Совершенствование средств защиты от токов короткого замыкания и переняпряжений системы тягового электроснабжения постоянного тока

В соответствии с решениями ХХУ1 съезда КПСС предусматривается дальнейшее повышение эффективности работы железнодорожного транспорта за счёт увеличения пропускной и провозной способностей. Эта задача решается путём повышения массы и скорости поездов на основных направлениях грузопотоков, вождения соединённых грузовых поездов. Увеличение грузооборота предъявляет более высокие требования к надёжности системы тягового электроснабжения, так как любой отказ её приводит к созданию тяжелой поездной ситуации на линии при нацряженном графике движения поездов.

Систематический рост токовнх: нагрузок весьма остро ставит вопросы улучшения работы защиты тяговой сети от коротких замыканий особенно в условиях о электрической тягипостоянного тока: своевременное выявление короткого замыкания, быстрое и эффективное отключение токов коротких замыканий (к.з.), значительно увеличившихся на грузонацряженных линиях в связи с установкой на тяговых подстанциях более мощных понизительных трансформаторов и преобразовательных агрегатов суммарной мощностью 20−30 МВт.

В связи с тем, что на грузонапряженных линиях токовые нагрузки фидеров тяговых подстанций зачастую цревышают 4−5 кА / I, 2 /, возникает необходимость повышения уставок фидерных выключателей. Это в свою очередь приводит к увеличению амплитуды тока в них при отключении коротких замыканий. Напряжение на шинах тяговых подстанций нередко достигает 3,9−4,0 кВ, особенно при рекуперативном торможении, а индуктивность отключаемой цепи составляет 15−20 мГн, что создает очень тяжелые условия для работы выключателей. Не цретерпев за последние 20 лет существенных конструктивных изменений, свыше 12 тыс. фидерных выключателей тяговых подстанций работают практически на пределе своей отключающей способности. В эксплуатации отмечаются случаи негашения быстродействующими выключателями токов к.з., что приводит не только к повреждениям оборудования подстанций и самих выключателей, но и к длительным перерывам в питании электрифицированных участков и, следовательно, задержкам поездов, С этих позиций актуальной становится задача повышения надёжности быстродействующих выключателей путём облегчения условий их работы цри постоянном росте мощности устройств электроснабжения.

Теоретическим исследованиям и разработке новых конструкций выключателей, дугогасительных камер, способов повышения отключающей способности выключателей посвящены работы Голубева А. И., В. Д. Радченко, И. И. Рыкова, А. В. Фарафонова, Е. О. Михайленко, В. Н. Пупынина, М. И. Векслера, А. М. Куссуля, Л. К. Скурыгина и др. советских учёных. В ряде работ /3, 4, 5 / предложены и в настоящее время реализованы различные пути по повышению надёжности выключателей, однако в полной мере эта задача пока не решена. Не принесли желаемого результата и работы по созданию дугогасительных камер с принципиально новой системой дугогашения / 6 /.

На действующих подстанциях повышение надёжности защиты осуществлено за счёт установки двух последовательно соединённых быстродействующих выключателей, что дало возможность быстро и надёжно отключать токи к.з. Влесте с тем известно /7, 8 /, что быстрое отключение постоянного тока в цепях со значительными индуктивно с тями приводит к возникновению коммутационных перенапряжений, обладающих большой энергией и воздействующих на оборудование тяговых подстанций и электроподвижного состава (ЭПС). Beличины этих перенапряжений зависят от индуктивности отключаемой цепи и от скорости изменения тока, определяемой интенсивностью гашения дуги в дугогасительных камерах быстродействующих выключателей. Например, при отключении одшш выключателем АБ-2/4 це-ш с индуктивностью 6,5 мГн возникают перенапряжения 4,5−5,0 кБ, при отключении этой цепи двумя выключателями АБ-2/4 перенацряжения увеличиваются до 8−9 кВ. Выпускаемые в настоящее время заводом «Уралэлектротяжмаш» выключатели ВАБ-43−4000/30 создают коммутационные перенацряжения до 13 кБ. Воздействие перенапряжений такого уровня с запасенной энергией до 150 кДж на вентильные разрядники тяговых подстанций и ЭПС, обладающих ограниченной пропускной способностью (вновь разрабатываемые разрядники РВКУ-3,3 рассчитаны на рассеивание 65−75 кДж), может привести к их повреждениям (взрывам). Как правило, эти случаи связаны с перерывами питания электрической тяги. Таким образом, наряду с задачей повышения надёжности быстродействующих выключателей важным является и воцрос ограничения коммутационных перенапряжений.

