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

напряжение, которые управляются при помощи тиристорных оптронов VS1

и VS2.

Рис. 4.15. Схема силовых цепей инвертора

Исследование современных направлений схемотехники силовых электронных систем и устройств, а также известной силовой полупроводниковой элементной базы показал, что принципиальная схема силовой части тиристорных ключей, которые переключают электроснабжение ВЛ СЦБ на питание от инвертора, должна иметь вид, который приведен на рис. 4.16. Здесь для переключения напряжений использованы современные оптотиристоры VS1 и VS2, которые позволяют за счет принципиально имеющейся электрической изоляции управляющих сигналов от силовых цепей существенно упростить схему.

В схеме рис. 4.16 инвертор работает в режиме горячего резерва, который характеризуется тем, что при наличии напряжений на шинах собственных нужд (ШСН) инвертор находится постоянно в работе, т. е. работает в режиме холостого хода. Это дает возможность исключить интервалы времени исчезновений напряжения в ВЛ СЦБ при переключениях, что могло иметь место при функционировании инвертора в режиме холодного резерва, когда реально инвертор выходит на установившийся номиналь-

81

ный режим работы, длительность которого составляет, как правило,

t = 10 ÷30 , где fс = 50 Гц.

уст 2πfc

Рис. 4.16. Схема силовых цепей тиристорных ключей для переключения трехфазных переменных напряжений

Таким образом, применение аккумуляторной батареи позволяет повысить надежность работы системы электроснабжения и исключить исчезновение напряжения при аварийных переключениях.

4.6.Защита от перенапряжений оборудования электроснабжения

иустройств СЦБ

Одной из причин относительно большого числа отказов устройств СЦБ является воздействие перенапряжений на устройства электроснабжения. Они возникают вследствие грозовых разрядов, коммутаций тягового тока или нестационарных процессов в линиях электропередач. Эти причины приводят к возникновению импульсов напряжения, амплитудное зна-

82

чение которых в десятки, сотни, а иногда и в тысячи раз превышает рабочие напряжения устройств электроснабжения СЦБ.

Системы электроснабжения по большей части состоят из линейных сооружений, поэтому они особенно подвержены воздействию грозовых импульсных перенапряжений. Существующие устройства СЦБ и трансформаторные подстанции, питающие сигнальные точки автоблокировки, не обеспечивают должной защиты от подобных импульсных перенапряжений, и эта проблема остается достаточно острой.

Схемным решением, широко применяющимся на сети дорог, является использование выравнивателей напряжения ВОЦН-220, которые должны поглощать импульсы перенапряжения. Однако, как показывает анализ эксплуатационной деятельности участков дорог, эффективность их применения невысока. Существенно лучшими характеристиками обладают ограничители напряжения ОПН-600, выпускаемые Камышловским электротехническим заводом.

Использование в типовых схемах более эффективных выравнивателей или ограничителей перенапряжения не позволяет в полной мере реализовать их преимущества. Требуется изменение схем подключения и конструкций устройств электроснабжения для аппаратуры СЦБ, причем имеются определенные особенности и различия в подключении перегонных устройств СЦБ и станционных.

На рис. 4.17 приведена типовая схема защиты приборов перегонной сигнальной точки СЦБ от перенапряжений, в которой используются ограничители перенапряжения ОПН-600. Схема обладает рядом недостатков.

Разработано более рациональное схемотехническое и конструктивное исполнение трансформаторной подстанции КТПОЛ-1,22/10(6)-0,22-У1 для питания сигнальной точки СЦБ с подключением заземляющих проводников к высоковольтному заземлителю. Схема его приведена на рис. 4.18.

Выполним анализ функционирования мер защиты от внутренних и грозовых перенапряжений и влияния функциональных элементов схем на ее эффективность.

Отличительной конструктивной особенностью трансформаторов типа ОЛ, применяющихся в трансформаторных подстанциях КТПОЛ-1,25/10(6)- 0,22-У1, является наличие глухозаземленного электрического экрана между

83

84

Этим ликвидируется попадание номинального напряжения 10,5 кВ (или более высокого, например от грозовых или внутренних перенапряжений) на выводы низковольтной обмотки, подключенной к питающим устройствам релейного шкафа. В результате отпадает необходимость в установке пробивного предохранителя между корпусом трансформатора и выводами вторичной обмотки.

