CC BY
210
Общетехнические и социальные проблемы
149
Заключение
Все большее применение микропроцессорных устройств выводит системы железнодорожной автоматики на принципиально новый уровень. Использование микропроцессорных устройств позволяет оптимизировать и облегчить работу эксплуатационного персонала за счет автоматизации и увеличения эргономичности рабочих мест, большей информативности системы и мощных систем диагностики.
Ввиду того, что наружное наблюдение за микропроцессорной системой, как правило, позволяет только констатировать наличие отказа, но не позволяет его локализовать, каждая микропроцессорная система должна иметь мощную систему диагностики и протоколирования. Без диагностики все плюсы такой системы будут сведены на нет при первой же неисправности. Поэтому при разработке структуры таких систем большое внимание уделяется функциональному диагностированию системы и протоколированию всех её действий.
УДК 621.332:621.316.9
А. В. Боголепов
ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Рассмотрены основные проблемы отключения постоянного тока вакуумным выключателем, а также основные требования к составным частям выключателя для отключения токов короткого замыкания при различных параметрах тяговой сети постоянного тока.
вакуумный выключатель, постоянный ток, тяговая сеть, гашение дуги, перенапряжения, индуктивность сети, короткое замыкание.
Введение
Быстродействующий выключатель является основным аппаратом защиты от токов короткого замыкания (КЗ) и токов перегрузки в силовой цепи электроподвижного состава (ЭПС). В настоящее время на электроподвижном составе применяются различные типы быстродействующих выключателей с открытой дугогасительной камерой с
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
электромагнитным дутьем. Недостатки таких выключателей - низкая надежность, пожаро- и взрывоопасность, наличие открытой дуги. Собственное время отключения 15-40 мс (полное время - до 80 мс) и уровень номинального тока 250 А не могут удовлетворить потребностям современного высокоскоростного электроподвижного состава с его увеличивающимися мощностями, т. е. необходимо определить параметры для нового современного аппарата защиты для ЭПС.
В последнее время все большее распространение в различных отраслях промышленности для защиты питающих сетей получают вакуумные выключатели, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами выключателей: простота конструкции и автономность работы - отсутствие клапанов, компрессоров, других вспомогательных устройств (нет замены и пополнения дугогасящей среды в вакуумной дугогасящей камере (ВДК)), надежность, высокая коммутационная износостойкость, простота обслуживания, низкие эксплуатационные затраты, высокое быстродействие за счет малых ходов и массы подвижных контактов, исключительно высокая скорость восстанавливающейся электрической прочности между контактами, герметичное исполнение дугогасительных камер, отсутствие масла и других горючих материалов, отсутствие выброса газов, что обеспечивает полную пожаро- и взрывобезопасность, предотвращает загрязнение окружающей среды, и многое другое.
1 Отключение постоянного тока вакуумным выключателем
1.1 Постановка задачи
Как уже было сказано, основной задачей быстродействующего выключателя является отключение тока КЗ, возникающего при аварии в силовой цепи ЭПС (пробой изоляции силовых проводов или двигателя на корпус и т. д.). В зону защиты выключателя входит участок цепи от самого выключателя до устройства съема тока на рельс.
Величина и скорость нарастания токов КЗ в тяговой сети зависят от напряжения в точке КЗ и от параметров сети. На рисунке 1 показана схема замещения тяговой сети постоянного тока с элементами тягового электропривода при коротком замыкании на ЭПС.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
151
Рис. 1. Схема замещения короткозамкнутой тяговой сети с элементами тягового электропривода ЭПС
В наиболее тяжелом режиме глухого короткого замыкания на рельс токоограничивающим элементом для тока КЗ является суммарное сопротивление контактной сети Як, рельсов Яр и внутреннее сопротивление тяговой подстанции Яо. Величина суммарной
индуктивности тяговой сети, состоящей из индуктивностей контактной сети Ьк, рельсов Ьр, внутренней индуктивности подстанции Lo и индуктивности реактора сглаживающего фильтра Ьрк, определяет скорость нарастания тока КЗ. Максимальная величина тока может достигать 20 кА (при коротком замыкании вблизи тяговой подстанции), а скорость нарастания тока КЗ меняется в пределах 80-1300 А/мс [1] в
зависимости от индуктивности реакторов сглаживающего устройства подстанции и расстояния от ЭПС до тяговой подстанции.
