Автоматизация систем электроснабжения. Электроснабжение, защита и автоматика устройств СЦБ. Учебное пособие

проводниками фаз и землей; Iф-ф – активно-емкостная составляющая тока, обусловленная наличием активного сопротивления и емкости между проводниками разных фаз линий; Iнагр – активно-индуктивная составляющая тока нагрузки, которой являются трансформаторы ОЛ-1,25/6(10).

При анализе режимов работы устройств в ВЛ СЦБ принимается во внимание практика их сооружения и эксплуатации. Источником питания ВЛ СЦБ являются тяговые или трансформаторные подстанции с основной схемой соединения обмоток «звезда» с изолированной нейтралью. Консольная (односторонняя) схема питания ВЛ СЦБ считается основной с возможностью включения резервного питания через устройства АВР. Величина емкостных токов в фазах этих линий не должна превышать 10 А. Эти токи зависят от уровня напряжения, протяженности линии и собственных емкостных параметров линии. В случае превышения заданных норм емкостных токов используются дугогасящие реакторы.

Как было показано выше, питание сигнальных точек СЦБ осуществляется от ВЛ СЦБ трансформаторами мощностью 1,25 кВ А, первичный ток которых составляет 0,2 или 0,125 А в зависимости от рабочего напряжения ВЛ СЦБ. Тогда можно принять допущение о незначительности влияния токов нагрузки на режимы работы линии, так как они существенно меньше емкостных токов отдельных фаз. Воздушные линии выполнены с учетом механической прочности из стальных проводов с сечением не менее 25 см2 типа ПС-25 или АС-25. В любом случае при консольном питании наиболее удаленной сигнальной точки потеря напряжения от протекания токов не должна превышать 10 %. Однако реально можно ожидать повышение напряжения в этих точках линии на 1−3 % из-за влияния емкостных токов.

Таким образом, при анализе нормальных режимов работы ВЛ СЦБ можно с достаточной степенью точности принять, что величина питающего напряжения будет постоянной и равной номинальному значению. В целом, учитывая невысокие значения потребляемой мощности, трансформаторы тяговых или трансформаторных подстанций можно считать источниками неограниченной мощности.

В устройствах электроснабжения СЦБ можно выделить ряд наиболее часто встречающихся аномальных режимов. Не все из них являются ава-

41

рийными, однако их появление может привести к ухудшению режима работы ВЛ СЦБ, трансформаторов сигнальных точек и др.

К числу наиболее опасных режимов следует отнести:

−замыкание фазы на землю;

−обрыв провода одной из фаз;

−двухили трехфазное короткое замыкание.

Предположим, что на участке к трехпроводной ВЛ СЦБ на дискретных расстояниях, равных длинам блок-участков, подключено 6 однофазных трансформаторов и питание линии осуществляется от трансформатора с изолированной нейтралью, что показано на схеме (рис. 3.2).

CA CB CC

Рис. 3.2. Расчетная схема замыкания фазы А на землю

В схеме обозначения соответствуют: UA,U B ,U C – фазные напряже-

ния обмоток трансформатора; EA,E B ,E C – ЭДС этих фаз. При этом, в силу допуска симметричности системы: EA =U A , EB =U B , EC =U C ;

TV1,…TV6 – трансформаторы сигнальных точек СЦБ; СА, СВ, СС – емкости соответствующих фаз относительно земли.

Внормальном режимеработы напряжения на всех фазах по отношению

кземле одинаковы по модулю и смещены на 120о. Учитывая симметрию проводов ВЛ СЦБ, которая обеспечивается в том числе и транспозицией прово-

дов, можно считать, что СА = СВ = СС, а их сопротивления на рабочей частоте составляют

42

где Суд – емкость одного километра ВЛ СЦБ; l – протяженность ВЛ СЦБ. Протекающий в каждой фазе ток определяется:

Векторная диаграмма, отражающая рассматриваемый симметричный режим работы ВЛ СЦБ, представлена на рис. 3.3, а. В этом режиме потенциалы точек А, В, С равны значениям фазных напряжений, так как потенциал нулевой (нейтральной) точки равен нулю.

