содержание   .. 29  30  31  ..

5.3.

Защита систем тягового электроснабжения от перегрузок и коротких замыканий электрических железных дорог

Приведенное выше название стереотипно. В действительности же речь будет идти о защите элементов систем тягового электроснабжения от последствий перегрузок и коротких замыканий.

Длительное протекание больших токов по токоведущим частям и аппаратам системы тягового электроснабжения приводит к их избыточному нагреву, в результате которого могут произойти необратимые изменения в материалах токоведущих частей и аппаратов, и как результат - выход их из строя, иногда сопровождаемый остановкой движения. Причинами длительного протекания больших токов являются неконтролируемые перегрузки и неотключённые короткие замыкания.

Особенно чувствительны к перегрузкам и коротким замыканиям провода контактных сетей электрических железных дорог.

В качестве примера достаточно лишь указать, что выдержка контактного провода марки МФ-100 (см. раздел 5.4 настоящего

пособия) нагретого до температуры 200ОС в течение 15 минут

приводит к так называемому «отжигу контактного провода», в результате которого он теряет свои упругие свойства и, растягиваясь под действием собственного веса, ложится на рельсы. «Отжиг

контактного провода» - серьезнейшая авария, надолго

останавливающая движение на участке электрифицированной железной дороги, поскольку требует полной замены отожженного провода новым. Сказанное означает, что необходимо контролировать процессы нагрева проводов контактной сети, с тем чтобы не допускать их отжига.

Не менее опасен и кратковременный местный перегрев проводов контактной сети, особенно в местах, где при коротком замыкании (к.з.) образуется электрическая дуга. На рис.5.10 показано к.з. через дугу 4, образовавшуюся в результате перекрытия загрязненной гирлянды изоляторов 3 между несущим тросом контактной сети 5 и консолью 2, соединенной с рельсами 6 отрезками стального прутка 9 и 7 через искровой промежуток 8. В момент перекрытия гирлянды изоляторов искровой промежуток, нормально изолирующий арматуру опоры от рельсов, пробивается и по цепи начинает протекать ток короткого замыкания. Путь протекания тока к.з. со стороны тяговой подстанции, расположенной слева от места к.з., показан стрелками.

Специальные исследования, проведенные профессором С.Д, Соколовым (ВНИИЖТ) показали, что пережог контактного провода электрической дугой между ним и замкнутым на корпус токоприемником электровоза, происходит в течение 0,15 - 0,1 с, если ток короткого замыкания через дугу составляет, соответственно, 3000 -4000 А. Из сказанного следует, что короткие замыкания, при которых величина тока достигает указанных выше величин, должны быть обнаружены и отключены за время существенно меньшее, чем 0,14-  0,15 с.

Рис. 5.10. Короткое замыкание между несущим тросом и консолью опоры контактной сети через дугу, образовавшуюся в результате перекрытия загрязненной гирлянды изоляторов


Обнаружение недопустимых перегрузок и токов коротких замыканий в тяговых сетях постоянного и переменного тока, а также во всех других цепях тяговых подстанций, производится специальными



устройствами - релейными защитами. В нынешнем исполнении релейные защиты это, как правило, электронные устройства, которые по сопоставлению токов, напряжений и их изменений во времени в защищаемых цепях, устанавливают наличие в них перегрузок или коротких замыканий, после чего выдают команду на отключение цепи. Само же отключение цепи производится так называемыми выключателями - коммутационными аппаратами, способными за короткое время разорвать электрическую цепь и, тем самым, предотвратить аварийные последствия недопустимых перегрузок и коротких замыканий.

Из сказанного ясно, что подобного рода электрические аппараты устанавливаются в цепях всех вводов и отходящих линий РУ всех напряжений, в частности в РУ I, III, IV и VII подстанции постоянного тока (рис.5.5), и в РУ I, III и IV опорной тяговой подстанции переменного тока (рис.5.7).

Познакомимся с конструкциями и принципами действия современных выключателей, используемых на тяговых подстанциях переменного и постоянного тока.

Высоковольтные выключатели переменного тока

Все выключатели переменного тока на напряжение выше 1000 В, как правило, выключатели контактные, т.е. отключение цепи с током такими выключателями происходит путём размыкания контактов. При этом вне зависимости от вида и конструкции у всех у них в момент размыкания контактов между ними появляется электрическая дуга.

Обязательное появление дуги между контактами выключателя (в межконтактном промежутке) с точки зрения электротехники объясняется тем, что все электрические сети и трансформаторы обладают значительной индуктивностью. Попытка мгновенно разорвать цепь с индуктивностью оборачивается, по закону Ленца, появлением на индуктивностях цепи напряжений, стремящихся во чтобы то ни стало поддержать ток в цепи. Именно этими напряжениями, прикладываемыми к размыкаемыми контактами выключателя, и ионизируется образуемый межконтактный промежуток, между контактами возникает проводящий плазменный шнур - загорается электрическая дуга.

