секционирования и смежной подстанцией, км.
ПВ
Приложение
Пример расчета и выбора уставок защиты, обеспечивающей эксплуатацию контактной сети переменного тока без заземления опор на рельсы
П.1. Определение уставки срабатывания основной защиты
Для выключателя тяговой подстанции QA1 при узловой схеме питания
двухпутного участка, с опорами, не имеющими заземления на рельсы, приведенной
на рисунке П.1, определить уставку срабатывания второй ступени трехступенчатой
дистанционной защиты. Сопротивления смежных подстанций в режиме максимума
Z = Z - Z = 3,5 Ом. Контактная сеть состоит из проводов ПБСМ-95+МФ100, рельсы
па пВ п
Р-65. Трос объединения разземленных опор выполнен проводом ПБСМ-70,
максимальная длина группы на участке составляет 350 м. Контактная сеть
включена в работу на всех путях, т.е. n = 2. Расстояния l = l = 25 км.
АП ПВ
Минимальное сопротивление нагрузки равно Z = 45 Ом. Максимальное значение
н.min
уравнительного тока составляет 50 А.
См. Рисунок П.1 - Схема питания тяговой сети
По РУЗ находим z = z = 0,301 Ом/км, r = 0,117 Ом/км, z = 0,724Ом/км.
mn 22 22 тгз
По формуле (3.1) максимально допустимое, из условий обеспечения чувствительности защиты, сопротивление перехода "группа опор - земля":
45
-------------- - 0,301·25
1,1·1,1·1,25·2
Rn = ------------------------- - 0,724·0,35 = 3,422 ~=3,4 Ом.
3,5+0,301·25
1 + ------------
3,5+0,301·25
В соответствии с РУЗ для расчетной точки К2 сопротивление, измеряемое защитой выключателя QA1 определяется по формуле:
Z + z l
пА mn АП
Z = Z = n(z l + (Rп + z l )(1 + ------------ )). (П.1)
QA1 к mn АП тгз тгз Z + z l
пВ mn ПВ
3,5 + 0,301·25
Z = 2(0,301·25 + (3,4 + 0,724·0,35)(1 + ---------------)) = 28,064 Ом.
QA1 3,5 + 0,301·25
Уставка срабатывания защиты определяется выражением:
Z >= к Z , (П.2)
у.ДЗ2 ч к
где к - коэффициент чувствительности, при наличии третьей ступени
ч
принимаемый равным 1,25.
Z >= 1,25·28,064 = 35,08 Ом.
у.ДЗ2
Принимаем Z = 36 Ом.
у.ДЗ2
Для исключения ложной работы защиты в нагрузочных режимах необходимо выполнение условия:
Zк
Z <= ----. (П.3)
у.ДЗ2 к к
в з
Так как вторая ступень выполняется с выдержкой времени, коэффициент
возврата принимается равным к = 1,1.
в
45
Z <= ------- = 37,19.
у.ДЗ2 1,1·1,1
Поскольку условие (П.3) выполняется, мер по отстройке от режимов нормальной нагрузки не требуется.
П.2. Определение уставки срабатывания резервной защиты
Для исходных данных, приведенных в П.1, произвести расчет третьей ступени дистанционной защиты ДЗ3.
В соответствии с РУЗ расчетной для защиты выключателя присоединения QA1 является точка короткого замыкания К4 при отключенном выключателе QB1. Сопротивление тяговой сети от подстанции А до точки К4 определяется по формуле:
Z = z l + z` l , (П.4)
тсА mn АП p.m ПВ
где z` - сопротивление 1 км рельсовой цепи m-путного участка с учетом
p.m
взаимного индуктивного влияния контактных сетей всех путей друг на друга. Для
рассматриваемого случая z` = 0,139 Ом/км.
p.2
Сопротивление тяговой сети от выключателя QB2 подстанции В до точки К4 определяется по формуле:
z
-1.n
Z = ------ l , (П.5)
тсВ n - 1 ПВ
2
где z - сопротивление 1 км тяговой сети одного пути многопутного участка,
-1.n
на котором контактная сеть на n путях включена в работу, при условии, что ток
в контактной сети этого пути равен по величине сумме всех остальных токов но
имеет по отношению к ним противоположное направление. Для примера z = 0,336
-1.2
Ом/км;
n - количество путей включенных в работу на участке "пост - подстанция В", n = 2
2 2
Z = 0,301 · 25 + 0,139 · 25 = 11 Ом,
тcA
0,036
Z = ------ 25 = 8,4 Ом.