При коротком замыкании какой-либо фазы (рис. 3.3, б), например фа-

зы А в точке К, на землю потенциал этой точки принимает нулевое значение, и, следовательно, потенциал нулевой точки источника должен измениться на величину ϕ0 = −EA = −UA . При этом возможными потерями напряжения в

линии пренебрегаем. Тогда изменяются потенциалы остальных неповрежденных фаз В и С до величины линейных напряжений, так как:

В то же время следует отметить, что режим работы трансформаторов сигнальных точек не изменится, так как линейные напряжения UAB ,UBC ,UCA сохраняют свои значения. Произойдет ухудшение условий работы электрической изоляции фаз В и С, что может спровоцировать, например, переход от однофазного замыкания к двухфазному или трехфазному короткому замыканию в системе.

43

Из-за роста потенциалов относительно земли в неповрежденных фа-

зах произойдет увеличение в 3 раз значений емкостных токов, что показывается на временной диаграмме рис. 3.3, б и аналитически выражается следующими выражениями:

44

Построение векторных диаграмм и расчеты показывают, что при коротком замыкании любой фазы на землю ток этой фазы увеличивается в три раза по модулю по сравнению с нормальным режимом работы:

Наибольшие значения емкостных токов будут иметь место в кабельных линиях 10 кВ, а в воздушных линиях величины емкостных токов будут в 10 −20 раз меньше. Учитывая, что имеющиеся нормы не допускают эксплуатации линий на железобетонных опорах 6−35 кВ с током короткого замыкания на землю более чем 10 А (или необходимо использовать дугогасящие реакторы), можно утверждать, что реальные токи замыкания в воздушных ВЛ СЦБ не превышают допустимых норм.

Следовательно, возникающий при коротком замыкании ток при принятых условиях не ухудшает режим работы устройств СЦБ, однако вызывает

увеличение в 3 раз разность потенциалов в других фазах и требует повы-

шенного внимания к электрической изоляции оборудования и устройств СЦБ, в частности к изоляции трансформаторов сигнальных точек.

Рассмотрим случай обрыва фазы ВЛ СЦБ. Расчетная схема для ана-

лиза его работы представлена на рис. 3.4.

45

Если сохранить принятые ранее условные обозначения, то при обрыве фазы А, например в точке К, нормальный режим работыоднофазных трансформаторов TV1, TV2, TV3 и TV5 сохранится. Принципиально изменится режим работы трансформаторовTV4 и TV6, которые через провода фаз А и С соединяются последовательно и окажутся включенными на линейное напря-

жение UВС.

Векторной диаграммой, приведенной на рис. 3.5, поясняется, что при использовании однофазных трансформаторов сигнальных точек СЦБ напряжения на первичных обмотках трансформаторов TV4 и TV6 уменьшаются в два раза. При этом меняется и фаза питающих напряжений. Например, на трансформаторе TV4 произойдет сдвиг фазы на 60 о с опережением. А на трансформаторе TV6 этот сдвиг составит тоже 60о, но с отставанием по фазе от нормального режима. Необходимо также отметить, что между точками разрыва фазы А линии появится опасное напряжение, равноеUК = 0,865Uлин.

Рис. 3.5. Векторная диаграмма при обрыве фазы А в ВЛ СЦБ

Таким образом, при обрыве фазы в точке К возникает аномальный режим работы двух сигнальных точек, вследствие чего срабатывает защита минимального напряжения, и необходимо подключение этих трансформаторов через резервную линию.

Двухили трехфазное короткое замыкание ВЛ СЦБ. Эти режимы сопровождаются резким увеличением токов короткого замыкания до недопустимых значений и требуют немедленного отключения источников питания независимо от места возникновения этого замыкания – в трансформаторе сигнальной точки, в ВЛ СЦБ или в источниках питания. В таких случаях необходим переход на резервное питание сигнальной точки СЦБ от линии ВЛ ПЭС.

46

Однако, если наличие аккумуляторов на малых станциях, которые питаются также от ВЛ СЦБ, реально возможно, что имеет место на практике, то аккумуляторы на каждой сигнальной точке автоблокировки устанавливать невозможно по экономическим условиям.

