Содержание к диссертации
Введение
1. Способы повышения отключающей способности быстро действующих выключателей и ограничения коммутаци онных перенапрязкений
1.1. Работа быстродействующих выключателей в режимах к. з. на контактной сети ІЗ
1.2. Способы шунтирования контактов выключателей І6
1.3. Шунтирование реактивных элементов отключаемой цепи 21
2. Устройство шунтирования сгліживающих реакторов выпрямитеяьных подстанций
2.1. Исследование влияния шунтирования резисто -ром индуктивности реактора на процесс отключения к.з. быстродействующими выключателями 3S
2.2. Выбор и расчёт шунтирующего резистора на термическую устойчивость <
2.3. Выбор параметров разрядного устройства на тиристорах 56
2.4. Сравнительные экспериментальные исследова -ния устройств шунтирования реакторов выпрямительных подстанций 65
2.5. Анализ опыта эксплуатации разрядных устройств
на выпрямительных подстанциях ?В
3. Разрядные устройства для выпрямительных преобразователей
3.1. Особенности шунтирования реакторов в схемах ВИП 88
3.2. Исследование на модели условий работы разрядных устройств в схемах ВИЛ 99
3.3. Выбор параметров разрядных устройств для ре -акторов преобразователей 106
3.4. Экспериментальная оценка эффективности шунтирования реакторов ВИЛ Цб
3.5. Эксплуатационные испытания разрядных устройств
в схемах ВИЛ 119
4.1. Режимы работы искровых промежутков на контактной сети и тяговых подстанциях 135
4.2. Выбор электрической схемы искрового промежутка 133
4.3. Количественная оценка факторов, влияющих на конструкцию ИП {кЪ
4.4. Экспериментальные исследования работы искрового промежутка ИПВ-ЦШИ 150
5. Оценка экономического эффекта от внедрения разрядных устройств ур-2 и искрового промежутка ИПВ-ЦНИИ
5.1. Экономическая эффективность использования УР-2
на выпрямительных подстанциях 169
5.2. Оценка экономической эффективности применения искровых промежутков ИПВ-ЦНИИ 176
Основные результаты и выводы (81
Литература
- Способы шунтирования контактов выключателей
- Выбор и расчёт шунтирующего резистора на термическую устойчивость
- Исследование на модели условий работы разрядных устройств в схемах ВИЛ
- Оценка экономической эффективности применения искровых промежутков ИПВ-ЦНИИ
Введение к работе
В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС предусматривается дальнейшее повышение эффективности работы железнодорожного транспорта за счёт увеличения пропускной и провозной способностей. Эта задача решается путём повышения массы и скорости поездов на основных направлениях грузопотоков, вождения соединённых грузовых поездов. Увеличение грузооборота предъявляет более высокие требования к надёжности системы тягового электроснабжения, так как любой отказ её приводит к созданию тяжелой поездной ситуации на линии при напряженном графике движения поездов.
Систематический рост токовых нагрузок весьма остро ставит вопросы улучшения работы защиты тяговой сети от коротких замыканий особенно в условиях .. электрической тяги" постоянного тока: своевременное выявление короткого замыкания, быстрое и эффективное отключение токов коротких замыканий (к.з.), значительно увеличившихся на грузонацряженных линиях в связи с установкой на тяговых подстанциях более мощных понизительных трансформаторов и преобразовательных агрегатов суммарной мощностью 20-30 Шт.
В связи с тем, что на грузонацряженных линиях токовые на -грузки фидеров тяговых подстанций зачастую цревышают 4-5 кА / I, 2 /, возникает необходимость повышения уставок фидерных выключателей. Это в свою очередь приводит к увеличению амплитуды тока в них при отключении коротких замыканий. Напряжение на шинах тяговых подстанций нередко достигает 3,9-4,0 кВ, особенно при рекуперативном торможении, а индуктивность отключаемой цепи составляет 15-20 мГн, что создает очень тяжелые условия для работы выключателей. Не претерпев за последние 20 лет существен -ных конструктивных изменений, свыше 12 тыс. фидерных выклгочате-
лей тяговых подстанций работают практически на пределе своей отключающей способности. Б эксплуатации отмечаются случаи негаше -ния быстродействующими выключателями токов к.з., что приводит не только к повреждениям оборудования подстанций и самих выключателей, но и к длительным перерывам в питании электрифицированных участков и, следовательно, задержкам поездов, С этих позиций актуальной становится задача повышения надёжности быстродействую -щих выключателей путём облегчения условий их работы при постоянном росте мощности устройств электроснабжения.