При такой скорости нарастания аварийного тока выключатель должен ограничить ток КЗ как можно быстрее, чтобы не допустить повреждения элементов тягового электропривода. Для того чтобы ограничить ток на уровне 7 кА при скорости нарастания тока 1300 А/мс, необходимо, чтобы время от фиксирования выключателем значения уставки до начала ограничения тока не превышало 5 мс.
Как уже говорилось выше, вакуумные выключатели обладают рядом достоинств по сравнению с выключателями с электромагнитным дутьем. Далее рассмотрим возможность ограничения аварийного тока вакуумным выключателем на уровне 7-10 кА при максимальной скорости его нарастания.
1.2 Требования к основным параметрам выключателя
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ОШцетехнические и социальные проблемы
Время отключения тока выключателем складывается из собственного времени отключения выключателя, времени развода контактов на номинальное расстояние и времени дугогашения до полного снижения тока до нуля. Собственное время отключения выключателя - это время от момента достижения током заданной уставки до момента начала развода контактов. Оно определяется инерционностью и быстродействием привода выключателя. Наибольшее быстродействие сможет обеспечить привод индукционно-динамического типа. Принцип его действия основан на разряде мощного накопителя энергии (конденсаторной батареи) на так называемую индукционно-динамическую катушку. В результате создается сила порядка десяти килоньютонов, которая с большой скоростью отрывает контакты друг от друга.
Для того чтобы сократить собственное время выключателя, нужно как можно быстрее разрядить конденсаторную батарею на катушку. Это позволит сделать сверхбыстродействующий бесконтактный коммутатор. В качестве такого возможно применение вакуумных управляемых разрядников, тиратронов или полупроводниковых коммутаторов (тиристоров, реверсивно включаемых динисторов (РВД)).
Тиратроны требуют для работы дополнительные цепи накала, имеют большое время подготовки к включению (на прогрев), а полупроводниковые ключи, существующие в настоящее время, не обеспечивают требуемой нагрузочной характеристики по току и напряжению. Этих недостатков лишены вакуумные управляемые разрядники. Они не требуют дополнительных цепей нагрева, обладают мгновенной готовностью к работе и могут коммутировать импульсы тока до десятков килоампер при напряжении в несколько киловольт. Собственное время коммутации цепи у разрядников не превышает десятков микросекунд.
Как показывают результаты испытаний [2], возможно добиться собственного времени срабатывания индукционно-динамического привода порядка 1-1,5 мс. В течение следующих 2-3 мс привод разведет контакты вакуумной камеры на номинальное расстояние, равное 6-8 мм. Такая скорость возможна за счет малых ходов и массы контактов вакуумной камеры. Вакуум обладает значительно более высокой диэлектрической прочностью по сравнению с воздухом. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы 153
Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах. При высокой электрической прочности расстояние между контактами может быть очень малым, поэтому размеры камеры могут быть также относительно небольшими.
Если в отключаемой цепи в момент разведения контактов протекал значительный ток, то на контактах загорается дуга. При отключении в вакуумной камере переменного тока ее гашение происходит в естественный переход тока через ноль, в случае отключения постоянного тока этого не случается. В воздушных выключателях постоянного тока гашение дуги проходит в дугогасительной камере, где дуга растягивается и дробится, таким образом она охлаждается и погасает. В случае использования вакуумной камеры необходимо применить другие меры для дугогашения. Такой мерой может быть гашение дуги импульсом тока противоположного направления [3]. Источником такого импульса может служить предварительно заряженная конденсаторная батарея. Рассмотрим эту схему более подробно (рис. 2).
