УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОНИЗИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02H7/04 

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог переменного тока и предназначено для ограничения токов короткого замыкания при близких коротких замыканиях контактной сети.

Особенностью работы электротяговой сети переменного тока является возможность возникновения близких коротких замыканий. В первую очередь это касается коротких фидеров длиной до 3-4 км, питающих электровозные депо и станционные пути, что связано со спецификой работы этих путей. Число коротких замыканий на фидерах контактной сети может достигать 30 коротких замыканий в год на один фидер контактной сети [1].

Наиболее тяжелыми по своему воздействию на понизительный трансформатор являются близкие короткие замыкания, которые характеризуются большими по величине токами короткого замыкания. Ударные токи близкого короткого замыкания существенно превосходят допустимые значения токов короткого замыкания, определяемые заводом-изготовителем для понизительного трансформатора [2-5]. В результате воздействия токов короткого замыкания возможно повреждение понизительного трансформатора - динамическое разрушение или смещение его обмоток, что ведет к значительным экономическим потерям (стоимость одного понизительного трансформатора типа ТДТНЭ-40000 выпуска Тольятинского трансформаторного завода составляет 2,7 млн. рублей в ценах первого полугодия 1998 года).

Известно устройство для ограничения токов короткого замыкания в цепи станционного фидера или фидера электровозного депо. В фидер, питающий электровозные депо или станционные пути, последовательно включен активный токоограничительный резистор. Величина сопротивления этого резистора 1-2 Ом. Она выбрана из следующих условий:
- обеспечение допустимой разницы потенциалов на открытых воздушных промежутках, соединяющих пути, питающие электровозное депо с главными путями на съездах;
- ограничение токов короткого замыкания до допустимых значений по условиям динамических и термических воздействий на понизительный трансформатор;
- стремление обеспечить минимальные потери энергии в условиях последовательного включения в цепь нагрузки на фидере в нормальном режиме.

При использовании понизительного трансформатора мощностью 40000 кВ•А с номинальным значением тока нагрузки по стороне 27,5 кВ - 840 А максимально допустимое значение тока короткого замыкания, указываемое заводом-изготовителем, 8400 А. Однако реальные токи короткого замыкания, определяемые по формуле

где U_ном - номинальное напряжение;
z_с - сопротивление питающей системы, z_с = 0,1 Ом;
z_тп - сопротивление понизительного трансформатора подстанции, z_тп = 2,03 Ом;
z_фидера - сопротивление питающего фидера от подстанции до места короткого замыкания, z_фидера = z_o (фидера = z_o l_фидера, l_фидера = 2-3 км,
составляют 7100-7663 А; а значение ударного тока при этом достигает 12780-13790 А.

Включение в цепь нагрузки активного резистора сопротивлением 1-2 Ом позволяет снизить величину ударного тока до 6940 А в наихудших условиях [6].

Однако устройство-аналог имеет ряд недостатков. Так, падение напряжения на открытом промежутке при протекании тока нагрузки величиной 200 A составляет 1000 B (например, при выезде локомотива из электровозного депо или со станции). Такое значение перепада напряжения может вызвать постоянно горящую дугу на открытом промежутке. Кроме того, постоянно протекающий ток нагрузки 100 А (ток собственных нужд фидера питающего электровозное депо в зимний период) на токоограничительном резисторе вызывает дополнительные потери электроэнергии 50 кВт•ч, то есть 1200 кВт в сутки, что при стоимости электроэнергии 0,6 руб./кВт•ч составляет убытки в сумме около 100000 рублей в год.

Следует отметить, что данное устройство-аналог является пассивным ограничителем тока и находится постоянно под высоким потенциалом 27,5 кВ относительно заземленных конструкций. Выполнение указанного устройства требует сооружения специальной конструкции на опорах контактной сети, что ухудшает динамическую устойчивость самих опор.

Также известно токоограничительное устройство, использующее принцип резонанса токов [7]. Это устройство обеспечивает в режиме короткого замыкания введение в цепь тока короткого замыкания существенного активно-индуктивного сопротивления. В состав этого токоограничительного устройства входят нелинейный сдвоенный реактор, конденсаторная батарея, активный резистор и коммутирующий элемент.