Теоретическим исследованиям и разработке новых конструкций выключателей, дугогасительных камер, способов повышения отключающей способности выключателей посвящены работы Голубева А.И., В.Д.Радченко, И.И.Рыкова, А.В.ФараФонова, Е.О.Михайленко, Б.Н. Пупынина, М.И.Векслера, А.М.Куссуля, Л.К.Скурыгина и др. советских учёных. В ряде работ / 3, 4, 5 / предложены и в настоящее время реализованы различные пути по повышению надёжности выключателей, однако в полной мере эта задача пока не решена. Не принесли желаемого результата и работы по созданию дугогасительных камер с принципиально новой системой дугогашения / 6 /.
На действующих подстанциях повышение надёжности защиты осуществлено за счёт установки двух последовательно соединённых быстродействующих выключателей, что дало возможность быстро и надёжно отключать токи к.з. Вместе с тем известно /7, 8 /, что быстрое отключение постоянного тока в цепях со значительными ин-дуктивностями приводит к возникновению коммутационных перенапряжений, обладающих большой энергией и воздействующих на оборудо -вание тяговых подстанций и электроподвижного состава (ЭПС). Бе -личины этих перенапряжений зависят от индуктивности отключаемой цепи и от скорости изменения тока, определяемой интенсивностью
-G-
гашения дуги в дугогасительных камерах быстродействующих выключателей. Например, при отключении одним выключателем АБ-2/4 цепи с индуктивностью 6,5 мГн возникают перенапряжения 4,5-5,0 кБ, при отключении этой цепи двумя выключателями АБ-2/4 перенапря -жения увеличиваются до 8-9 кБ. Выпускаемые в настоящее время заводом "Уралэлектротяжмаш" выключатели ВАБ-43-4000/30 создают коммутационные перенапряжения до 13 кВ. Воздействие перенапря -жений такого уровня с запасенной энергией до 150 кДж на вентильные разрядники тяговых подстанций и ЭПС, обладающих ограничен -ной пропускной способностью (вновь разрабатываемые разрядники РВКУ-3,3 рассчитаны на рассеивание 65-75 кДж), может привести к их повреждениям (взрывам). Как правило, эти случаи связаны с перерывами питания электрической тяги. Таким образом, наряду с задачей повышения надёжности быстродействующих выключателей важ -ным является и вопрос ограничения коммутационных перенапряжений. С ростом тяговых нагрузок не менее актуальной становится и задача осуществления заземления искусственных сооружений на рельсовые цепи. С точки зрения надёжной защиты от токов к.з. и обеспечения безопасности обслуживающего персонала искусственные сооружения (опоры контактной сети, светофоры, переходные мосты и т.д.) необходимо металлически соединять с рельсами. Однако та -кое соединение их нежелательно, т.к. при этом увеличивается утечка тягового тока в землю и, как следствие этого, усиливается электрическая коррозия подземной части опор и других расположенных вблизи железной дороги металлических сооружений. Кроме то -го, создаётся асимметрия заземления рельсов, при которой нару -шается работа устройств автоблокировки. Для избежания указанных явлений сооружения соединяют с рельсами не непосредственно, а через искровые промежутки.
-*-
Многолетняя практика эксплуатации в Советском Союзе про -межутков различных конструкций в качестве заземлителей показала, что они являются наиболее слабым звеном защиты искусственных сооружений от коррозии как по пропускной способности, так и по надёжности. Многочисленные попытки разработать искровой промежуток многократного действия / 9, 10 / не привели к желаемым результатам. На зарубежных дорогах постоянного тока (Франция, ЧССР и др.) в основном применяют искровые промежутки одноразового действия, конструкциями которых предусмотрено их гальва -ническое соединение после первого же срабатывания. Это обстоятельство влечет за собой необходимость постоянного контроля за их состоянием и приводит к существенным эксплуатационным рас -ходам.