Как видно из рисунка, конденсатор С заряжен напряжением противоположной полярности по отношению к отключаемой цепи. При разведении контактов камеры ВК на номинальное напряжение включается вакуумный управляемый разрядник Р и происходит разряд конденсатора импульсом тока противоположного направления /раз. Емкость
конденсатора должна быть достаточной, чтобы обеспечить амплитуду тока
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ОЙцетехнические и социальные проблемы
большую, чем амплитуда отключаемого тока. Тогда суммарный ток в камере приходит к нулю и дуга гаснет. Но на самом деле ток в камере не прекращается, а смещается из камеры в конденсатор и прерывается в колебательном процессе. Индуктивность L необходима для придания импульсу трапецеидальной формы. Пускай отключаемый ток равен 7 кА, а конденсатор заряжен до напряжения 2800 В, тогда волновое сопротивление цепи
Z =
L
U 2800 7 7000
0,4= Ом.
Необходимая емкость конденсатора
L 12 -10-6
Z2 (=4
75 мкФ.
При этом угловая частота колебаний в контуре Ю составит 33-103 рад/с, период колебаний T - около 190 мкс, смещение тока произойдет менее чем за % периода, около 30 мкс. Таким образом, полное отключение тока КЗ амплитудой 7 кА возможно осуществить примерно за
4,6 мс. Для отключения тока 10 кА потребуется вдвое большая емкость -около 150 мкФ.
1.3 Проблемы отключения тока КЗ вакуумным выключателем в тяговой сети постоянного тока
Как было отмечено выше, при отключении выключателя ток с амплитудой 7 кА спадает до нуля за 30 мкс, т. е. скорость снижения тока составляет около 235 А/мкс. Это очень большая скорость. При отключении выключателя в момент снижения тока на его контактах начинает появляться так называемое переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН). Чем больше скорость снижения тока, тем больше скорость ПВН. Чтобы повторного зажигания дуги в камере не происходило, скорость восстановления электрической прочности в вакууме должна превышать скорость ПВН. Поэтому нужно применять меры для уменьшения скорости ПВН (рис. 3).
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
155
Как видно из рисунка 3, последовательно с камерой включается дроссель Ьнас. Дроссель должен иметь рабочую характеристику кривой намагничивания при малых токах (десятки и единицы ампер). При номинальном токе выключателя и токах перегрузки дроссель насыщен и его индуктивность мала, при снижении тока и подходе его к нулю индуктивность дросселя повышается, скорость уменьшения тока снижается, соответственно снижается и скорость ПВН. Подключение конденсатора С1 небольшой емкости (0,1-0,01 мкФ) параллельно контактам камеры выключателя приводит к заваливанию фронта ПВН, что также уменьшает скорость последнего и благоприятствует успешному отключению тока.
В правой части рисунка изображены эпюры тока 1к в камере и напряжение ик на контактах выключателя. Пунктирной линией показан случай отключения тока без средств уменьшения ПВН, сплошной - с применением Ьнас и С1. Как можно заметить, применение дросселя и конденсатора приводит к некоторой задержке ПВН. Этого бывает достаточно для того, чтобы диэлектрическая прочность вакуума восстановилась до требуемого значения, так как малая плотность газа в вакууме обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов погасшей дуги из-за большой разницы плотностей частиц в заряде и в вакууме.
Еще одна проблема, которую необходимо решить при отключении токов КЗ, - рассеяние электромагнитной энергии, запасенной в
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
индуктивности сети к моменту отключения тока и ограничение перенапряжений, возникающих на элементах выключателя. Перенапряжения, возникающие при коммутации цепей с индуктивностями вакуумными выключателями, являются основным недостатком, присущим этому типу аппаратов. Как было сказано в п. 1.1, индуктивность сети складывается из индуктивностей контактной сети Ьк, рельсов Ьр, внутренней индуктивности подстанции Ьо и индуктивности реактора сглаживающего фильтра Ьрк. Определяющими величинами являются Ьк, Ьр
и Ьрк.
Индуктивности реакторов могут меняться от 3 до 11 мГн, обычно на подстанции устанавливаются два реактора. Удельные индуктивности контактной сети и рельсов, согласно [1], составляют 1 мГн/км и 1,2 мГн/км соответственно. Следовательно, при установке на тяговой подстанции двух реакторов и максимальной удаленности ЭПС от подстанции индуктивность может достигать 50 мГн. Для ограничения перенапряжений на входе выключателя необходимо включить ограничители перенапряжений (ОПН) с рабочим напряжением, которые обеспечат ограничение перенапряжений на уровне не более 9 кВ и смогут рассеять накопленную в сети электромагнитную энергию.