В нормальном режиме работы включен коммутирующий элемент. При этом организован параллельный резонансный контур из половины нелинейного сдвоенного реактора и конденсаторной батареи, за счет чего сопротивление токоограничительного устройства не превышает 0,2-0,3 Ом.

При коротком замыкании после срабатывания защиты коммутирующий элемент размыкает свои контакты и разрывает параллельный резонансный контур. В цепь тока короткого замыкания последовательно автоматически вводится большое активно-индуктивное сопротивление.

Однако резонансное токоограничительное устройство имеет следующие недостатки:
- низкая надежность устройства из-за использования в устройстве конденсаторной батареи;
- высокая стоимость, так как в его состав входят дорогостоящие элементы: конденсаторная батарея и нелинейный сдвоенный реактор;
- в резонансном устройстве имеют место дополнительные потери энергии.

Время коммутации и введения в работу резонансного токоограничительного устройства составляет не менее 40-45 мс, что не исключает протекания ударного тока короткого замыкания - наиболее опасного тока короткого замыкания.

Кроме того, следует отметить, что ток нагрузки содержит высокочастотные гармоники, наиболее значительными по величине являются 3-я, 6-я, 9-я и т.д., что оказывает существенное влияние на работу релейной защиты. Резонансный параллельный контур настроен на промышленную частоту 50 Гц, и сопротивление этого контура току такой частоты относительно невелико. Сопротивление же такого контура токам 3-й, 5-й, 7-й, 9-й гармоник, которые имеют место в тяговой нагрузке, значительно выше. Наличие этого фактора не позволяет использовать резонансное токоограничительное устройство для ограничения токов короткого замыкания на сети электрических железных дорог переменного тока.

Известно также устройство для ограничения токов короткого замыкания с применением индуктивного реактора, включенного в цепь заземленной фазы "C" понизительного трансформатора [8] . Индуктивный реактор типа 3хРБАС-10-2х600-6 включен в цепь между заземляющим контуром тяговой подстанции и выводом фазы "C". Для исключения разрыва цепи тока при выходе из строя индуктивного реактора или при его планом ремонте индуктивный реактор зашунтирован разъединителем. Индуктивное сопротивление применяемого реактора составляет менее 1 Ом в нормальном режиме [9]. Цепь с включенным в фазу "C" реактором рассчитана на номинальный ток 1200 А.

Кратность токоограничивающего действия реактора определяется отношением тока короткого замыкания к номинальному току реактора.

Однако токоограничивающие устройства с индуктивными реакторами имеют ряд недостатков. Индуктивный реактор в цепи тока короткого замыкания вызывает более медленное затухание апериодической составляющей тока короткого замыкания. В результате этого понизительный трансформатор подвергается воздействию нескольких медленно уменьшающихся динамических импульсов тока короткого замыкания до отключения выключателя ввода от срабатывания релейной защиты. Кроме того, устройство такого типа ухудшаeт коэффициент мощности.

На индуктивном реакторе имеют место дополнительные потери энергии 8,2 кВт•ч, то есть 5900 кВт в месяц, что при цене электроэнергии 0,6 руб./кВт•ч составляет экономические убытки на сумму более 43000 рублей в год.

Указанное устройство наиболее близко по схемному и конструктивному исполнению к заявляемому и выбрано в качествe прототипа.

Заявляемое устройство предназначено для ограничения токов короткого замыкания при коротких замыканиях на фидерах контактной сети электрических железных дорог переменного тока. Оно призвано защитить понизительный трансформатор от динамических и термических воздействий токов короткого замыкания.

Для этого в устройство для защиты понизительного трансформатора от динамических и термических воздействий токов короткого замыкания, содержащеe понизительный трансформатор, выключатель ввода, измерительный трансформатор тока, шунтирующий разъединитель и контур заземления подстанции, согласно изобретению дополнительно включены токоограничительный резистор, выключатель с динамическим приводом, датчик тока, логический блок, датчик напряжения и блока управления выключателем.