тсВ 2 - 1
Результирующее сопротивление, измеряемое защитой выключателя присоединения QA1 по формуле:
Z + Z Z + Z
пА тсА пА тсА
Z = n(z l + (z` + z` (1 + -----------))l ) + n(Rп + Z )(1 + -----------). (П.6)
QA1 22 АП p.2 -1.2 Z + Z ПВ тгз Z + Z
пВ тсВ пВ тсВ
3,5 + 11 3,5 + 11
Z = 2(0,301·25 + (0,139+0,336 (1 + ---------))25) + 2(3,4 + 0,724·0,35)(1 + ---------) = 75,481 Ом.
QA1 3,5 + 8,4 3,5 + 8,4
Уставка срабатывания определится по выражению:
Z = к Z , (П.7)
у.ДЗ3 ч QA1
где к - коэффициент чувствительности, для ДЗ3 принимаемый равным 1,2.
ч
Z = 1,2·75,481 = 90,577 Ом.
у.ДЗ3
Принимаем Z = 95 Ом.
у.ДЗ3
Проверка на коэффициент чувствительности определяется по условию:
Z
у.ДЗ3
------- > 1,5, (П.8)
Zк
где Zк - сопротивление, измеряемое защитой выключателя присоединения QA1, при замыкании в точке К2, определенное в П.1.
95
------ = 3,385 > 1,5
28,064
Условие выполняется. Таким образом окончательно принимается уставка ДЗ3 95 Ом с диапазоном углов от 45 до 110°.
П.3. Определение уставок срабатывания дополнительной защиты
Для исходных данных, приведенных в П.1, выполнить расчет дополнительной ступени дистанционной защиты ДЗ4.
В соответствии с РУЗ определяется значение полного сопротивления, измеряемого защитой при замыкании у шин поста секционирования при отключенном выключателе присоединения соседнего пути, по выражению:
Zк = z l , (П.9)
21 АП
где z - сопротивление 1 км тяговой сети двухпутного участка при отключенном
21
соседнем пути, Ом/км. Для заданного типа тяговой сети z = 0,47 Ом/км.
21
Zк = 0,47·25 = 11,75 Ом.
Для точки В характеристики срабатывания ступени ДЗ4 по выражению (4.1) значение по оси ординат составит:
Хв = 0,85·11,75·0,85 = 9,987 ~= 10 Ом.
Значение Rв принимается равным нулю.
По выражениям (4.2) - (4.4) определяются координаты точки С.
131
"альфа" = ---- = 4,094 ~= 4,1;
32
0,9·25000 1
Хс = ------------------ sin(32 - arctg(---)) = 30,43 ~= 30 Ом;
________ 4,1
/ 2
1,1 \/ 1 + 4,2 · 50
1,3·25000 1
Rс = ------------------ cos(32 - arctg(---)) = 132,943 ~= 132 Ом.
________ 4,1
/ 2
1,1\/ 1 + 4,1 · 50
По выражению (4.5) определяется значение по оси абсцисс для точки D:
25000
R = ------- sin 32 = 258,215 Ом. (4.5)
D 1,1·50
Так как полученное значение превышает 200 Ом, окончательно принимается
R = 200 Ом.
D
Значение Х принимается равным -Хс = -10 Ом.
D
Для исключения ложных срабатываний от токов нагрузки в соответствии с выражением (4.6) определяется уставка по коэффициенту искажения кривой тока фидера:
-0,0025·50
k = 0,85 · 22,5е = 16,878 ~= 16%.
гу
По выражению (4.7) определяется максимальное значение переходного сопротивления, при котором защита будет устойчиво функционировать в зоне от подстанции до поста секционирования:
1 132
Rп = ----------------- (----- - 0,117·25) = 15,037 Ом.
3,5+0,35·25 2·2
1 + ------------
3,5+0,35·25