2 Исследование процессов коммутации выключателя на модели
2.1 Построение модели и основные допущения
Моделирование проводилось в пакете Matlab 6.5 c использованием приложения Simulink 4.1, предназначенного для моделирования динамических систем, модели которых составляются из отдельных блоков (компонентов). Такой выбор средства моделирования был сделан благодаря тому, что в этом пакете реализованы принципы визуальноориентированного программирования, позволяющего легко набирать нужные блоки и соединять их с целью составления модели системы или устройства. При этом сложнейшие уравнения состояния, описывающие работу моделей систем или устройств, формируются автоматически. По удобству графического пользовательского интерфейса, обилию моделей (блоков) компонентов в множестве библиотек, разнообразию виртуальных средств регистрации и визуализации результатов моделирования, а главное - по его надёжности и достоверности Simulink выгодно отличается от множества подобных программ.
В первом приближении модель силовой цепи выключателя показана на рисунке 4. Тяговая подстанция представлена источником постоянного тока (TP) с внутренним индуктивным и активным сопротивлением (Sobstvennue parametru TP). Для учета параметров тяговой сети в модель введена индуктивность (Induktivnost TS). Камера выключателя (VDK)
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
157
смоделирована при помощи блока Breaker. Разрядник (Razriadnik), токоприемник (Pantograf) и короткозамыкатель (Korotkozamukatel) смоделированы при помощи идеальных ключей (Ideal Switch). Нагрузка представлена в виде активного сопротивления величиной 5 Ом (Nagruzka). Регистрация токов и напряжений производится при помощи виртуальных датчиков тока и напряжения (Current и Voltage Measurement), а также виртуальных осциллографов (Scope).
Рис. 4. Модель силовой цепи быстродействующего выключателя
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
2.2 Исследование процессов коммутации выключателя при различных параметрах сети
Для обеспечения перевода тока дуги через ноль необходимо зарядить конденсаторную батарею контура противотока (Zariadnaia emkost) таким образом, чтобы ток разряда был направлен встречно основному току главной цепи. Заряд осуществляется после подъема токоприемника через сопротивление 1,2 кОм, подключенного параллельно контактам VDK. Процесс заряда при напряжении на шинах тяговой подстанции 3200 В показан на рисунке 5.
После заряда емкости противотока выключатель готов к отключению тока нагрузки или КЗ. Происходит замыкание контактов ВДК (VDK), и через нагрузку начинает протекать ток. При заданной нагрузке 5 Ом ток нагрузки составит около 616 А.
Проведем опыт КЗ для значения индуктивности сети 3 мГн. В момент времени, равный 55 с (рис. 6), замыкается короткозамыкатель и имитируется процесс глухого КЗ на землю.
t, с
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
159
Рис. 6. Ток в камере выключателя при индуктивности сети 3 мГн Ток в камере начинает увеличиваться, и после достижения уставки подается команда на отключение быстродействующего привода камеры. Допустим, уставка равняется 900 А. Ток достигнет значения уставки за время около 0,3 мс. Через 1,5 мс в момент времени t = 55,0018 с начнут разводиться контакты камеры (собственное время выключателя). Еще через 2 мс контакты разойдутся на номинальное расстояние и между ними начнет гореть дуга. Следовательно, через 3,8 мс после фиксирования достижения током КЗ уставки (в момент времени t = 55,0038 мс), или через 3,5 мс от момента подачи сигнала на отключение быстродействующего привода, подается команда на включение разрядника, происходит разряд конденсатора контура противотока импульсом тока противоположной направленности (рис. 7) и ток начинает смещаться из камеры в конденсатор. Как видно из рисунка 6, ограничение тока произошло на уровне 4 кА. При отключенных ограничителях перенапряжений (OPN) в момент отключения тока на контактах камеры возникнут перенапряжения порядка 21 кВ. Это
объясняется большой величиной электромагнитной энергии W =
LI2
запасенной в цепи к моменту отключения (рис. 8). Поэтому необходима установка ОПН на входе выключателя для снижения перенапряжений до приемлемого уровня 8 кВ (рис. 9).