Усиление электрокоррозии опор контактной сети, обусловленное ростом тяговых нагрузок, и ненадёжная работа искровых промежутков привели к широко применяемому в настоящее время раз -землению опор (отсоединению их от рельсов), что резко осложнило проблему защиты контактной сети от минимальных токов к.з., возникающих при повреждениях изоляции опор или искусственных сооружений с большим сопротивлением изоляции. В последние годы разрабатывались и проверялись в эксплуатации различные защиты от минимальных токов к.з. и способы заземления опор без искровых промежутков / II, 12, 13, 14 /. Наиболее широкое распространение получил способ заземления опор с помощью диодных заземлителей, отличающийся простотой и достаточной надёжностью. Однако применение диодных заземлителей в силу их односторонней проводимости ограничено анодной зоной. Из-за влияния перетекающих токов на рельсовые цепи автоблокировки в знакопеременной и катодной зонах диодные заземлители включают последовательно
с искровыми промежутками / 15 /, обладающими всеми присущими им недостатками. Отсюда возникает необходимость разработки нового искрового промежутка многократного действия, способного работать в сложившихся условиях постоянного повышения мощное -тей устройств электроснабжения железных дорог и обладающего необходимой пропускной способностью.
Основные задачи работы - комплексное решение вопроса повышения надёжности быстродействующих выключателей и ограничения коммутационных перенапряжений и разработка принципиально новой конструкции искрового промежутка для заземления искусственных сооружений на рельсы. Решение этих задач тесно связано с вопросами исследований различных аспектов работы быстродействующих выключателей на выпрямительных подстанциях и в схемах выпрями -тельно-инверторных преобразователей и режимов работы устройств заземления в системе электроснабжения.
диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и пяти' приложений.
В первой главе приведены результаты экспериментальных исследований условий работы быстродействующих выключателей в режимах отключения токов к.з. при различных параметрах отключаемой цепи и изложен анализ возможных вариантов и путей, связанных с вопросами повышения отключающей способности выключателей и снижения коммутационных перенапряжений, воздействующих на оборудование тяговых подстанций и электроподвижного состава. Показана целесообразность шунтирования реактивных элементов отключаемой цепи с помощью резисторов. Показана возможность и эффективность использования разрядных устройств на различных участках электроснабжения ж.д. постоянного тока.
Во второй главе приведен аналитический расчёт процесса от-
ключения быстродействующими выключателями токов к.з. с учётом шунтирования отключаемой индуктивности резистором и на основании сравнения экспериментальных и расчётных данных показана возможность существенного улучшения условий отключения выключателями токов к.з. и ограничения коммутационных перенапряжений. Изложена методика выбора параметров шунтирующего устройства для выпрямительных подстанций и приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований устройств с различными схемами исполнения. Приводятся результаты опытной эксплуатации на действующих подстанциях разрядных устройств УР-2, разработанных БНИИЖТом и ПКБ ЦЭ МПС.
С помощью исследований на модели выпрямительно-инвертор -ных преобразователей (БИЛ) и данных экспериментальных исследований, проведенных на действующих подстанциях, в третьей главе показана возможность и целесообразность шунтирования реакторов в цепях ВИП с различными схемами исполнения. Теоретически и экспериментально определены условия работы разрядных устройств в схемах ВИП, сделан выбор оптимальной схемы шунтирования реакторов в цепях ВИП и приведена методика выбора параметров разрядных устройств для ВИП.
В четвертой главе приведены результаты анализа режимов работы заземляющих устройств, устанавливаемых на контактной сети, изложен принцип выбора электрической схемы и конструктивные особенности искрового промежутка с вращающейся дугой многократного действия, обладающего большой пропускной способностью,приведены результаты экспериментальных исследований работы проме -жутка в различных режимах. Показано влияние климатических факторов на параметры искрового промежутка, изложена методика определения скорости вращения дуги между электродами, расположен-
ными в герметичном ограниченном объёме.
Б пятой главе дано обоснование эффективности внедрения комплекса технических решений, способствующих повышению эксплуатационной надёжности быстродействующих выключателей, оборудование тяговых подстанций и ЭПС и защиты от минимальных токов к.з. при объединённых тросом группового заземления опорах контактной сети.
