2.5. Защита преобразовательных агрегатов тяговых подстанций постоянного тока

Преобразовательные (выпрямительные, инверторные, выпрямительно-инверторные) агрегаты тяговых подстанций состоят из двух последовательно включенных элементов: преобразовательного (тягового) трансформатора и преобразователя (выпрямителя или инвертора), включенных по определенным схемам.

На тяговых подстанциях широко распространены шестипульсовые преобразовательные агрегаты, включенные по нулевым схемам параллельного типа с тяговыми трансформаторами 2ТМРУ-6200/35, ТМРУ-16000/10Ж, ТМПУ-16000/10ЖУ1 и по трехфазной мостовой схеме с тяговым трансформатором ТДП-12500/10ЖУ1 (рис. 2.3, а).

С 1975 г. на тяговых подстанциях применяются двенадцатипульсовые преобразовательные агрегаты, имеющие более высокие технико-экономические показатели и включенные по двухмостовой параллельной схеме с тяговым трансформатором ТРДП-12500/10Ж. В настоящее время применяются двенадцатипульсовые преобразовательные агрегаты, включенные по двухмостовой последовательной схеме (рис. 2.3, б).

Наиболее распространенными выпрямителями являются ПВКЕ-2, ПВЭ-5АУ1 и ТПЕД-3150-3,3кУ1 (последний – с естественным воздушным охлаждением), рассчитанные на номинальный выпрямленный ток 3000 А.

Для преобразования избыточной энергии рекуперации на тяговых подстанциях применяются шестипульсовые выпрямительно-инверторные агрегаты, включенные по трехфазной мостовой схеме.

Перегрузочная способность преобразовательного агрегата определяется допустимыми перегрузками трансформатора и преобразователя. Преобразовательные трансформаторы допускают перегрузку 50 % в течение 2 ч, 100 % – 10 мин и 200 % – 1 мин с периодом повторения 1 раз в три часа. Выпрямители тяговых подстанций согласно требованиям ГОСТ 18142-72 должны выдерживать перегрузку 25 % в течение 15 мин, 50 % – 1 раз в 30 мин. При этом за время работы преобразователя в режиме перегрузки среднее квадратичное значение тока за любые 30 мин (время усреднения) не должно превышать значение номинального тока.

Таким образом, трансформаторы допускают большую перегрузку (и по кратности, и по длительности), чем преобразователи, поэтому при выборе и расчете установок защиты преобразовательных агрегатов от сверхтоков необходимо ориентироваться в первую очередь на перегрузочную способность преобразователей. Нагрузочную способность преобразователя характеризует так называемая ампер-секундная характеристика. Идеальной защитой преобразователя от сверхтоков была бы такая защита, которая имела бы ампер-секундную харак-

а б Рис. 2.3. Принципиальные схемы включения преобразовательных агрегатов: а – шестипульсовая мостовая схема; б – двенадцатипульсовая схема последовательного типа

теристику, совпадающую с ампер-секундной характеристикой соответствующего преобразователя. В реальных условиях применяют защиту, защищающую преобразователь только на некотором участке его ампер-секундной характе-ристики.

На преобразовательных агрегатах тяговых подстанций применяются следующие устройства защиты, контроля и сигнализации.

Токовая отсечка и максимальная токовая защита с выдержкой времени 0,4 – 0,5 с, выполняемые на основе реле РТ-40.

Газовая защита трансформатора с действием первой ступени на сигнал (при слабых газообразованиях и понижении уровня масла), второй ступени – на отключение (при интенсивном газообразовании).

Максимальная токовая защита обратной последовательности с выдержкой времени 1 – 2 с от замыкания на землю одной фазы ошиновки от трансформатора до преобразователя. При некоторых схемах включения выпрямительных агрегатов и таком повреждении ток не достигает значения, опасного для трансформатора или выпрямителя, однако, при этом на электрифицированных железных дорогах постоянного тока по рельсовым цепям протекают токи гармоник с частотами, кратными 50 Гц, что может в ряде случаев приводить к ложной работе железнодорожной сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Токовая защита обратной последовательности может не применяться, если имеются другие типы защиты, реагирующие на упомянутый вид повреждения.

Защита от замыкания на землю (на заземленные металлоконструкции в шкафах вентильных блоков, плюсовой и минусовой шин) на стороне выпрямленного напряжения преобразователя.

При установке преобразователя в помещении (в РУ-3,3 кВ) шкафы вентильных блоков, фланцы изоляторов, разъединителей, быстродействующих выключателей и другие устройства заземляют на внутренний контур заземления. При замыкании на землю в любой точке РУ-3,3 кВ срабатывает земляная защита 3,3 кВ, воздействующая на отключение всех преобразовательных агрегатов, быстродействующих выключателей и линейных разъединителей всех фидеров 3,3 кВ подстанции.

В случае установки преобразователей вне РУ-3,3 кВ соответствующие элементы каждого преобразователя через обмотку специального реле защиты от замыкания на землю заземляют на наружный контур заземления подстанции. При срабатывании этого реле защита воздействует на отключение только данного преобразователя.

Защита во всех случаях действует без выдержки времени и с постоянной блокировкой, исключающей возможность повторного включения в работу преобразователя устройствами автоматики или телеуправления без предварительного осмотра его и деблокировки защиты.

Защита от пробоя вентилей, которая при повреждении одного вентиля (одной параллельной группы) в фазе (вентильном плече) преобразователя воздействует на сигнал, двух вентилей и более – на отключение.

На некоторых типах преобразователей (ПВКЕ-2, ПВЭ-5АУ1 и др.) защита от пробоя вентилей не предусматривается.

Защита от длительной перегрузки преобразовательного агрегата, воз-действующая с выдержкой времени на сигнал или на включение резервного агрегата.

Защита от исчезновения или превышения допустимой несимметрии импульсов управления на одной или нескольких фазах (для преобразователей с управляемыми вентилями), действующая на сигнал или на отключение преобразователя. При этих ненормальных режимах в рельсовых цепях СЦБ могут появиться токи гармоник с частотами, кратными 50 Гц, с соответствующими недопустимыми последствиями.

Защита от перегрева преобразовательного трансформатора. Контроль температуры верхних слоев масла в трансформаторе осуществляется термосигнализатором (ТС-100, СТ-2 ЦНИИ). При температуре масла свыше +55С независимо от нагрузки включается дутьевое (при наличии такового) охлаждение трансформатора. При нагрузке по току выше 70 % номинальной независимо от температуры масла также включается дутьевое охлаждение. При достижении маслом температуры от +75 до +80С подается сигнал о перегреве трансфор-матора.

Тепловая защита от превышения допустимой температуры полупроводниковой структуры вентилей преобразователя, воздействующая на управление системой принудительного охлаждения вентильных блоков, включение резервных преобразовательных агрегатов, сигнал и отключение преобразователя.

Защита от коммутационного и индуктированного атмосферного перенапряжения на сторонах вторичного напряжения преобразовательного трансформатора и выпрямленного тока, которая осуществляется ограничителями перенапряжения.

Аппаратура автоматического регулирования мощности (АРМ) для повышения надежности электроснабжения и коэффициента мощности электри-ческой тяги и уменьшения потерь электрической энергии в преобразовательных агрегатах (при наличии на подстанции двух агрегатов и более).

При выборе трансформаторов тока необходимо также учитывать, что на инверторных и выпрямительно-инверторных агрегатах предусматривается по одному комплекту вторичных обмоток трансформаторов тока для подключения счетчиков электроэнергии (одного счетчика реактивной энергии и двух – со стопорами активной энергии) и датчиков тока и переключения режимов.