Таким образом, участок электрической цепи от вторичной обмотки трансформатора ОЛ до первичных обмоток трансформаторов релейного шкафа сигнальной точки СЦБ достаточно надежно защищен от высоковольтных воздействий, которые могут вызвать отказ аппаратуры и обусловить соответствующие задержки поездов на участках дорог.

Внутренние перенапряжения возникают при различных нормальных или аварийных коммутациях и повреждениях в системе ВЛ СЦБ. Они характеризуются кратностью К изменения напряжений, которая определяет-

ся как К = Umax ⁄Uф, где – Umax – максимальное напряжение относительно земли; Uф – номинальное фазное напряжение. Для воздушных ЛЭП 110 кВ

значение К составляет 3,2; для ЛЭП 35 кВ – 3,8; для ЛЭП 10 кВ – 4. Внутренние перенапряжения определяют максимально допустимое

для изоляции трансформатора импульсное напряжение с длиной волны 2500 мкс и одноминутное испытательное напряжение частотой 50 Гц, т. е. изоляция трансформатора ОЛ при проектировании и изготовлении должна выдерживать эти перенапряжения.

Наиболее опасными для трансформатора ОЛ являются грозовые перенапряжения при ударе молнии в линию ВЛ СЦБ непосредственно в месте установки подстанции КТПОЛ (перенапряжение прямого удара) или в удаленной от подстанции точке ВЛ СЦБ. Защита подстанции от грозовых перенапряжений обеспечивается установкой на ее вводах ограничителей перенапряжений ОПН. Кроме того, для защиты оборудования релейного шкафа СЦБ от перенапряжений со стороны трансформатора в блоке контроля и управления БКУ подстанции установлены ограничители ОПН: три на входе блока БКУ и один на выходе (см. рис. 4.18).

При использовании на вводах подстанции ограничителей перенапряжений типов POLIM или ОПНп с длительно допустимым рабочим напряжением 12 кВ и волне перенапряжения 8/20 мкс остаточное напряжение, воз-

85

действующее на оборудование подстанции, составляет 40 кВ, а разрядный ток достигает 10 кА. ОграничителиPOLIM выдерживают импульсный ток до 100 кА при волне перенапряжения 4/10 мкс, т. е. крутизна фронта волны тока составляет 100/4 кА/мкс. Ограничители перенапряжения типа ОПНп выдерживают импульсный ток 65 кА при волне перенапряжения 4/10 мкс, т. е. крутизна фронта волны тока составляет 65/4 кА/мкс.

Однако при прямом ударе молнии, по заключению специалистов фирмы АВВ-УЭТМ, ОПН не выдерживают импульсного разрядного тока, разрушаются, но при пробое ОПН пропускают разрядный ток и защищают оборудование. Так, в 2000 году на одной из дистанций электроснабжения при прямом ударе молнии разрушился один ОПН типа POLIM (движение волны по одной фазе), но подстанцию КТПОЛ-1,25/10 защитил.

При удаленной от подстанции точке удара молнии в линию ВЛ СЦБ по линии передвигается падающая электромагнитная волна тока со значительной величиной крутизны фронта. Она создает между проводами электрическое и магнитное поля. На фронте волны происходит изменение потокосцепления:

где L0 – индуктивность участка линии с длиной dx. В результате этого воздействия возникает ЭДС:

зовая скорость перемещения падающей волны тока по линии, идущей от места удара молнии к подстанции; L0, C0, R0 и G0 – индуктивность, емкость, активное сопротивление и поперечная проводимость единицы дли-

86

ны линии. Волновое сопротивление Zв канала молнии по ВЛ СЦБ принимается равным 300 Ом. Для реальных воздушных линий Zв ≈ 300–600 Ом.

Схема замещения системы электроснабжения сигнальной точки при пробое ОПН после удара молнии в точку ВЛ СЦБ, удаленную от подстанции, представлена на рис. 4.19, где Uп – напряжение падающей волны;

UОПН – остаточное напряжение на ОПН при его пробое; Zн = Zз – сопротивление заземлителя.