Токоограничительный резистор 6 (см. чертеж) установлен в цепь между выводом фазы "C" выключателя ввода 2 и контуром заземления подстанции 5. В силовую цепь выключателя ввода 2 включен измерительный трансформатор тока 3. Параллельно токоограничительному резистору 6 установлен шунтирующий разъединитель 4. Параллельно токоограничительному резистору 6 расположен выключатель с динамическим приводом 7. В силовую цепь выключателя с динамическим приводом 7 установлен датчик тока 8. Сигнал с датчика тока 8 поступает на первый вход логического блока 9; на второй вход логического блока 9 сигнал поступает с измерительного трансформатора тока 3; на третий вход логического блока 9 подается сигнал с датчика напряжения 10, который включен параллельно токоограничительному резистору 6. Сигнал от логического блока 9 поступает на вход блока управления выключателем 11, который управляет работой выключателя с динамическим приводом 7.

В нормальном режиме токоограничительный резистор зашунтирован выключателем с динамическим приводом. Ток нагрузки нормального режима протекает через понизительный трансформатор 1, через фазы "A" и "B" включенного выключателя ввода 2, через существующую коммутационную аппаратуру подстанции, через тяговую сеть электрифицированной железной дороги, через потребляющий ток нагрузки электроподвижной состав, через рельсы и присоединенный к ним контур заземления подстанции 5, через датчик тока 8, через выключатель с динамическим приводом 7, через измерительный трансформатор тока 3 и через фазу "C" выключателя ввода 2. При этом ограничения тока нагрузки не происходит, нет дополнительных потерь электроэнергии. В нормальном режиме ток нагрузки не превышает уставки датчика тока 8. Датчик тока 8 при этом не выдает сигнала о превышении током нагрузки уставки в логический блок 9.

При возникновении короткого замыкания ток в цепи изменяется от значения тока нагрузки до тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания, протекая по той же цепи, превышает уставку срабатывания датчика тока 8. Сигнал об этом поступает в логический блок 9. Логический блок 9 выдает команду блоку управления выключателем 11 о необходимости отключить выключатель с динамическим приводом 7. Выключатель с динамическим приводом 7 отключается и вводит в цепь короткого замыкания токоограничительный резистор 6, который с момента своего включения ограничивает величину тока короткого замыкания. Если в цепи имело место короткое замыкание, то после срабатывания релейных защит отключится выключатель ввода 2.

После отключения выключателя ввода 2 через незначительное время произойдет автоматическое повторное включение. При этом заявляемое устройство осуществит контроль наличия короткого замыкания. В этом случае ток протекает через понизительный трансформатор 1, через фазы "A" и "B" выключателя ввода 2, через коммутационную аппаратуру подстанции, через тяговую сеть электрифицированной железной дороги, через электроподвижной состав, через рельсы и присоединенный к ним контур заземления подстанции 5, через токоограничительный резистор 6, через измерительный трансформатор тока 3, через фазу "C" выключателя ввода 2. В этом режиме происходит ограничение тока, протекающего по электрической цепи.

Если после автоматического повторного включения короткое замыкание самоустранилось, то по цепи протекает ток нормального режима. Измерительный трансформатор тока 3 контролирует величину этого тока. Сигнал о величине протекающего через измерительный трансформатор тока 3 поступает в логический блок 9. Если ток не превышает порогового значения, то после набора выдержки времени, который осуществляется логическим блоком 9, логический блок 9 выдает сигнал о необходимости включения выключателя с динамическим приводом 7 в блок управления выключателем 11. Блок управления выключателем 11 дает команду на включение выключателя с динамическим приводом 7, который при своем включении шунтирует токоограничительный резистор 6. Схема возвращается в нормальный режим работы.

Если же за время, прошедшее между отключением выключателя ввода 2 от сработавшей релейной защиты и автоматическим повторным включением короткое замыкание не самоустранилось, то оборудование включается на ограниченный ток короткого замыкания, а не на полную величину тока короткого замыкания. В том случае, если короткое замыкание устойчивое, то после автоматического повторного включения произойдет повторное отключение выключателя ввода 2 от действия релейной защиты.

