Плата ввода дискретных сигналов (ПВ l) содержит 16 универсальных ячеек ввода, преобразующих входные сигналы постоянного или переменного тока напряжением 220 В (или 110 В) в логические уровни микросхем.
Плата вывода дискретных сигналов (ПВ2) содержит 15 электромагнитных реле и транзисторный ключ с оптоэлектронной развязкой. Малогабаритные реле обеспечивают требуемую гальваническую развязку. Транзисторные ключи используются в цепях отключения ВВ для увеличения быстродействия защит, работающих без выдержки времени.
Модуль питания (МП) преобразует первичное напряжение питания (постоянное, переменное или выпрямленное) в три вторичных напряжения постоянного тока, необходимых для работы блока БЗА: +5 В и ± 15 В. Модуль питания не чувствителен к изменению полярности постоянного или выпрямленного питающего напряжения и обеспечивает нечувствительность устройства ЦЗА-27,5-ФКС к перерывам питания до 1 с.
В состав блока управления входит плата контроллера и плата индикации.
Связь блока управления с БЗА осуществляется по соединительному кабелю SCFI4. С помощью БУ осуществляется управление работой всего устройства ЦЗА-27,5-ФКС в режиме местного управления. Для этого на лицевой панели БУ расположены соответствующие кнопки и светодиоды.
3.2 Система защит при использовании ЦЗА-27,5-ФКС
Современным микропроцессорным устройством защиты питающей линии контактной сети 27,5 кВ является устройство цифровой защиты и автоматики питающей линии контактной сети 27,5 кВ ЦЗА-27,5-ФКС.
а) Токовая отсечка (ТО) является защитой мгновенного действия на отключение по значению первой гармонической составляющей тока. Время срабатывания ТО при кратности тока короткого замыкания по отношению к току уставки 1,2 не более 25 мс, а при кратности 2,0 - не более 20 мс.
б) Токовая отсечка по мгновенному значению тока (ТО 2) является защитой с мгновенным действием на отключение. При этом уставка по току для ТО2 вводится, соответственно, в мгновенных значениях тока.
При выборе уставки ТО 2 следует учитывать, что в аварийной ситуации мгновенное значение тока может превышать действующее значение установившегося тока короткого замыкания в 2,82 раз (IТО2 2,82 IТО).
Время срабатывания ТО 2 при кратности тока короткого замыкания по отношению к току уставки 1,2 не более 12 мс, а при кратности 2…7 мс.
в) Дистанционная защита, реализуемая в устройстве ЦЗА-27,5-ФКС, имеет четыре ступени. Первая ступень дистанционной защиты может быть выбрана как направленной, так и ненаправленной, с помощью соответствующего программного ключа.
Ненаправленная дистанционная защита (ННДЗ) является защитой на отключение по значению модуля полного сопротивления. ННДЗ может работать с блокировкой по току или блокировкой по напряжению. Время срабатывания ННДЗ при кратности тока короткого замыкания по отношению к току уставки 1,2…40 мс, а при кратности 2…35 мс.
Направленная дистанционная защита (НДЗ) является защитой на отключение или сигнализацию. Зоны срабатывания первых трёх ступеней НДЗ имеют вид секторов на плоскости комплексного сопротивления, ограниченных сверху дугами, соответствующими значению уставки по модулю полного сопротивления, и двумя значениями углов, задаваемых своими уставками по углу.
НДЗ первой ступени (НДЗ1) является защитой мгновенного действия, а остальные ступени (НДЗ2 НДЗ4) являются НДЗ с программно задаваемой задержкой времени срабатывания. Время срабатывания НДЗ1 при кратности тока короткого замыкания по отношению к току уставки 1,2 не более 40мс, а при кратности 2,0 - не более 35мс
Для защиты от близких КЗ, вызывающих существенное снижение напряжения, первые три ступени НДЗ автоматически резервируются соответствующими ступенями резервной токовой защиты (РТЗ1 РТЗ3). Причем НДЗ2 и РТЗ2, а также НДЗ3 и РТЗ3 имеют соответственно единые элементы выдержки времени. Автоматическое переключение на РТЗ осуществляется при значении напряжения на питающей линии ниже значения константы минимального напряжения, равной 3% от номинального напряжения.
Третьи ступени НДЗ и РТЗ могут работать на отключение или на сигнализацию.
Предусмотрена программная отстройка второй и третьей ступеней НДЗ от токов тяговой нагрузки в контактной сети и от бросков токов намагничивания в трансформаторах электровозов. Отстройка осуществляется путем коррекции измеренного действующего значения первой гармонической составляющей тока питающей линии и измеренного значения полного сопротивления нагрузки питающей линии, если коэффициент гармоник (Кгу) превышает заданную уставку.