Основными положениями, защищаемыми в диссертационной ра -боте,являются:
обоснование выбора основного направления комплексного решения вопроса улучшения условий работы находящихся в эксплуатации быстродействующих выключателей и ограничения коммутационных перенапряжений;
целесообразность уточнения методики расчёта переходных процессов отключения токов к.з. выключателями и количественной оценки степени влияния шунтирования реакторов разрядными уст -ройствами на характеристики отключения быстродействующими вы -ключателями коротких замыканий;
необходимость в проведении исследований по выявлению условий работы разрядных устройств на выцрямительных подстанциях для разработки методики выбора их параметров;
целесообразность проведения анализа условий работы разрядных устройств в схемах выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИЛ) и разработки единой схемы шунтирования реакторов в цепях ВИЛ различного исполнения;
установление расчётного режима работы искрового проме -жутка на электрифицированных железных дорогах постоянного тока для разработки более совершенного искрового промежутка, способного работать в условиях постоянного роста мощности устройств
электроснабжения;
- обоснование эффективности внедрения комплекса технических решений, направленных на повышение эксплуатационной надёжности устройств защиты от токов к.з. и перенапряжений системы тягового электроснабжения постоянного тока.
-il-
Способы шунтирования контактов выключателей
Существенное влияние на процесс гашения электрической дуги оказывает включение резистора параллельно контактам выклю чателя (рис.І.З,а). Б электротехнической практике / 16, 17 / давно известно положительное влияние шунтирующих резисторов на процесс гашения дуги, обеспечивающих снижение коммутационных перенапряжений и повышение отключающей способности коммутирующих аппаратов. К достоинствам подобной схемы следует отнести, во-первых, то, что шунтирующий резистор включается в момент появления напряжения на контактах выключателя, участвуя в самом начале переходного процесса; во-вторых, подобная схема обладает достаточной гибкостью в том смысле, что изменением величины сопротивления Рщ резистора в широких пределах можно добиться существенного ограничения коммутационных перенапряжений и улучшения условий отключения.
В то же время, по ряду причин данная схема не нашла применения в устройствах защиты системы электроснабжения ж.д. постоянного тока. Основной из них является необходимость в дополни -тельном коммутирующем аппарате, отключающем цепь резистора после срабатывания выключателя. Исследования /18, 19 / показали, что для получения необходимого эффекта сопротивление Ru должно составлять десятые доли Ома (0,1 - 0,2 Ом) и для отключения резистора требуется, по существу, ещё один быстродействующий выключатель, что удорожает схему и снижает её надёжность.
Не нашла применения и схема шунтирования контактов быст -родействующих выключателей резистором с нелинейной Еолътампер-ной характеристикой (см. рис.1.3,б). Выпускаемые промышленно -стью резисторы с нелинейным сопротивлением обладают недостаточной пропускной способностью и не могут погасить выделяемую при отключении энергию, запасаемую в реактивных элементах отключаемой цепи. Для этого резисторы необходимо собирать в блоки,содержащие последовательно-параллельные цепи. В качестве примера оценим возможность использования для этой цели оксидно-цинко -вых варисторов с большим коэффициентом нелинейности / 20, 21/, которые могут рассеивать энергию 100-150 Дж. Расчёты показывают, что для ограничения коммутационных перенапряжений на уровне 7-8 кБ с использованием варисторов типа СН2-2 с классификационным напряжением V\ = 1200 Б потребуется блок, состоящий из 160 параллельных столбов по б варисторов в каждом. Требуется также дополнительный коммутирующий аппарат или отделитель. Подобное устройство ненадёжно и экономически нецелесообразно.
Известны выключатели постоянного тока / 22 /, контакты которых шунтируются комбинациями резисторов и нелинейных сопро -тивлений. Как видно из рис. 1.3,в отключение цепи происходит ступенчато, последовательным вводом в отключаемую цепь сопро -тивлений. Такой выключатель достаточно сложен и требует два и более дополнительных коммутирующих аппарата, которые необходимо тщательно настраивать по времени отключения.
