8.3. Захист від малого струму к.З.

Можливі різні варіанти і принцип дії захисту від малого струму|токів| короткого замикання. В даний час|нині| існує безліч методів захисту тягової мережі|сіті| від к.з., особливо від малих струмів|токів| к.з. Тому всі методи можна розділити на ряд|лаву,низку| підгруп за принципом дії [3]|:

* збільшення струмів к.з.;

* зв'язок між суміжними автоматичними вимикачами;

* влаштування|устрій| постів секціонування;

* потенційні захисти;

* відмінність|відзнака| режиму к.з. від нормального;

* по нагріву контактного проводу|проводу| і ін.

Збільшення струму|токів| к.з. веде до значення, за якого спрацьовує лінійний вимикач. Це найбільш| просто здійснюють за допомогою короткозамикача|. В цьому випадку ділянка тягової мережі|сіті| секціонується| і паралельно секційному ізолятору підключається котушка|катушка| короткозамикача| (рис. 8.5).

При протіканні через котушку|катушку| струму вищого за струм|тік| уставки| коротко-|току|

	замикача | він спрацьовує, тобто замикаються його контакти, через котушку|катушку| почне|розпочне,зачне| протікати вже збільшений струм|тік| к.з., що визначений довжиною секції тягової мережі|сіті| до короткозамикача |.
Рис.8.5. – Схема захисту від струмів к.з. короткозамикачем

Секція за короткозамикачем | буде знеструмлена, тобто в ній припиниться протікання аварійного струму|току|. Короткозамикач буде включений до тих пір, поки на тяговій підстанції не спрацює лінійний вимикач БВ і через котушку|катушку| короткозамикача | не припиниться протікання струму|току|.

Власний час спрацьовування короткозамикача | вищий, ніж у|в,біля| швидкодіючого вимикача, оскільки|тому що| цей час визначається зазором між силовими контактами, який не може дорівнювати нулю. Умова надійної роботи захисту:

I_кз.мин > 1,5I'_л.мах. (8.5)

де I'_л.мах.— максимальне розрахункове значення струму|току| навантаження, що протікає через котушку|катушку|

короткозамикача, кА |.

Струм|тік| уставки| короткозамикача | приймають рівним (1,15 – 1,2) I'_л.мах .

Іноді|інколи| для того, щоб дотриматися умови (8.5), доводиться|припадає,приходиться| ділянку живлення|харчування| розбивати не на дві, а на три і більше секцій.

Як з'ясовується з опису захисту, він відносно простий, але|та| має два істотних|суттєвими| недоліки - через| контакти короткозамикача | у момент його спрацьовування протікає великий струм|тік| - струм|тік| к.з., що може призвести до їх зварювання. Для того, щоб це не відбулося, необхідно виготовляти контакти масивними, але|та| це збільшує значно габаритні розміри короткозамикача | і власний час спрацьовування; короткозамикач| необхідно встановлювати на лінії, щоб він був доступним для огляду і регулювання, тобто для його установки потрібна спеціальна камера з|із| кабелями, що підводять струм. Останнє збільшує вартість захисту, а кабель, який підводять, є|з'являються,являються| додатковим елементом, що зменшує надійність ТМ|сіті|.

При двосторонньому|двобічному| живленні|харчуванні| ділянки тягової мережі|сіті| застосовують захист з|із| блокуванням лінійних вимикачів двох сусідніх тягових підстанцій, що живлять|почувають| одну ділянку тягової мережі|сіті|, тобто при аварійному відключенні одного з лінійних вимикачів одночасно відключається і лінійний вимикач іншої підстанції, що блокується з|із| ним, Це, природно, вимагає прокладки|прокладення| між підстанціями контрольного кабелю або повітряної лінії зв'язку, що збільшує вартість захисту і зменшує його надійність. При блокуванні між собою лінійних вимикачів уставку| кожного з них визначають вже не значенням струму|току| к. з. в кінці|у кінці,наприкінці| ділянки, а його значенням у середині ділянки. Дійсно, при к. з. у точці|точці| за серединою ділянки зростає струм|тік| к. з. для вимикача, що розташований|схильного| ближче до цієї точки|точки|, і його відключення викличе|спричинить| відключення і другого лінійного вимикача, для якого зменшене значення струму|току| к. з. і який би не відключився, якби лінійні вимикачі не блокувались між собою. Такий спосіб захисту від струму|току| к. з. знайшов широке застосування|вживання| на тяговій мережі|сітях| метрополітену.