С ростом тяговых нагрузок не менее актуальной становится и задача осуществления заземления искусственных сооружений на рельсовые цепи. С точки зрения надёжной защиты от токов к.з. и обеспечения безопасности обслуживающего персонала искусственные сооружения (опоры контактной сети, светофоры, переходные мосты и т. д.) необходимо металлически соединять с рельсами. Однако такое соединение их нежелательно, т.к. при этом увеличивается утечка тягового тока в землю и, как следствие этого, усиливается электрическая коррозия подземной части опор и других расположенных вблизи железной дороги металлических сооружений. Кроме того, создаётся асимметрия заземления рельсов, цри которой нарушается работа устройств автоблокировки. Для избежания указанных явлений сооружения соединяют с рельсами не непосредственно, а через искровые промежутки.

Многолетняя практика эксплуатации в Советском Союзе промежутков различных конструкций в качестве заземлителей показала, что они являются наиболее слабым звеном защиты искусственных сооружений от коррозии как по пропускной способности, так и по надёжности. Многочисленные попытки разработать искровой промежуток многократного действия /9, 10 / не привели к желаемым результатам. На зарубежных дорогах постоянного тока (Франция, ЧССР и др.) в основном применяют искровые промежутки одноразового действия, конструкциями которых предусмотрено их гальваническое соединение после первого же срабатывания. Это обстоятельство влечет за собой необходимость постоянного контроля за их состоянием и приводит к существенным эксплуатационным расходам.

Усиление электрокоррозии опор контактной сети, обусловленное ростом тяговых нагрузок, и ненадёжная работа искровых промежутков привели к широко применяемому в настоящее время разземлению опор (отсоединению их от рельсов), что резко осложнило проблему защиты контактной сети от минимальных токов к.з., возникающих при повреждениях изоляции опор или искусственных сооружений с большим сопротивлением изоляции. В последние годы разрабатывались и проверялись в эксплуатации различные защиты от минимальных токов к.з. и способы заземления опор без искровых промежутков / II, 12, 13, 14 /. Наиболее широкое распространение получил способ заземления опор с помощью диодных заземлителей, отличающийся простотой и достаточной надёжностью. Однако применение диодных заземлителей в силу их односторонней проводимости ограничено анодной зоной. Из-за влияния перетекающих токов на рельсовые цепи автоблокировки в знакопеременной и катодной зонах диодные заземлители включают последовательно с искровыми промежутками / 15 /, обладающими всеми присущими им недостатками. Отсюда возникает необходимость разработки нового искрового цромежутка многократного действия, способного работать в сложившихся условиях постоянного повышения мощноетей устройств электроснабжения железных дорог и обладающего необходимой цропускной способностью.

Основные задачи работы — комплексное решение вопроса повышения надёжности быстродействующих выключателей и ограничения коммутационных перенацряжений и разработка принципиально новой конструкции искрового цромежутка для заземления искусственных сооружений на рельсы. Решение этих задач тесно связано с вопросами исследований различных аспектов работы быстродействующих выключателей на выпрямительных подстанциях и в схемах выпрямительно-инверторных цреобразователей и режимов работы устройств заземления в системе электроснабжения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и пяти ' приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Оцределена, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность существенного улучшения условий работы быстродействующих выключателей в устройствах тягового электроснабжения постоянного тока и одновременного ограничения коммутационных перенапряжений с помощью разрядных устройств на резисторах, шунтирующих индуктивности сглаживающих реакторов тяговых подстанций в цроцессе отключения токов к.з. выключателями.