Более реально использование шунтирующего резистора при двух последовательно включенных выключателях (см. рис.1.3,г). Б СССР данная схема применяется в линиях электропередач НО В и 220 кВ, а также на железных дорогах переменного тока для предупреждения повторных пробоев в выключателях, используемых для коммутаций компенсационных установок / 23 /. На железных дорогах постоянного тока, несмотря на применение на тяговых под -станциях сдвоенных выключателей, этот вариант не нашел приме -нения. Исследования / 18 / показали, что включение сопротивления параллельно одному из выключателей можно добиться значительного снижения коммутационных перенапряжений. Б то же время существенно ухудшается распределение энергии, выделяющейся в камерах выключателей БІ и В2 (см. рис.1.3,г) при отключении ими токов к.з.,Это ухудшение соответствует понижению отключающей способности сдвоенных выключателей примерно на 20$. Кроме того, данная схема требует, чтобы контакты выключателей размыкались одновременно, добиться чего даже при применении однотип -ных выключателей весьма сложно.
Известно, что включение конденсатора параллельно контак -там коммутирующих аппаратов снижает перенапряжения, облегчает условия работы контактов, предупреждая их оплавление при ком -мутациях. Естественным было бы использование этого способа для шунтирования быстродействующих выключателей тяговых подстанций и ЭПС постоянного тока. Однако исследования /24, 25 / показали, что шунтирование контактов конденсатором (см. рис. 1.3,д), эффективно только в том случае, если постоянная времени заряда его от сети существенно больше времени гашения дуги выключателем. Ввиду того, что конденсатор успевает зарядиться от сети раньше, он мало влияет на процесс отключения. Расчёты показы -вают, что величина ёмкости шунтирующего конденсатора должна быть значительной (сотни микрофарад) и применение его становится практически нецелесообразным. Снижения величины ёмкости шунтирующего конденсатора можно добиться различными вариантами включения его с резистором (см. рис.1.3,е и 1.3,ж).
Выбор и расчёт шунтирующего резистора на термическую устойчивость
К достоинствам этой схемы следует отнести то, что реактор не шунтируется в момент начала короткого замыкания и скорость нарастания тока к.з. определяется величиной индуктивности реактора (при близком коротком замыкании). Использование подобной схемы позволяет применять реакторы повышенной индуктивности для большего ограничения скорости нарастания тока к.з., обеспечи -вая в то же время резкое снижение выделяемой в дугогасительных камерах выключателей энергии, времени отключения короткого замыкания, и уменьшение коммутационных перенапряжений. Ввиду того, что на грузонацряжеиных участках расстояния между подстанциями небольшие и индуктивности реакторов составляют основную величину, данный вариант шунтирования существенно уменьшает до 2 лю А .с и А.с в месте короткого замыкания. Этим самым снижается вероятность пережогов проводов контактной сети. Данная схема шунтирования улучшает условия работы не только подстанцион-ных выключателей, но и электровозных при отключении ими к.з. на электровозах.
Немаловажным для условий эксплуатации является и то обстоятельство, что в случае повреждения одного из элементов устройства (диода или порогового элемента) его можно легко отключить, не прерывая питания тяговой сети.
Этого нельзя сказать об устройстве из последовательно соединённых резистора и диода / 32 /, включаемом между минусовой шиной подстанции и выводом фидера со стороны контактной сети (см. рис.1.4,ж). При близких к.з. подобная схема в такой же степени, как и вышерассмотренная, позволяет улучшить условия работы фидерных выключателей. При удаленных же к.з. шунтируется ещё и индуктивность контактной сети и данный вариант более эффективен, чем шунтирование только реакторов.