Рис. 8.6 – Схема захисту від струмів к.з. за допомогою поста секціонування

Якщо необхідно, щоб при виникненні к.з. відключилася тільки|лише| частина|частка| ділянки, проводять|виробляють,справляють| секціонування за допомогою додаткового швидкодіючого автоматичного вимикача (рис.8.6). У цьому випадку БВ2 поста секціонування може мати уставку помітно нижче уставки БВ1 тягової підстанції.

Тоді умови надійної роботи захисту:

I_кз.мин > 1,5I''_л.мах., (8.6)

де I''_л.мах — максимальне розрахункове значення струму|току| навантаження, що протікає через

котушку|катушку|, що відключається, швидкодіючого вимикача поста, кА|посту|.

Такий спосіб захисту може застосовуватися і при двосторонньому|двобічному| живленні|харчуванні| ділянки, але|та| необхідний| швидкодіючий автоматичний вимикач, що реагує на напрям струму|току||. Цей надійний вид захисту застосовують на магістральних залізницях і на вилітних| лініях МЕТ. Основні недоліки|нестачі| цього захисту — необхідність камери, в якій встановлюють автоматичний вимикач; пристрій|устрій| системи АПВ і підвід до неї живлення|харчування| від додаткового джерела енергії.

У разі|в разі| потенційного захисту між контактним проводом|проводом| і рейками або між контактними проводами|проводами| тролейбуса різної полярності в кінці|у кінці,наприкінці| ділянки підключають реле напруги|напруження|. При виникненні к.з. до реле напруги|напруження| не поступає|надходить| живлення|харчування|, його контакти розмикаються і впливають на відключення лінійного вимикача тягової підстанції (рис.8.7, а).

У цій схемі потрібні два проводи|проводи| зв'язку від реле напруги|напруження| до тягової підстанції. Реле необхідно встановлювати в кінці|у кінці,наприкінці| ділянки, що не завжди зручно виконати. Тому для тягової мережі|сітей| трамвая розроблена схема з|із| одним проводом|проводом| на напругу|напруження| тягової мережі|сіті| і установкою реле напруги|напруження| на тяговій підстанції (рис.8.7, б). Схема надійна, оскільки як при к.з. на ділянці, так і при обриві|урвищі| лінії зв'язку захист відключає ділянку.

Рис. 8.7. Потенційний захист: а — з|із| двопровідною лінією зв'язку;

б — з|із| однопровідною| лінією зв'язку

При к.з. до реле прикладається напруга|напруження|, що дорівнює втраті напруги|напруження| в рейковій мережі|сіті|. Опір рейкової мережі|сіті| у декілька разів менший опору контактної мережі|сіті|. Тому при виникненні к.з. завжди дотримуватиметься співвідношення

U_р.mіn < 0,5U_ТП, (8.7)

яке необхідно витримувати для чіткої дії захисту, оскільки|тому що| в процесі експлуатації втрата напруги|напруження| в ТМ не повинна перевищувати 0,3U_ТП. У формулі (8.7) U_р.mіn- напруга|напруження|, що прикладена до реле потенційного захисту в режимі к.з.; U_ТП - напруга|напруження| на шинах ТП.

З|із| достатнім ступенем|мірою| точності U_р.mіn може бути визначене як

, (8.8)

де r_кс і r_рс — відповідно опір 1 км контактної і рейкової мережі|сіті|.

Оскільки|тому що| розглядається|розглядується| випадок малих значень струмів|токів| к.з., тобто коли r_кс ·l R₀, то з|із| достатньою точністю можна вважати|лічити|, що

. (8.9)

Для реальних значень параметрів ТМ трамвая одержуємо|отримуємо|, що U_р.mіn ≈ 0,1U_ТП при к.з. Для тролейбуса слід приймати r_кс = r_рс, оскільки|тому що| опір проводів|проводів| позитивної і негативної|заперечної| полярності однаковий. Тому для мережі|сіті| тролейбуса U_{р.mі n} = 0,5U_ТП і варіант схеми (рис.8.7,б) непридатний.