2. Уточнена методика расчёта переходных процессов отключения токов к.з. быстродействующими выключателями цри различных закономерностях изменения напряжения на дуге с учётом шунтирования сглаживающего реактора. Выполненные по уточнённой методике расчёты и анализ позволили выбрать значение соцротивления шунтирующего резистора 0,2−0,3 Ом. Использование разрядного устройства с таким сопротивлением цри увеличенной до 20−25 мГн индуктивности реактора цри близких к.з. позволяет уменьшить в 3−4 раза выделяемую в дугогасительных камерах энергию, время гашения дуги — в 1,5−2,0 раза и ограничить коммутационные перенапряжения на уровне 5,5 — 6,5 кВ.

3. Для шунтирования сглаживающих реакторов выцрямительных подстанций предложена схема разрядного устройства, состоящая из последовательно соединённых резистора, диода и нелинейного переключающего элемента. Разработана методика выбора элементов разрядного устройства по перегрузочной способности и термической устойчивости с учётом автоматических повторных включений выключателей.

4. На основании анализа работы выцрямительно-инверторных цреобразователей с различными схемами исполнения и переключе ния из одного режима в другой показана возможность шунтирования реакторов в их цепях разрядными устройствами. Исследованы нацряжения на реакторах и сформулированы технические требования к разрядным устройствам.

5. Эксплуатация на выпрямительных подстанциях серийно выпускаемых разрядных устройств УР-2 (свыше 900) выявила их высокую эффективность. Существенно снизился износ дугогасительных камер и контактов выключателей, в 10−15 раз сократилось число срабатываний вентильных разрядников, установленных на шинах подстанций. Использование УР-2 на подстанциях, питающих станции стыкования двух систем тока, практически исключило ложные срабатывания защиты, соцровождающиеся тяжелыми короткими замыканиями.

Опыт эксплуатации выцрямительно-инверторных цреобразователей, реакторы которых оборудованы разрядными устройствами, показал, что после их установки прекратились случаи массовых повреждений тиристоров и негашения выключателями токов опрокидывания.

6. Предложены схемы разрядных устройств для облегчения работы быстродействующих выключателей постов секционирования контактной сети. Определено, что включение разрядного устройства с 3 Ом между шиной поста секционирования и рельсом цри близких коротких замыканиях позволяет вдвое снизить выделяемую в камерах выключателей энергию цри уменьшении времени гашения дуги в 1,5−1,6 раза и ограничить коммутационные перенацряжения на уровне 5 кВ и менее.

7. Проанализированы режимы работы искровых промежутков в условиях электрической тяги постоянного тока и сформулированы основные технические требования к конструкции цромежутка, способного коммутировать значительные по амплитуде и длительности тока к.з. Для стабилизации пробивного напряжения в пределах 600−1200 В предложена схема трёхэлектродного цромежутка с под-жигом с использованием варистора в цепи поджигающего электрода,.

8. Предложена методика измерения с помощью фотодиодов скорости вращения дуги между кольцевыми электродами, расположенными в герметически закрытых небольших объёмах. Показано, что в этих условиях, за счёт движения дуги в шлейфе раскаленного газа, создаваемого ею цри многократном цробегании кольцевого промежутка, скорость дуги существенно повышается и составляет 250 м/с цри токах 6 кА и более.

9# Разработан искровой промежуток с использованием цринципа движения дуги в магнитном поле, способный многократно коммутировать импульсы тока к.з. амплитудой до 10 кА длительностью 0,06−0,08 с с последующей подпиткой током 2 кА в течение 0,2 с и обеспечивающий обрыв тока до 10 А цри напряжении на промежутке до 200 В.

Эксплуатация опытно-промышленной партии промежутков на Московской, Южно-Уральской и Донецкой железных дорогах подтвердила их способность многократно коммутировать токи к.з. и возможность работы в различных климатических зонах страны.

10. Экономический эффект от внедрения разрядных устройств для шунтирования реакторов выцрямительных подстанций составляет свыше 720 руб в год на одну подстанцию.

Среднегодовой эффект от внедрения разработанного искового цромежутка с вращающейся дугой на двухпутных участках с металлическими опорами составляет свыше 3070 руб на 100 км, а на участках с железобетонными опорами — 1410 руб.