Общее свойство всех выключателей переменного тока состоит в том, что дуга всегда гаснет вблизи нуля тока, а вернее несколько ранее естественного прихода тока к нулю. С учетом этого основная функция выключателей состоит в том, чтобы не допустить повторного зажигания дуги после ее погасания. Последнее достигается созданием условий, способствующих быстрой деионизации межконтактного промежутка. Рассмотрим указанные процессы подробнее, используя диаграмму изменения отключаемого тока (рис.5.11).

не может существовать и поэтому она распадается (угасает) ранее, чем достигается момент естественного прихода тока к нулю.

Угасание дуги происходит из-за недостатка в ней электронов, необходимых для проведения естественного тока. При горении дуги электроны возникают в ней автоматически при ионизации среды, в которой она горит (пары масла, элегаз, пары металла в вакууме и т.п.), под действием высокой температуры дуги, вызываемой самим током (термическая ионизация). При токе выше критического электронов для его проведения хватает с избытком, при токе ниже критического - их недостаточно, дуга угасает ранее момента естественного прихода тока к нулю (точка 02 на рис. 5.11). Поэтому после момента времени t3 начинается интенсивная деионизация межконтактного промежутка выключателя или, как говорят, восстановление его электрической прочности. Если контакты еще недалеко отошли друг от друга и электрическая прочность межконтактного промежутка невелика, то в некоторый момент времени t 4 дуга может загореться вновь, если напряжение, прикладываемое к контактам выключателя со стороны сети способно «пробить» межконтактный промежуток, т.е. на короткое время образовать между контактами электрическую дугу. Процесс образования дуги под действием напряжения между контактами называется электрической ионизацией промежутка. Электроны, необходимые для образования дуги, при этом появляются за счет разгона электрическим полем электронов, еще остающихся в межконтактном промежутке, до скоростей, при которых их кинетической энергии хватает для того, чтобы ионизировать нейтральные атомы среды и получить новые электроны и т.д.

Если же контакты отошли друг от друга достаточно далеко и электрическая прочность промежутка высока, повторного пробоя и загорания дуги не происходит - цепь оказывается прерванной, ток отключенным.

Отсюда можно сделать вывод, для быстрого отключения цепи переменного тока конструкция выключателей должна предусматривать быстрое разведение контактов и размещение их в среде, обеспечивающей максимально быстрое восстановление электрической прочности межконтактного промежутка. Конструкции выключателей, в которых реализуются указанные требования весьма многообразны. Познакомимся с двумя наиболее широко применяемыми классами выключателей: масляными и вакуумными.

Масляные выключатели. По конструкции они делятся на два подкласса: выключатели с большим и малым объемом масла
(маломаслянные). Масло в них служит и средой для гашения тока и изолирующей средой.
На рис. 5.12,а, б, в показаны, соответственно, внешний вид, раз-рез и принципиальная схема масляного выключателя переменного тока с большим объемом масла типа У-220, а на рис 5.12, Г и Д -используемые в них методы гашения дуги.

Рис. 5.12. Масляный выключатель с большим объемом масла типа У-220: общий вид ( а ), разрез по баку выключателя (б), принципиальная схема полюса выключателя (в ), метод гашение дуги между контактами в дугогасительных камерах (г) и между нижними контактами в открытом масле ( д )

Такими выключателями оборудовано большое количество РУ-220 кВ, действующих тяговых подстанций переменного и постоянного тока. На рис. 5.12, а ясно видны три круглых металлических бака (полюса) 1 выключателя, заполненных минеральным трансформаторным маслом, внутри которых размещены специальные дугогасительные камеры 7 (рис. 5.12, б и в) с контактами 11 и 12, обеспечивающие быстрое восстановление электрической прочности межконтактных промежутков. Через маслонаполненные фарфоровые вводы 2 ток по проводнику внутри ввода подводится к неподвижной части контакта 11. Каждый полюс выключателя имеет свой привод 5, служащий для приведения в действие (замыкания и размыкания) подвижных частей главных контактов 11 и 12 внутри дугогасительных камер 7 и

вспомогательных контактов 13, размещенных за пределами камер внизу бака непосредственно в масле. Передача усилий от привода к контактам осуществляется через валы 3, 4 и траверсу 9.

Отключение тока такими выключателями производится в два этапа. Сначала при размыкании двух пар главных контактов 11 и 12, (рис. 5.12, в ), размещенных в дугогасительных камерах 7 (рис.5.12, б и

в) в цепь тока к.з. вводятся токоограничивающие резисторы 8, шунтирующие эти контакты. За счет этого снижаются величина и мощность тока к.з. После этого ограниченный ток к.з. уже окончательно разрывается контактами 13, размещенными внизу траверсы 9.