В условиях эксплуатации возможно резкое увеличение тока нагрузки, не сопровождающееся коротким замыканием. Это так называемый режим перегрузки. В режиме перегрузки может оказаться, что ток нагрузки превысит уставку срабатывания датчика тока 8.

В этом случае в цепь протекания тока также будет введен токоограничительный резистор 6. Выполняется это так же, как при возникновении короткого замыкания. Однако в этом случае не произойдет отключения выключателя ввода 2 от действия релейной защиты, которая отстраивается от ложных срабатываний в режиме перегрузки [10]. Если режим перегрузки длителен, то релейная защита успевает набрать выдержку времени. После этого происходит отключение выключателя ввода 2.

Если же режим перегрузки непродолжителен, то через некоторое время ток нагрузки уменьшится до значения нормального режима. Это изменение будет зафиксировано измерительным трансформатором тока 3. Информация об этом поступит на логический блок 9, который выдаст сигнал о необходимости включения выключателя с динамическим приводом 7 на блок управления выключателем 11. Блок управления выключателем 11 включит выключатель с динамическим приводом 7, который зашунтирует токоограничительный резистор 6. Схема вернется в нормальный режим работы.

В режиме перегрузки заявляемое токоограничивающее устройство также ограничивает величину тока, протекающего по электрической цепи, чем выполняется защита понизительного трансформатора от воздействия токов перегрузки, которые могут оказаться опасными для понизительного трансформатора.

Логический блок 9 способен различать между собой два различных режима: режим перегрузки и режим короткого замыкания. Для этого служит датчик напряжения 10. Сигнал с датчика напряжения 10 поступает на вход логического блока 9. В режиме перегрузки напряжение в электрической сети практически не меняет своего значения, a в режиме короткого замыкания напряжение в цепи стремится к нулю. В обоих случаях датчик напряжения 10 контролирует величину падения напряжения на токоограничительном резисторе 6, и информация о величине падения напряжения на токоограничительном резисторе 6 поступает в логический блок 9.

Токоограничивающее устройство может быть выведено из работы установленным параллельно токоограничительному резистору 6 шунтирующим разъединителем 4. Необходимость в шунтирующем устройстве может возникнуть при возможном разрушении токоограничительного резистора 6 либо при разрушении или отказе в работе выключателя с динамическим приводом 7. В этом случае поврежденное оборудование может быть выведено в ремонт при помощи шунтирующего разъединителя 4. Этот разъединитель служит также для вывода оборудования токоограничительного устройства в плановый ремонт. Шунтирующий разъединитель 4 при выводе из работы токоограничивающего устройства обеспечивает целостность цепи фазы "C" понизительного трансформатора 1, по которой протекает весь ток нагрузки обоих плеч питания от фаз "A" и "B".

Таким образом, выход из строя устройства не приводит к перебою в питании потребителей.

Токоограничительный резистор представляет собой законченное изделие. Он предназначен для установки в открытом распределительном устройстве 27,5 кВ. Величина активного сопротивления токоограничительного резистора - 2 Ом, время протекания тока короткого замыкания через токоограничительный резистор - не более 500 мс при величине тока короткого замыкания 6000 А, время протекания тока нагрузки - 1 ч. В качестве токоограничительного резистора используются типовые резисторы для электроподвижного состава: блоки тормозных резисторов электровозов ВЛ-80С типа БТР-171 (или БТР-135).

В качестве выключателя с динамическим приводом используется вакуумный выключатель BB-TEL-10-1000 производства предприятия "Таврида - Электрик" оригинальной конструкции с двумя вакуумными разрывами цепи тока. Время замкнутого состояния контактов вакуумного выключателя при протекании номинального тока понизительного трансформатора не ограничено. Эффективность токоограничительного устройства зависит от быстродействия выключателя с динамическим приводом. Полное время отключения указанного выключателя типа BB-TEL-10-1000 составляет не более 25 мс.