Рис. 4.19. Схема замещения цепи протекания ударного тока при пробое ОПН

Известно, что напряжение и ток в любой точке линии представляются суммой падающей и отраженной от нагрузки волны. При отсутствии в схеме ОПН они равны:

При включенном ОПН, в соответствии со схемой рис. 4.19, получим:

87

С учетом (4.12) схема замещения, приведенная на рис. 4.19, примет вид, показанный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Преобразованная схема замещения цепи ударного тока

Напряжение на нагрузке определяется амплитудой импульса тока пробоя ОПН и сопротивлением заземлителя, которое зависит от его типа и удельного сопротивления грунта.

Удельное сопротивление грунта в зависимости от его вида (глина, суглинок, смешанный грунт – глина, известь, щебень; песок влажный) находится в пределах от 1 до 1000 Ом∙м; гравия и щебня – 200 Ом ∙ м, а для каменистых почв – 400 Ом ∙ м.

Импульсное сопротивление единичного импульсного вертикального заземлителя: Rи = Rстαи, где Rст – сопротивление растеканию, рассчитанное для стационарного режима при низкой частоте и малой плотности тока; αи – импульсный коэффициент заземлителя, зависящий от типа заземлителя, удельного сопротивления грунта и амплитуды стекающего импульсного тока.

Рассмотрим влияние удельного сопротивления грунта на сопротивление растекания однотрубчатого заземлителя, определяемого как

Для ρ = 20 Ом∙м при длине l = 2,5 м и диаметре трубчатого заземлителя d = 5 см получим Rст = 8 Ом. С учетом α и = 0,9–0,95 для амплитуды тока Iм = 10 кА импульсное сопротивление равно Rи = 8 ∙ 0,9 = 7,2 Ом.

Для грунта, состоящего из гравия и щебня, имеем ρ = 200 Ом ∙ м. Т о- гда при l = 2,5 м, d = 5 см сопротивление растекания Rст = 80 Ом, и с уч е- том, что αи = 0,65–0,7 при Iм = 10 кА, будем иметь Rи = 52 Ом.

88

Для трансформаторных подстанций, у которых трансформатор имеет заземленную нейтраль, сопротивление Rст должно быть не более 4 Ом, а при изолированной нейтрали – не более 10 Ом независимо от удельного сопротивления грунта. На скальных и вечномерзлых грунтах, когда их удельное сопротивление может достигать 1000 Ом ∙ м и бо лее, соблюдать такие жесткие требования зачастую затруднительно. Поэтому при пробое ОПН со значительной амплитудой импульса разрядного тока на заземлителе подстанции, расположенной на скалистых и вечномерзлых грунтах, возникают перенапряжения

которые даже для рассмотренных выше условий могут быть равны

U=10000 300 52 = 443 кВ.

З300 +52

При этом возможен пробой изоляции кабеля, соединяющего кабельный ящик подстанции (см. рис. 4.18) с релейным шкафом. Перенапряжение повреждает изоляцию (рис. 4.21) первичных обмоток трансформаторов ПОБС, СОБС, пробивает разрядник РВНШ-250 и через корпус релейного шкафа дроссель-трансформатор попадает на дальний естественный контур заземления – рельсы.

Кроме того, на электрифицированных на постоянном токе участках железных дорог, когда корпус релейного шкафа соединен со средней точкой дроссель-трансформатора ДТ (см. схему рис. 4.21) и при срабатывании рогового разрядника, возникает электрическая связь по цепи: контактный провод → роговый разрядник → рельс → средний вывод ДТ → разрядник РВНШ-250 → жила проводника ПХ (ОХ) в кабеле → блок БКУ → втори ч- ная обмотка трансформатора ОЛ. При этом создается нежелательное перенапряжение на вторичной обмотке линейного трансформатора ОЛ, которое достигает значения 3 кВ. Для устранения подобных экстремальных воздействий со стороны ВЛ СЦБ и со стороны контактной сети предлагается исключение разрядника РВНШ-250 из цепей ПХ (ОХ) и соединение высо-

89

ковольтного заземлителя подстанции КТПОЛ-1,25/10(6) с рельсами непосредственно или через средний вывод ДТ.

Предложенная схема подключения заземления перегонных сигнальных точек СЦБ и конструктивное исполнение трансформаторных подстанций (см. рис. 4.18 и 4.21) внедрены на 16 сигнальных точках автоблокировки трех перегонов Свердловской железной дороги. На протяжении двух лет эксплуатации сигнальных точек отказов по причине грозовых или иных воздействий импульсных перенапряжений не зафиксировано, хотя ранее на этих точках они имели место.

90