Четвертая ступень НДЗ (НДЗ4) имеет зону срабатывания на плоскости комплексного сопротивления в виде четырехугольника, ограниченного:
- слева - положительными значениями активного сопротивления;
- справа - уставкой по значению полного сопротивления;
- снизу и сверху - уставкой по модулю реактивного сопротивления.
С целью отстройки от токов нагрузки в контактной сети предусмотрена блокировка НДЗ4 при превышении значением коэффициента гармоник величины соответствующей уставки Кгу. Для отстройки от уравнительных токов предусмотрена блокировка по условию примерного равенства токов смежных питающих линий - |I1-I2| < 20 А.
Четвертая ступень НДЗ может работать на отключение или на сигнализацию.
Таким образом, используя ЦЗА-27,5-ФКС полностью удовлетворяются требования [1,2]. При этом зона, отключаемая со временем 0,45 с. Составляет 40 % (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 - Зоны отключения
3.3 Пост секционирования контактной сети переменного тока с интеллектуальными терминалами ИнТер
Современный пост секционирования на выключателях отличается введением новых функций: определением устойчивого (проходящего) в отключенной контактной сети и определением места повреждения [4].
Указанные функции пост секционирования приобрел в связи с включением на каждом выключателе питающей линии контактной сети интеллектуального терминала присоединений (далее -- терминала) серии ИнТер (рисунок 3.4). Разработчик и изготовитель поста секционирования терминала ИнТер ООО «НИИЭФА-ЭНЕРГО». При совместном применении этих функций, в частности после аварийного отключения выключателя и определения места повреждения, решается вопрос о возможности повторного включения выключателя.
По каналам ТУ - ТС телемеханики информация от терминала ИнТер передается в диспетчерскую для принятия соответствующих мер по восстановлению напряжения (автоматически или оперативно энергодиспетчером).
Рисунок 3.4 - Схема поста секционирования НИИЭФА-ЭНЕРГО для двухпутных участков железных дорог ПСК-27,5 с интеллектуальными терминалами ИнТер
Где 1QП1-4QП1 - выключатель поста секционирования; 1TA1-4TA1, ТА1, TA2 - трансформатор тока; 1TV1-4TV1 - трансформатор напряжения; 1FV1-4FV1 - ограничитель перенапряжения; 1FU1-4FU1 - предохранитель;
A1 - шкаф управления питающих линий; A2 - шкаф телемеханики;
1A1-4A1 - терминал ИнТер.
Введение функции определения устойчивого (проходящего) стало возможным в связи с наличием в проектном варианте поста секционирования трансформаторов напряжения ТV на каждой питающей линии контактной сети
Разберем принцип работы рассматриваемых функций:
а) Функция определения устойчивого (проходящего) КЗ в отключенной контактной сети по остаточному напряжению.
После аварийного отключения выключателя, питающего контактную сеть, на котором произошло КЗ, электровозы некоторое время (до 1,5…2 с) продолжают генерировать напряжение от асинхронной машины -- фазорасщепителя «старых» электровозов (например, ВЛ-80С) или от асинхронных вспомогательных машин собственных нужд «новых» электровозов [8] (например, 2ЭС5К, 3ЭС5К, рисунок 3.5)
Рисунок 3.5 - Упрощенная схема питания вспомогательных машин (ВМ) переменного тока с вращающимся фазорасщепителем (ФР), пусковым двигателем (ПД) (а), со статическим конденсаторным расщепителем фаз (б) Где Тр -- трансформатор; Сф -- симметрирующий конденсатор; Сп -- пусковой конденсатор; К -- главный выключатель электровоза; Км, Км2 - пускатели асинхронных машин; Км1 -- переключатель конденсаторов.
В последние годы в электровозах «Ермак» устанавливают дополнительно пусковой двигатель НБА55, работающий без нагрузки и выполняющий функции расщепителем фаз. Указанный момент увеличивает общую мощность асинхронной нагрузки.
Генерируемое напряжение асинхронных машин в режиме выбега называют остаточным. При работающих машинах его частота постепенно снижается: за 2 с на 46…47 Гц и ниже. Тем самым асинхронные машины генерируют напряжение частотой ниже 50 Гц. Обычно контролируется напряжение частотой 48…48,5 Гц, наличие которого определяет:
- отсутствие в контактной сети;
- отключение всех источников напряжения частотой 50 Гц на рассматриваемом участке контактной сети.
Общая мощность вспомогательных машин на электровозах переменного тока (мотор - вентиляторы, мотор - компрессоры) составляет 7…10 % от общей мощности тяговых двигателей при потреблении ими до 10 % электроэнергии, затрачиваемой на тягу. Мощность фазорасщепителя соизмерима с мощностью вспомогательных машин. Таким образом, мощность асинхронных двигателей такова, что можно достаточно точно измерить остаточное напряжение с помощью трансформатора напряжения ТН-27,5 кВ, установленного в тяговой сети (например, у тяговой подстанции).