В то же время, при всех своих положительных качествах, эта схема имеет и существенные недостатки, из-за которых она не нашла широкого применения на транспорте. Во-первых, такие устройства необходимо устанавливать на каждый фидер, что снижает надёжность схемы и приводит к дополнительным эксплуатационным расходам. Во-вторых, в случае повреждения диода Rj (см.рис.1.4,ж) на шинах подстанции возникает короткое замыкание. Несмотря на то, что ток к.з. в данном случае и ограничен сопротивлением (?«« резистора, исключение реактора U из цепи приводит к резкому возрастанию тока до установившегося значения. Из-за малой ве -личины R M (0,3 - 0,4 Ом) этот ток достигает значительной величины (13 - 10 кА) и выключатель может его не отключить (дуга может не войти в устье дугогасительной камеры). К тому же, вновь разработанные выключатели типа ВАБ-43 на номинальный ток 4000 А взамен выключателей АБ-2/4 и ВАБ-28 не предназначены для отключения аварийных токов в безындуктивной цепи. В-третьих, при двухстороннем питании в случае пробоя диода Ij выключатели соседней подстанции или поста секционирования могут не отключиться из-за наличия в их цепи R« . В данном случае требуется обязательное наличие телеблокировки или принятие определенных схемных решений, как это осуществили авторы данного предложения,подключив диод Д параллельно резистору (см. рис.1.4,ж , пунктирные линии) и тем самым исключив из цепи шунтирующий резистор. Однако при таком решении в случае пробоя Ду на шинах подстанции можем возникнуть глухое к.з. без наличия индуктивности со всеми вытекащими из этого последствиями. В-четвертых, шунтирование о индуктивности контактной сети увеличивает долю А с в месте короткого замыкания, чем повышается вероятность пережогов проводов контактной сети.
Таким образом, из рассмотренных выше вариантов повышения надёжности работы аппаратов защиты электрической тяги постоянного тока более приемлема схема шунтирования реакторов тяговых подстанций последовательно соединёнными резистором, диодом и пороговым элементом. По существу эта схема представляет собой разрядное устройство, в котором гасится электромагнитная энергия, запасаемая в индуктивности при отключении к.з. цепи.
Кроме тяговых подстанций, быстродействующие выключатели устанавливают на постах секционирования и пунктах параллельного соединения контактной сети /4, 33, 34 /. Увеличение нагрузок привело к существенному ухудшению условий работы выклгача -телей на постах секционирования. В эксплуатации отмечаются случаи неотключения ими близких к.з., что приводит к серьезным повреждениям. На некоторых электрифицированных дорогах для повышения надёжности выключателей на постах секционирования соединяют их по два последовательно, как и на фидерах тяговых подстанций. Это предложение имеет тот недостаток, что в этом случае приходится практически устанавливать ещё один пост. В связи с этим ЦЭ МПС был поставлен вопрос о возможностях применения разрядных устройств на постах секционирования.
Исследование на модели условий работы разрядных устройств в схемах ВИЛ
Для проверки работоспособности схем шунтирования реакто -ров ВИН, обоснованного выбора параметров разрядных устройств, оценки их эффективности необходимо знать характер изменения напряжения на реакторах, процесс изменения тока в выключателях при отключении ими аварийных режимов, характер работы разряд -ных устройств в различных режимах преобразователя.
Известны различные методы исследования переходных процессов в сложных установках. Автором был выбран метод физического моделирования переходных процессов в преобразователях. Этот метод позволяет с большей наглядностью и относительно просто ис -следовать практически все возможные режимы работы преобразова -телей, не прибегая к сложным экспериментам на реальных установках.
На модели преобразовательной установки предполагалось ка -чественно оценить характер распределения и изменения напряжения на реакторах как в нормальных режимах, так и при различных ви -дах опрокидываний инвертора (пропуск импульсов управления, по -нижение напряжения в первичной сети), рассмотреть процесс изме -нения тока опрокидывания, определить работоспособность предло -женной схемы шунтирования. Кроме того, на модели оценивалось влияние шунтирования реакторов на работу быстродействующих вы -ключателей, на появление коммутационных перенапряжений при от -ключениях в различных режимах работы преобразователей (при различных углах опережения JS ).
Моделирующая установка (рис.3.6) представляла собой трёхфазный трансформатор с подключенными к нему преобразователями.
Инверторная группа установки была выполнена из тиристоров ТЛІ60, собранных по трёхфазной мостовой схеме и управляемых с помощью специальной схемы, а выпрямительная группа - из вентилей Ш200. Инверторные реакторы їй I и 1и 2 моделировались с помощью катушек индуктивности по 8 мГн каждая. Индуктивность общего реактора U составляла 13 мГн.
