Глава 7 защитные устройства контактных сетей и лэп
К данной подсистеме (см. рис. 1.3) можно отнести устройства для защиты: изоляции от атмосферных и коммутационных перенапряжений; узлов и подземных сооружений от атмосферной, почвенной и электрической коррозии; людей от поражения током (электробезопасность); изоляторов от перекрытий из-за гнездования птиц; контактных проводов от пережогов токоприемниками на изолирующих сопряжениях, транспорта от выезда за конец контактной подвески или от наезда на опорные конструкции и др. К защищающим элементам можно отнести также износостойкие покрытия, антикоррозионные краски и обмазки устройств контактных сетей, различные щиты, ограждения, надписи и т.п.
Для каждого из перечисленных устройств существует порог срабатывания при появлении недопустимого значения фактора, от которого необходима защита, например, недопустимой величины напряжения, расстояния и т.п.
Функции защитных устройств иногда выполняют элементы других подсистем контактных сетей и ЛЭП (например, полимерные покрытия седел для защиты от износа сталеалюминиевого несущего троса).
Защитные устройства не только проверяют и сигнализируют о появлении недопустимого параметра у конкретного узла (подобно диагностическим устройствам), но и сами принимают меры: оперативные (например, отключение) и предупредительные (например, ограждающие щиты).
7.1. Защита изоляции от перенапряжений
Для снижения уровня возникающих в ЛЭП и контактной сети перенапряжений и, как следствие, обеспечения сохранности изоляции и надежного срабатывания защиты устанавливают специальные устройства-разрядники, при электрическом пробое которых провода ЛЭП и контактной сети кратковременно замыкаются на заземляющие устройства или рельсы и ток разряда уходит в землю или на тяговую подстанцию, после чего изоляция ЛЭП или контактной сети восстанавливается. Различают роговые и трубчатые разрядники, а также полупроводниковые нелинейные ограничители перенапряжений.
Роговые разрядники (рис. 7.1, а, б) имеют воздушные промежутки, образуемые дугогасящими рогами из стального прутка диаметром 12 мм. Один рог устанавливают на изоляторе и медным проводником сечением не менее 25 мм2 соединяют с контактной сетью (проводом ВЛ), другой — заземляющим проводником — с рельсами. Для исключения ложного срабатывания при случайном замыкании промежутка, например птицами, разрядники выполняют с двумя последовательно расположенными искровыми промежутками по 5 мм при постоянном токе и 45 мм при переменном. При пробое промежутков и срабатывании разрядника возникшая электрическая дуга растягивается по наклонным рогам и гасится.
Роговые разрядники размещают, как правило, на вершинах опор перпендикулярно или под углом 45° к оси пути (для улучшения осмотра с поезда). В зоне срабатывания разрядника и над ним на расстоянии до 3 м располагать какие-либо провода не разрешается.
На линиях постоянного тока роговые разрядники располагают обычно на переходных опорах. На изолирующих сопряжениях при нормально отключенных продольных разъединителях разрядники устанавливают на обеих ветвях, а при нормально замкнутых—на одной.
Мастерские Московской железной дороги изготавливают роговые разрядники постоянного тока для неагрессивной среды на двух изоляторах ОНС-10-500 и для агрессивной на ОНС-35-500. Для переменного тока такие же с двумя искровыми промежутками, но с зазорами 45, а не 5 мм.
Трубчатые разрядники, дополненные внешним искровым промежутком 40 мм для предотвращения токов утечки по поверхности, применяют на линиях переменного тока и ДПР (рис. 7.1, в, г). Трубчатый разрядник, например РТ-35, состоит из бакелитовой трубки с внутренним диаметром 10 мм и двумя металлическими наконечниками.
Внутри бакелитовой находится фибровая трубка со стержневым электродом. Между этим электродом и одним из металлических наконечников бакелитовой трубки имеется зазор, который образует внутренний искровой промежуток. При перенапряжении внутренний искровой промежуток пробивается, фибровая трубка выделяет газы, которые, вырываясь из трубки, обеспечивают гашение дуги. Внешний искровой промежуток, образованный рогами из стального прутка диаметром 10 мм, предохраняет изоляцию от разрушения токами утечки. Для предотвращения скопления влаги во внутренней полости разрядника его устанавливают открытым концом под углом не менее 15°, а в местах усиленного загрязнения — до 45° к горизонтали.