При устойчивом КЗ в любой точке тяговой сети систем 27,5 и 2Ч25 кВ указанное напряжение близко к нулю, так как сопротивление асинхронных двигателей электровоза на несколько порядков больше сопротивления тяговой сети [11]. Если остаточное напряжение близко к нулю, то это является условием необходимости блокировки автоматического повторного включения (АПВ).
Время быстродействующего автоматического повторного включения.
Практика работы быстродействующего АПВ (БАПВ) со временем 0,5 с на Горьковской железной дороге показала, что могут быть случаи повторного после срабатывания БАПВ (т.е. случаи неуспешного срабатывания БАПВ, по опыту эксплуатации их не более 5 % от всех аварийных отключений). Это объясняется тем, что обычно остаточное напряжение не более 6…10 кВ, а при включении выключателя подается в контактную сеть напряжение 27,5 кВ.
Анализ аварийных ситуаций показал, что в связи со спецификой процесса деионизации дуги в месте повреждения в тяговом электроснабжении с ростом времени бестоковой паузы в пределах 0,5…2 с. растет надежность повторного включения. При этом следует учесть особенности работы электрифицированного участка.
Для удержания схемы диодного электроподвижного состава (далее ЭПС) в тяговом режиме следует вводить БАПВ со временем задержки 0,5…0,7 с. Это требование распространяется на участки с тяжеловесным движением и с подъемами свыше 6 ‰. На равнинных участках с подъемами менее 6 ‰ в случае бестоковой паузы более 0,5…0,7 с, схема ЭПС также будет разбираться, и состав остановится, однако после остановки поезд самостоятельно, без вспомогательного электровоза, сможет продолжить движение. К сожалению, у ЭПС с выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИП) даже при кратковременном исчезновении напряжения в контактной сети (0,2…0,3 с) система управления тиристорами теряет синхронизацию с сетью. Поэтому «удержание» ЭПС в тяговом режиме при БАПВ исключается. При этом в ряде публикаций (например, при испытаниях автоматической нейтральной вставки в контактной сети) утверждается необходимость модернизации схем электровоза для сохранения тягового режима ЭПС при кратковременных исчезновениях напряжения в контактной сети.
Если говорить об удержании схемы постов секционирования на разъединителях, во включенном состоянии, в аварийной обстановке на контактной сети, то здесь время БАПВ можно установить в пределах 0,5…2 с.
В частности, при БАПВ в 2 с время «разбора» поста секционирования должно быть 2,5…3 с.
Таким образом, БАПВ следует выполнять со временем 0,5 с для удержания схемы диодных ЭПС в тяговом режиме на участках с подъемами более 6 ‰ на период аварийного процесса в тяговой сети. В остальных случаях БАПВ можно выполнять с повышенным временем до 2 с. Как следствие указанного момента: на каждой меж подстанционной зоне следует рассчитывать время задержки БАПВ в пределах 0,5…2 с.
Итак, особенностью функции определения устойчивого КЗ, основанной на остаточном напряжении, является кратковременность его действия, т.е. с его помощью можно формировать только быстродействующее АПВ (т.е. БАПВ со временем 0,5…2 с). Для определения устойчивого (проходящего) КЗ через более длительный промежуток времени используют факт наличия наведенного напряжения в отключенной контактной сети.
б) Функция определения устойчивого (проходящего) КЗ в отключенной контактной сети по наведенному напряжению.
Наведенное напряжение в отключенной контактной сети формируется от контактной сети соседнего пути и (или) от линии ДПР. От контактной сети соседнего пути в системах электроснабжения 27,5 и 2Ч25 кВ наведенное напряжение составляет 3…5 кВ и более.
При устойчивом КЗ наведенное напряжение электрического характера приближается к нулю. Что касается наведенного напряжения магнитного характера, то оно зависит от нагрузки контактной сети соседнего пути. Но в любом случае оно значительно меньше наведенного напряжения электрического характера.
Следует учесть особенности наведенного напряжения:
- при отключении в отключенной контактной сети раньше возникает остаточное напряжение от асинхронных машин ЭПС и только через 1,5…2 с после отключения собственных нужд электровоза, т.е. после исчезновения остаточного напряжения появляется наведенное напряжение. Это обстоятельство ограничивает возможности наведенного напряжения в реализации БАПВ и применяется при АПВ со временем задержки более 2…3 с, кроме того, наведенное напряжение успешно применяется при отыскании зоны повреждения без опробования изоляции контактной сети путем включения выключателей;
- в классической схеме защиты меж подстанционной зоны, когда при отключается «четвертушка» меж подстанционной зоны, для основного АПВ (АПВ 2) применяется контроль по наведенному напряжению, т.е. при устойчивом КЗ вводится блокировка АПВ на выключатели поста секционирования.