3.2. Исследование влияния характеристик трансформаторов системы электроснабжения на качество напряжения питания сигнальной точки СЦБ

В соответствии с «Правилами технической эксплуатации железных дорог» напряжение переменного тока питания сигнальных точек должно лежать в пределах Uп = 198–231 В. Регулирование напряжения питания Uп сигнальных точек СЦБ осуществляется путем подключения нагрузки к различным отпайкам вторичной обмотки трансформатора, напряжения холостого хода которых равны:

–Uх.х = 218 В для подключения х ↔ а1;

–Uх.х = 224 В для подключения х ↔ а2;

–Uх.х = 230 В для подключения х ↔ а3;

–Uх.х = 236 В для подключения х ↔ а4;

–Uх.х = 242 В для подключения х ↔ а5.

Рассмотрим электрические характеристики линейного трансформатора ОЛ-1,25/10, использующегося для питания аппаратуры сигнальных точек СЦБ (табл. 3.1).

47

Статистический анализ электропотребления сигнальных точек СЦБ показывает, что среднее значение максимальной потребляемой мощности спаренной или одиночной сигнальной точки не превышает РСЦБср = 0,5U2нI2н

при cos φ = 0,7–0,8.

Анализ и расчет электрических параметров трансформатора необходимо производить для наихудших условий эксплуатации. Это соответствует экстремальным значениям напряжения U2, что будет иметь место при

напряжениях U1max = 11,5 кВ и U1min = 9,5 кВ (см. табл. 3.1) и при мин и- мальной величине cos φ = 0,7. Принятые данные позволяют оценить воз-

можности существующего трансформатора при реальных параметрах ВЛ СЦБ по поддержанию выходного напряжения в пределах нормы: Uп = 198–

231 В.

Приведем основные расчетные выражения для определения практически имеющих место значений напряжения Uп.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора:

Подстановка в (3.13) соответствующих аргументов и последующие преобразования дают:

48

где w2 и w2р – число витков нерегулируемой и регулируемой частей вторичной обмотки трансформатора.

В табл. 3.2 приведены данные по потерям напряжения в трансформаторе при двух значениях cos φ.

В табл. 3.3 приведены результаты численного расчета параметров трансформатора. Данные по расчету позволяют сделать следующие выводы.

1. При номинальном значении напряжения ВЛ СЦБ U1н = 10,5 кВ и номинальном токе нагрузки I2 = I2н напряжение на отпайках трансформатора а1,…, а4 не выходит за пределы требуемых норм U2 = 198–231 В. Превышение напряжения U2 происходит на отпайке а5 трансформатора, где U2 = 236 В и U2 =242 Впри токахнагрузки I2 = 0,5I2н и I2 = I2н соответственно.

49

Очевидно, что напряжение U2 выходит за пределы заданного допуска. При токе нагрузки трансформатора I2 = 0,25I2н выходные напряжения трансформатора на отпайках а5 и а4 равны U2 = 239 и U2 = 233 В соответственно, что также превышает нормы, заданные в ПТЭ.

2.При снижении напряжения ВЛ СЦБ до значенияU1 = 9,45 кВ (−10 %)

ипри изменении тока нагрузки трансформатора от величины I2 = 0,25I2н до значенияI2н напряжение U2 на отпайкеа5 не снижается до величины 198 В, т. е. не выходит за пределы заданных норм.

3.При повышении напряжения ВЛ СЦБ до величиныU1 = 11 кВ (+5 %)

ипри изменении тока нагрузки трансформатора от величины I2 = 0,25I2н до значения I2н напряжение U2 на отпайке а1 не превышает величиныU2 =231 В, т. е. находится в пределах нормы.

На рис. 3.6 приведены графические зависимости внешних характери-

стик трансформатора ОЛ-1,25/10 в функции коэффициента нагрузки Kн трансформатора, построенные для напряжений U1 = 9 и 10,5 кВ.

На рис. 3.7 показаны изменения напряжения U2 = Uп при различных видах подключения вторичных обмоток и трех значений тока нагрузки трансформатора. Анализ графиков показывает, что если напряжение ВЛ

СЦБ изменяется в пределах норм: U1 = 9,45–11 кВ, то линейные трансформаторы типа ОЛ-1,25/10 обеспечивают требуемые пределы напряжения на

нагрузке U2 = 198–231 В.

Анализ графиков показывает также, что поддержание выходного напряжения U2 в требуемых нормах U2 = 198–231 В при изменении вход-

50