Рис. 7.1. Разрядники роговые постоянного (а) и переменного (б) тока; конструкция трубчатого разрядника (в) и схема укрепления его на опоре (г); 1 — опора; 2 — консоль; 3—разрядник; 4—электрический соединитель; 5 — изолятор; 6 — несущий трос; 7 — заземленная на рельс или контур заземления конструкция
Электрод внешнего искрового промежутка, закрепленный на стержневом изоляторе, соединяют с подвеской медным проводом сечением не менее 16 мм2. Заземляющий провод подключают к тяговому рельсу или к специальному заземлению, расположенному от ближнего рельса на расстоянии не менее 3 м и имеющему сопротивление не более 150 Ом. Пределы отключаемого тока трубчатого разрядника 0,8—5 кА.
Трубчатые разрядники типа РТФ-10 и РТФ-35 предназначены для защиты от грозовых перенапряжений изоляции линий электропередачи 10 и 35 кВ и частотой 50 Гц. По техническим данным их наибольшее допустимое напряжение (действующее значение) составляет 12 и 40,5 кВ, а токи отключения (действующее значение) находятся в пределах 0,5—5,0 и 1,0—5,0 кА соответственно. Размеры искровых промежутков: внешних 25 и 130 мм, внутренних 150 и 200 мм. Выпускаются Белореченским электротехническим заводом.
Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) предназначены для защиты изоляции контактных сетей постоянного и переменного тока напряжением 3,3 и 27,5 кВ от грозовых и коммутационных перенапряжений. Они исключают короткие замыкания на контактных сетях, возникающие при срабатывании роговых и трубчатых разрядников при атмосферных перенапряжениях.
ОПН с высоконелинейными резисторами (варисторами) на основе окиси цинка (ВНИИЖТ, 1996—1997 гг.) изменяют внутреннее сопротивление в зависимости от величины напряжения с максимального при номинальном напряжении до минимального при перенапряжении. По сравнению с вентильными разрядниками ОПН обладает неоспоримыми преимуществами: низким защитным уровнем для всех перенапряжений, отсутствием сопровождающего тока после импульса, высокой удельной энергоемкостью, отсутствием необходимости регулировки. Кроме того, искровые промежутки, имеющиеся у вентильных разрядников, воздействуют на защищаемое оборудование импульсами с большой скоростью изменения напряжения (рис. 7.2, а), что приводит к развитию местных дефектов изоляции (частичных разрядов), чего нет у ОПН (рис. 7.2, б).
В контактных сетях, несмотря на высокий уровень испытательного напряжения изоляторов, в грозовые сезоны повреждаемость повышается в 1,5—2 раза. ОПН позволяет снизить уровень грозовых перенапряжений для постоянного тока с 35—40 до 17 кВ. Чтобы исключить заземление контактных сетей через повреждаемый при прямом ударе молнии ОПН, его подключают через роговый разрядник с промежутком, замкнутым медной проволокой диаметром 1,4 мм. Разработаны также конструк
Рис. 7.2. График изменения тока и напряжения вентильного разрядника (а) и ограничителя (б) при набегании волны перенапряжения; Uр – напряжение на разряднике; UОПН – напряжение на ограничителе; iр – ток разрядника; iОПН – ток ограничителя. Установка ОПН с предохранителем (в) 1 – ОПН; 2 – заземление; 3 – предохранитель; 4 – шлейф.
ции ограничителей типа ОПНК-3,3; ОПНК-27,5 (ВНИИЖТ совместно с ЭЛВО, НИИЭК, ФЕНИКС). Выпускают ОПН и для ЛЭП 0,38; 6; 10 и 35 кВ.
Технические данные ограничителей перенапряжений Великолукского завода высоковольтной аппаратуры следующие. Класс напряжения и наибольшее рабочее напряжение составляют 3 и 4 кВ для ОПНК-П1-3,3 и ОПН-3,3 КС и 25 и 30 кВ для ОПНК-П1-27,5; ОПН-27,5 КС. Номинальный разрядный ток для всех типов 10 кА.
На опорах с оттяжками устанавливать разрядники и ограничители напряжения запрещается.