Основним недоліком|нестачею| будь-якого потенційного захисту є|з'являється,являється| необхідність влаштування|устрою| додаткової лінії зв'язку, а також втрата швидкодії схеми, оскільки|тому що| першим спрацьовує реле напруги|напруження| і лише після|потім| цього відключається лінійний вимикач.

Захист, заснований на відмінності|відзнаці| протікання режиму к.з. в тяговій мережі|сіті| від нормального режиму, найрізноманітніший. Найбільш поширені три варіанти.

Відмінність|відзнака| в тривалості протікання максимального струму|току| і струму|току|

к.з. через живильну|почуваючу| лінію. Як правило, максимальний струм|тік| через живильну|почуваючу| лінію протікає протягом часу, що дорівнює тривалості максимального струму|току| потягу|поїзда|. При застосуванні|вживанні| на ЕРС послідовно-паралельного з'єднання|сполучення,сполуки| і ослаблення|ослабіння| збудження двигунів, цей час може бути визначений з|із| кривої споживаного потягом струму|току| (рис.8.8) і не перевищує декількох секунд. Так, для трамвая воно складе не більше 3-4 с|із|, для тролейбуса — не більше 1-2 с. Тому, якщо для захисту застосувати максимальний струмовий захист з|із| витримкою|витягом| часу, в якому струм|тік| уставки| максимального реле буде менше мінімального струму|току| к.з., а час витримки|витягу| реле часу буде більше тривалості протікання максимального струму|току| лінії, такий захист даватиме сигнал на відключення лінійного вимикача у разі|в разі| виникнення к.з.

Принципова схема захисту зображена|уявлена| на рис. 8.9 і включає реле струму|току| Т, що підключається до шунта, включеного в живильну|почуваючу| лінію; реле часу В і проміжне реле П, що діє на відключення лінійного вимикача БВ|.

Рис.8.8 - До визначення тривалості максимального струму живильної лінії

Рис.8.9 - Захист від малого струму к.з. за витримкою часу

Якщо такий захист виконується на звичайних|звичних| реле, то зважаючи на|внаслідок,унаслідок| їх часте спрацьовування (особливо реле часу) вона швидко виходить з|із| ладу|строю,буд|.

Є|наявний| напівпровідникові реле, що не мають механічних частин|часток|, і максимальний струмовий захист з|із| витримкою|витягом| часу, зібраний|повизбируваний| на таких реле, має необхідну надійність в роботі. В той же час у|в,біля| захисту є|наявний| принциповий недолік|нестача|: за час, протягом якого відбудеться відключення пошкодженої ділянки, може відбутися перепал контактного проводу|проводу|, якщо к. з. супроводжується|супроводиться| електричною дугою або контактний провід|провід| нагріється до неприпустимої|недопустимої| температури. Живлення|харчування| реле від шунта, хоч і надійне, але|та| призводить|призводить,наводить| до додаткових втрат енергії, оскільки|тому що| шунт повинен бути розрахований на відносно великі втрати напруги|напруження| (до 1,0 В).

Відмінність|відзнака| швидкості наростання струму|току| к.з. у живильній|почуваючій| лінії і швидкості наростання струму|току| навантаження. Як правило, швидкість наростання струму|току| навантаження менше швидкості наростання струму|току| к. з., оскільки|тому що| в колі|цепі| навантаження включена індуктивність тягових двигунів.

Практично такий захист здійснюють підключенням паралельно відключаючій котушці|катушці| направленого|спрямованого| швидкодіючого автоматичного вимикача індуктивного шунта, який виконують у вигляді шини, на яку надягають|надівають| пакети пластин з|із| трансформаторної сталі.