Рис. 7. Ток в контуре противотока
На рисунке 9 показана осциллограмма напряжения на выключателе при включении на входе выключателя ОПН. Как видно из рисунка,
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ОбОщетехнические и социальные проблемы
перенапряжения ограничиваются на уровне 8кВ. Осциллограмма тока через ОПН показана на рисунке 10. На ограничителях рассеивается энергия около 50 кДж.
Рис. 8. Напряжение на контактах камеры выключателя в момент отключения тока без применения ОПН при индуктивности сети 3 мГн
U, В
Напряжение на контактах в ВДК
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
161
8000
Напряжение на контактах ВДК
4000
■6000
1 1 1 1 — FF 1 1 1 г
1 1 1 1 J 1 1 1 1 L
54.ЭЭ4 54.936 54.338 55 55.002 55.004 55.006 55.008 55.01 55.012 55.014 f c
Рис. 9. Напряжение на контактах камеры выключателя в момент отключения тока
с применением ОПН
Рис. 10. Ток через ОПН
Процесс нарастания тока КЗ при индуктивности сети 50 мГн показан на рисунке 11. Как можно заметить, скорость нарастания тока значительно меньше, чем в случае с индуктивностью сети 3 мГн. Ограничение тока КЗ
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ОЕбщетехнические и социальные проблемы
происходит на уровне 1100 А. Но уровень перенапряжений на контактах выключателя остается примерно таким же, как и для случая отключения тока КЗ при индуктивности сети 3 мГн.
Рис. 11. Ток в камере выключателя при индуктивности сети 50 мГн
Рис. 12. Напряжение на контактах камеры выключателя в момент отключения тока без применения ОПН при индуктивности сети 50 мГн
Заключение
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
163
Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод о том, что вакуумный выключатель способен осуществлять защиту ЭПС от токов короткого замыкания в тяговой сети постоянного тока. При условии собственного времени срабатывания привода не более 1,5 мс выключатель ограничивает ток на уровне 4 кА при индуктивности сети 3 мГн и на уровне 1100 А при индуктивности сети 50 мГн. Уставка выключателя при этом составляет 900 А. Емкость конденсатора контура противотока, которая с запасом обеспечит отключение тока КЗ при данных параметрах, составляет 75 мкФ.
Основными проблемами, которые необходимо решить при коммутации тока вакуумным выключателем, являются уменьшение скорости ПВН и поглощение электромагнитной энергии, накопленной в цепи к моменту отключения. Для уменьшения скорости ПВН последовательно с камерой включается дроссель, который имеет значительное индуктивное сопротивление при малых токах. Тем самым уменьшается скорость подхода тока к нулю и ПВН. Подключение конденсатора емкостью 0,1-0,01 мкФ параллельно контактам также способствует уменьшению скорости ПВН.
Для поглощения электромагнитной энергии и ограничения перенапряжений на входе выключателя необходимо подключить ограничители перенапряжений, выполненные, например, на основе нелинейных сопротивлений (оксидно-цинковых варисторов). Ограничители должны быть способны рассеять энергию порядка 50 кДж и более. Для обеспечения требуемой нагрузочной способности по току возможно параллельное подключение цепочек ОПН, но тогда появляется проблема обеспечения синхронного срабатывания ОПН.
Библиографический список
1. Защита тяговой сети от токов короткого замыкания : учеб. пособие для вузов / С. М. Кузнецов. - Новосибирск : Изд. НГТУ, 2005. - 352 с. - ISBN 5-7782-0500-7.
2. Протокол ЭО-01-05 предварительных испытаний выключателя быстродействующего БВ-1 / В. А. Малютин, И. И. Талья, Н. В. Лысов, Г. Д. Князева, А. В. Боголепов и др. // СПб. : ЗАО ЦНИИ ТЭП, 2005. - 96 с.
3. Электрическая часть станций и подстанций : учебник для вузов / А. А. Васильев, И. П. Крючков, Е. Ф. Наяшкова и др.; ред. А. А. Васильев. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 576 с. - ISBN 5-283-01020-1.
4. Тяговые и трансформаторные подстанции : учебник для техникумов ж.-д. трансп. / А. А. Прохорский. - М. : Транспорт, 1983. - 496 с.
УДК 656.2.08
К. Н. Войнов, В. С. Доев
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