Разрыв дуги между контактами 11 и 12 в дугогасительных камерах 7 производится с использованием метода поперечного масляного дутья (рис.5.11, г). Этот метод основан на том, что образующийся под действием тепла дуги газовый пузырь паров трансформаторного масла 14 при движении подвижного контакта 11 вниз выдувает дугу в поперечном направлении в щели 10 (см. рис.5.12 б и г), охлаждает ее, чем обеспечивает быстрое восстановление электрической прочности межконтактного промежутка. Окончательный разрыв уже ограниченного тока контактами 13, производится методом простого гашения дуги в масле (рис. 5.12, д).

Большие габариты выключателя и заполненная маслом изолирующая среда позволяет здесь же на вводах выключателя разместить и трансформаторы тока 6, используемые для питания токовых цепей защиты, контролирующей исправность цепей, питаемых через выключатель, и обеспечивающей подачу сигнала на отключение выключателя при коротких замыканиях или недопустимых перегрузках цепи.

Маломасляные выключатели имеют существенно меньшие габариты. Ниже, в качестве примера (см. рис.5.13) приведены габаритные и установочные размеры трехфазного маломасляного выключателя типа ВМТ-110, которым в последнее время оснащались РУ-110 тяговых подстанций с первичным питающим напряжением 110 кВ. Все полюса выключателя размещены на общем основании (раме) 5. Каждый полюс выключателя (рис.5.12, а) выполнен в виде колонки, состоящей из двух изоляторов 2 и 3. Собственно выключатель каждой фазы размещен внутри верхнего изолятора 3 колонки, залитой маслом, и выполнен в виде так называемой дугогасительной камеры продольного масляного дутья (рис.5.13, б).

Метод продольного масляного дутья основан на том, что газовый пузырь паров масла 9, образующийся в процессе гашения тока под
действием тепла электрической дуги 8 при движении подвижного
контакта 10 вниз отнимает у дуги тепло, охлаждает ее и тем самым
обеспечивает быстрое нарастание электрической прочности межконтактного промежутка. Избыток масла выталкивается вниз, в зазор между подвижным контактом 10 и корпусом дуго- гасительной камеры 11. Уровень масла в верхних колонках изоляторов можно
отследить по маслоуказателю 4.

Нижний изолятор 2 колонки обеспечивает изоляцию фазы выключателя от земли и, кроме того, служит основанием, внутри которого проходит изолирующая тяга, соединенная с подвижным контактом 10 (рис.5.13, б) и, в свою очередь, приводимая в движение приводом выключателя 1 (рис.5.13, а). Присоединение выключателя к сети производится через контактные зажимы 6 и 7.

Рис. 5. 13. Маломасляный выключатель типа ВМТ-110: габаритные размеры (а ) и метод гашения дуги между контактами в дугогасительной камере ( б )

Рис. 5.14. Маломасляный выключатель типа ВМП-10: габаритные размеры (а) и метод гашения дуги между контактами в дугогасительной камере (б)

Малообъемные масляные выключатели на напряжение 10 кВ, например ВМП -10 (рис. 5.14), конструктивно выполнены несколько

иначе. Неподвижный контакт полюса выключателя 13 (рис. 5.13, б) расположен в нижней металлической части бачка выключателя 4 (рис.5.14, а), а подвижный 10 - в верхней части 1, также

металлической. Верхняя и нижняя части разделены изолирующей вставкой 3, в которой располагается дугогасительная камера

продольно-поперечного дутья. Подвижные контакты всех трех полюсов (фаз) выключателя приводятся в действие одним приводом 6, передающим движение посредством вала 6, рычага 8 и изолирующей тяги 9. В электрическую цепь выключатель подключается посредством контактов 2 и 5. Принцип действия дугогасительной камеры

выключателя показан на рис.5.14, б. В начальный момент отключения выключателя, как и в выключателях рассмотренных выше, между подвижным 10 и неподвижным 12 контактами камеры образуется электрическая дуга 11. Под действием тепла, выделяемого дугой, образуется газовый пузырь паров трансформаторного масла 12, который не имеет выхода вверх, так как он перекрыт телом подвижного контакта, поэтому под действием газового пузыря масло, которым заполнена нижняя и средняя части бачка выключателя, поднимаясь по пути левой стрелки вверх, сжимает воздух в объеме 14 бачка. В дальнейшем, когда поднимающийся вверх подвижный контакт выключателя 10 откроет канал для выхода масла, оно движется по пути верхних стрелок слева направо, пресекая столб дуги в поперечном направлении, в то время как нижняя часть дуги обтекается газо-паровой смесью снизу вверх вдоль канала дуги. Благодаря этому после распада дуги вблизи перехода тока через естественный нуль межконтактный промежуток быстро восстанавливает электрическую прочность и обеспечивает разрыв тока в цепи.