Датчик тока представляет собой устройство с измерительным блоком в виде промышленно изготавливаемого трансформатора типа ТПЛУ-10-1500 и пороговым элементом с перестраиваемым порогом срабатывания по току. В качестве измерительного трансформатора тока, который устанавливается в силовой цепи выключателя ввода используется типовой измерительный трансформатор тока, устанавливаемый на выключателе. Его замена не требуется.

Логический блок и блок управления выключателем с динамическим приводом являются оригинальными схемами автоматики, разработанными специально для данного типа токоограничивающих устройств.

Список литературы
1. Технический анализ работы хозяйства электроснабжения в 1992 году. Отчет за 1992 год. - М.: МПС Управление электрификации и электроснабжения, 1993. - 89 с.

2. ГОСТ 11677-86. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

3. РД16. Руководящий документ. Трансформаторы силовые. Расчет электродинамической стойкости обмоток при коротком замыкании. Утв. бывш. Минэлектротехпром СССР в 1977 г.

4. ОВБ 220 347. Расчет механической прочности узлов активной части трансформатора ТДТН-40000/110. Всесоюзный институт трансформаторостроения, 1976.

5. Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А., под ред. Колилова И.П. Электрические машины: Трансформаторы. Учебное пособие для электромех. спец. вузов.- М.: Высш. шк., 1989. - 352 с.

6. ГОСТ 27514-87. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением выше 2 кВ.- М.: Изд-во стандартов, 1988.

7. Патент Великобритании N 2137444, МКИ 3 НО 2 H 9/02// Изобретения стран мира. 1985, N 10.

8. Материалы школы передового опыта.- М.: ЦНИИТЭИ МПС, 1992. - 32 с.

9. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения. Под ред. Баумштейна И.А., Бажанова С.А. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 768 с.

10. Фигурнов Е. П. Релейная защита устройств электроснабжения железных дорог. Учебник для вузов ж.д. трансп. - М.: Транспорт, 1981. - 215 с.

Изобретение относится к электроснабжению электрических железных дорог. Устройство содержит токоограничительный резистор, который зашунтирован выключателем с динамическим приводом. В силовую цепь выключателя с динамическим приводом включен датчик тока. Параллельно токоограничительному резистору установлен датчик напряжения. Информация от датчика тока и датчика напряжения поступает в логический блок, туда же поступает сигнал с измерительного трансформатора тока. Сигнал с выхода логического блока поступает на вход блока управления выключателем, который связан с выключателем с динамическим приводом. Технический результат - повышение эффективности защиты понизительного трансформатора и уменьшение потерь энергии. 1 ил.

Устройство для защиты понизительного трансформатора от динамических и термических воздействий токов короткого замыкания, содержащее понизительный трансформатор, выключатель ввода, измерительный трансформатор тока, шунтирующий разъединитель и контур заземления подстанции, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включены токоограничительный резистор, выключатель с динамическим приводом, датчик тока, логический блок, датчик напряжения и блок управления выключателем, причем токоограничительный резистор включен между выводом одной фазы выключателя ввода и контуром заземления подстанции, параллельно токоограничительному резистору подключен выключатель с динамическим приводом с установленным в его силовой цепи датчиком тока, сигнал от датчика тока подается на первый вход логического блока, на второй вход которого поступает сигнал от измерительного трансформатора тока, а третий вход логического блока соединен с выходом датчика напряжения, вход которого присоединен параллельно токоограничительному резистору, выход логического блока присоединен на вход блока управления выключателем, блок управления выключателем связан с выключателем с динамическим приводом, причем логический блок при поступлении на его первый вход сигнала от датчика тока о возникновении тока короткого замыкания или тока перегрузки обеспечивает выдачу сигнала блоку управления выключателем о необходимости отключения выключателя с динамическим приводом, а при поступлении на второй вход логического блока
сигнала с измерительного трансформатора тока, не превышающего порогового значения, логический блок после выдержки времени обеспечивает выдачу сигнала блоку управления о необходимости включения выключателя с динамическим приводом.