Рис.8.10 – Схема заміщення швидкодіючого автоматичного вимикача з індуктивним шунтом: і – струм у колі живильної лінії; ік – струм у вимикаючої котушці; іш – струм в індуктивному шунті; Rк і Rш – опір відповідно вимикаючої котушки і індуктивного шунта; Lк і Lш – індуктивність відповідно вимикаючої котушки і індуктивного шунта

Для схеми заміщення (рис. 8.10) можна скласти рівняння:

, (8.10)

Разв^,язуючи|рішаючи| цю систему рівнянь, одержимо|отримаємо|:

. (8.11)

Оскільки|тому що| L у перехідному процесі в багато раз|якщо| більше втрати напруги|напруження| на активних опорах, можна прийняти, що

, (8.12)

. (8.13)

У виразі|вираженні| (8.13) і_о- струм|тік| у відключаючий котушці|катушці| до моменту к.з. З|із| виразу|вираження| (8.13) виходить, що якщо L_ш >> L_к, все значення приросту струму|току| при перехідному процесі протікатиме через відключаючу котушку|катушку| швидкодіючого вимикача. В той же час слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | в окремих випадках перехідний процес при віддаленому к|віддаленому|.з. і при перевантаженні струм протікає майже однаково, як через котушку, так і через шунт, що затрудняє чітке визначення аварійної ситуації. Тому такий захист застосовують тільки|лише| для збільшення надійності спрацьовування БВ| і найчастіше — в тяговій мережі|сітях| магістральних залізниць постійного струму|току|.

Захист — по стрибку струму|току| — заснований на тому, що при виникненні к.з. приріст струму|току| буває, як правило, вищим, ніж при зміні навантаження. Зміну струму|току| навантаження визначають зміною струму|току| одного потягу|поїзда|, яка відносно невелика. Для того, щоб захист чітко спрацював, необхідне дотримання умови:

ΔI_кз > к_зап| ΔI_н, (8.14)

де ΔI_кз - приріст струму при виникненні замикання в найвіддаленішій точці

ділянки живлення, А;

ΔI_н - найбільш вірогідний приріст струму в навантаженні, А;

к_зап - коефіцієнт запасу; визначає надійність роботи захисту (к_зап = 1,2 - 1,3).

Рис. 8.11 - Принцип дії захисту по стрибку струму

Захист по стрибку струму|току| може бути виконаний за схемою (рис.8.11) з використанням трансформатора струму|току| ТТ| і поляризованого струмового реле КА. Поляризоване

реле необхідне, щоб захист спрацьовував тільки|лише| на позитивний стрибок| струму|току|. Щоб магнітопровід трансформатора струму|току| не насищався|насичувався|, він повинен мати повітряний зазор.

Якщо струм|тік| живильної|почуваючої| лінії I_л, що протікає первинною обмоткою трансформатора струму|току|, не змінюється, то електрорушійна сила (е.р.с.) вторинної|повторної| обмотки е дорівнює нулю; при зміні і_л у вторинній|повторній| обмотці виникає е.р.с.

(8.15)

де М - взаємна індуктивність обмоток трансформатора струму|току|.

Під дією е.р.с. у вторинному|повторному| контурі з|із| сумарною індуктивністю L і опором R виникне струм|тік| і_р, для контуру буде справедливий вираз:|вираження|

(8.16)

або, прийнявши, що τ_р = L/R— постійна часу вторинного|повторного| контуру, одержимо|отримаємо|

. (8.17)

Якщо вибрати значення τ_р достатньо|досить| великим, то можна буде нехтувати першим членом у виразі|вираженні| (8.17), тоді

, (8.18)

звідки витікає, що

, (8.19)

де і_л1 і і_л2— сталі значення струму|току| живильної|почуваючої| лінії на початку і в кінці перехідного процесу.

Після|потім| інтегрування маємо, що

, (8.20)

де| - стрибок| струму живильної лінії.

Значення стрибка струму|току| при к.з. ΔI_кз може бути визначене з|із| еквівалентної схеми (рис.8.12), якщо вважати|лічити|, що в місці к.з. прикладається напруга|напруження| U_кз, зворотна за знаком напрузі|напруженню| КМ |сіті| в місці к.з. до його виникнення, а дійсні навантаження від потягів|поїздів| замінити їх динамічними опорами R_Д, що дорівнюють

, (8.22)

де R_до - дійсний опір силового кола|цепу| потягу|поїзда|, Ом;

е - е.р.с. двигунів потягу|поїзда|, що приведена до його струмоприймача, В|.

R_gm- опір потяга, Ом.