Вакуумные выключатели. В последнее время в электрических цепях напряжением 6 - 35 кВ все чаще используют вакуумные выключатели. Из самого названия ясно, что среда, в которой происходит гашение дуги между контактами этих выключателей -вакуум. Физический процесс гашения дуги в вакууме имеет свои особенности. Рассмотрим их.

При размыкании подвижного и неподвижного контактов выключателя физически размыкаются точки их соприкосновения. Последняя из размыкаемых точек расплавляется, образуя металлический мостик, который под действием тепла, выделяемого током, быстро нагревается до температуры кипения и со взрывом испаряется. Образовавшееся при этом облачко паров металлов под действием того же тепла оказывается частично ионизированным и между контактами в камере загорается дуга.

Давление внутри области, занимаемой парами металлов, существенно выше, чем в разреженном окружающем пространстве камеры. Вследствие этого процессы деионизации вблизи естественного нуля тока после момента времени t3 (см. рис.5.11) протекают чрезвычайно интенсивно в основном за счет диффузии ионизированных частичек паров металлов в окружающее разреженное пространство (вакуум). В результате очень быстро восстанавливается электрическая прочность межконтактного промежутка и поэтому уже в конце первого, максимум второго периода после размыкания контактов дугогасительной камеры, ток через нее прерывается.

Применение вакуумных выключателей наиболее перспективно в тех электроустановках, где используются в полной мере их достоинства: быстрота действия, длительный срок службы без ремонта при частых отключениях, небольшие размеры и масса. К таким установкам относятся, в частности, тяговые сети электрических железных дорог переменного тока, где частота отключения фидеров, вследствие большей вероятности повреждения контактной сети, на один — два порядка превышает частоту отключений питающих линий промышленных трехфазных сетей и где быстрое отключение уменьшает вероятность пережога контактных проводов.

Рассмотрим некоторые конструктивные особенности трехфазного вакуумного выключателя типа ВВПТ-10 на напряжение 10 кВ (рис. 5.15,
г).

Сердцем такого выключателя является вакуумная камера (см. рис. 5.15, б). Корпус камеры состоит из двухсекционного стакана-изолятора
1, вакуумно-плотно приваренного к медным металлическим

Рис. 5.15. Вакуумный выключатель типа ВВПТ-10: конструкция вакуумный камеры (разрез) (а), метод гашения дуги между контактами камеры (б, в) и габаритные размеры выключателя (г)


фланцам 3 и 13, на которых установлены подвижный 9 и неподвижный 10 медные легированные контакты. Токоввод подвижного контакта 4 выведен наружу через гофрированную стальную трубку -сильфон - 5, а токоввод неподвижного контакта укреплен на фланце

 

Для защиты стаканов-изоляторов 1 от частичек металла, распыляемых при взрыве металлических мостиков в момент образования дуги между контактами, они окружены системой экранов, на которых эти частички оседают. Экраны 7 и 12 потенциальные, 8 - беспотенциальный. Защитный экран 2 предохраняет от прожигания дугой трубку сильфона.

При изготовлении камера проходит специальную вакуумно-термическую обработку: ее прогревают и через патрубок 6 откачивают воздух. Патрубок заваривают при разрежении в камере до давления не выше 10-2 Па. Благодаря такой обработке в камере в течение всего срока службы поддерживается достаточно высокое разрежение (вакуум).

Форму контактов выбирают такую, при которой обеспечивается автоматическое и очень быстрое перемещение дуги 14, возникающей между контактными площадками (рис. 5.15, б), за их пределы, чтобы не изнашивать площадки. Один из вариантов выполнения таких контактов приведен на рис.5.15, в. Перемещение дуги 14 за пределы контактных площадок, а затем круговое перемещение ее между боковыми частями контактов обеспечивается магнитным полем тока дуги за счет вырезов 15 в боковых частях контактов.

Три вакуумных камеры 17 (рис.5.15, г) через изоляторы 20

укреплены на общей станине 21 и синхронно приводятся в действие с помощью вала 23 и изолирующих тяг 22. В электрическую цепь выключатель включается в местах 16 и 19, причем подвод тока к подвижным контактам камер осуществляется посредством пакета медных листов 18. Вакуумный выключатель приводится в действие с помощью привода, аналогичного тому, которым приводился в действие маломасляный выключатель ВНП-10 (см. рис. 5.14).

содержание   .. 29  30  31  ..