Рис.8.12 - Схема заміщення тягової мережі для визначення стрибка струму

Результати розрахунків показують, що приріст струму|току| при к.з. більший, ніж при навантаженні, тоді як швидкість наростання струму|току| віддаленого|віддаленого| к.з. співрозмірна| зі швидкістю наростання струму|току| навантаження або навіть менше за неї. Тому захист, що побудований|споруджений| на вимірюванні|вимірі| стрибка струму|току|, надійніший, ніж захист, який заснований на вимірюванні|вимірі| швидкості наростання струму|току|. Крім того, він має необхідну швидкодію.

При двосторонньому|двобічному| живленні|харчуванні| захист по стрибку струму|току|, як правило, непрацездатний, тому що|бо| при будь-якому відключенні живлення|харчування| з другого боку|з іншого боку| ділянки одержуємо|отримуємо| кидок струму|току|, що викликає|спричиняє| помилкове спрацьовування захисту.

При виникненні к.з. в окремій точці ТМ|сіті|, тобто при малому струмі|току| к.з., і неспрацьовуванні максимального захисту небезпечним є|з'являється,являється| перегрів контактного проводу|проводу|. При перегріві КП втрачає|розгублює| свої механічні властивості, починає|розпочинає,зачинає| подовжуватися|довшати| і можливий його обрив|урвище|. Тому при створенні|створінні| захисту| від малих струмів|токів| к.з. в першу чергу|передусім,насамперед| прагнуть знеструмити саме КП,|провід| щоб уникнути надмірного нагріву, тобто здійснити своєчасне відключення аварійної ділянки КМ|сіті|.

В основу такого захисту входять електронні моделюючі пристрої|устрої|, що дозволяють забезпечити безперервне стеження за тепловим станом КП|проводу|. В основу такого пристрою|устрою| може бути покладена властивість електричного RC-ланцюга|цепу|, напруга|напруження| на конденсаторі якого змінюється за експоненціальним законом подібно до експонента нагрівання й охолоджування КП.

Можливий простіший і достатньо|досить| надійніший пристрій|устрій|, коли в розтин живильної|почуваючої| лінії включають відрізок КП того ж типу і перерізу, як і КМ|сіть|. При нагріванні відбувається|походить| подовження|видовження| цього відрізка проводу|проводу| і при певному подовженні|видовженні|, яке відповідає небезпечній температурі, він натискає|натискує| на мікровимикач, що подає сигнал на відключення лінійного вимикача.

Кожний з розглянутих|розгледіти| видів захисту| від малих струмів|токів| к.з. має свої достоїнства й недоліки|нестачі|. Тому доцільно їх застосування|вживання| в комплексі, але|та| це зменшує надійність, ускладнює настройку захисту і збільшує її вартість. Доцільнішим в цьому випадку є|з'являється,являється| застосування|вживання| мікропроцесора як елементу захисту, працюючого на порівнянні реального режиму з|із| допустимими. При будь-якій відмінності|відзнаці| цих режимів система дає сигнал на відключення лінійного вимикача. Така система захисту знаходиться|перебуває| у стадії розробки.

Контрольні питання до розділу 8

1. Які види замикання в тягової мережі?

2. Які існують захисти від струмів к.з.?

3. У чому полягає нестійкість к.з. у ТМ?

4. Призначення АПВ.

5. Як аналітично визначаються струми к.з. і дати характеристику параметрів, що входять у формулу?

6. У чому особливості розрахунку струмів к.з.?

7. У чому полягає необхідність визначення сталих струмів I_{к.з. max} й I_к.з.min?

8. Умова надійної роботи захисту від струму к.з.?

9. Як визначається струм уставки лінійного вимикача?

10. Пояснити поняття “мертва зона”.

11. Які існують способи усунення “мертвих зон” без додаткових захистів від малих струмів короткого замикання?

12. Принцип роботи короткозамикачів.

13. Як визначається струм уставки короткозамикачів?

14. У яких випадках застосовуються пости секціонування?

15. Умова застосовності посту секціонування?

16. Дати поняття “стрибок струму” живильної лінії.

17. Пристрій захисту по нагріванню КП.

18. У чому перевага захисту “по стрибку струму” стосовно захисту, заснованої на зміні швидкості наростання струму.