Наиболее сложным явилось моделирование работы быстродей -ствующих выключателей. В данном случае использовались контак -торы типа КП-2І/33, имеющие дугогасительные камеры с сериесным магнитным дутьем и переделанные таким образом, чтобы их контакты оставались нормально замкнутыми. Управление контакторами при опрокидываниях осуществлялось с помощью реле максимального тока, включенного между выпрямителем и инвертором. При дости -жении током опрокидывания уставки реле (от 5 до 10 А), последнее срабатывалось и своими контактами включало цепь питания катушек контакторов, что приводило к разрыву цепи опрокидыва -ния. Дугогашение тока осуществлялось с помощью сериесного магнитного дутья. Анализ осциллограмм показал, что кривые тока и напряжения на контактах контакторов при отключениях на модели довольно точно совпадают с реальными.
Работа сглаживающего устройства моделировалась с помощью конденсатора ёмкостью С = 400 мкФ, подключенного между полюсами источника постоянного тока напряжением НО В, моделирующего нагрузку инвертора.
Макеты разрядных устройств для инверторных реакторов представляли собой резисторы с сопротивлениями по 1,5 Ом, последовательно с которыми были включены тиристоры ТДІ00. Управление тиристорами осуществлялось с помощью двух последовательно соединенных стабилитронов Д8І5Е (общее напряжение лавинообразова-ния - 30 В), включенных между анодами тиристоров и управляющи МИ электродами.
Величина сопротивления резистора устройства, шунтирующего общий реактор КЗ (рис.3.6), также 1,5 Ом. Управление тиристором ТЗ (ТДІ00) осуществлялось с помощью импульсного трансформатора ИГ, две первичных обмотки которого (по 2 витка в каждой) включались последовательно с разрядными устройствами, шунтирующими инверторные реакторы LH I и 1и 2. Таким образом, обеспечивалось открытие тиристора ТЗ при срабатывании любого из разрядных устройств инверторных реакторов.
Опрокидывания от пропуска импульсов управления непереключаемого ВИЛ (см. рис.3.6, рубильники Р4 и Р5 замкнуты) осуще -ствляли с помощью закорачивания управляющего электрода одного из тиристоров инверторной группы.
Ба рис.3.7,а-г приведены осциллограммы опрокидываний не -переключаемого ВИЛ по трёхфазной мостовой схеме при В , равном 25, 30, 35 и 40. Из рассмотрения осциллограмм видно, что характер изменения напряжения на реакторах как в нормаль -ном режиме работы, так и при опрокидываниях в значительной степени зависит от угла опережения.
Оценка экономической эффективности применения искровых промежутков ИПВ-ЦНИИ
Как видно, условия работы быстродействующих выключателей при включении разрядных устройств существенно облегчаются.
В процессе испытаний было выявлено, что ток опрокидывания может проходить по различным цепям преобразователя. В режиме работы по кольцевой схеме (преобразователь отключен от контактной сети) ток опрокидывания отключался двумя выключателями АИЕ и АИ2, установленными в "+и и "-" шинах инвертора. Это говорит о том, что аварийный ток проходит через оба полюса инвертора и в данном случае защита обеспечивала надёжное его отключение.
В случаях, когда ток опрокидывания, минуя реактор в "+" шине инвертора, замыкался по цепи (см. рис.3.16): выключатель АВ2 - выпрямитель - обмотка трансформатора - катодная группа тиристоров - реактор 1_и 2 в "-" шине инвертора - АИ2, реле РДШ, установленное в "-" шине инвертора, реагировало на ток опрокидывания. Выключатель АИ2 обеспечивал отключение цепи тока опрокидывания, а выключатель АИІ не участвовал в работе.
Во время испытаний был выявлен вариант опрокидывания преобразователя (два случая из десяти) при его работе с контакт -ной сетью, когда ток опрокидывания замыкался по цепи (см. рис. 3.16): АИЕ - реактор 1_и I - анодная группа тиристоров инвертора - обмотка трансформатора - выпрямитель - ABI. Быстродействующий выключатель АИ2 при таком опрокидывании не работает, так как через него не проходит аварийный ток. Реле РДШ, установленное в цепи выключателя АИ2 и воздействующее также на выключатель АИІ, в данном случае не реагирует на увеличение тока. Поэтому выключатель АИЕ начинает отключаться только при больших значениях прямого тока, проходящего через него (за счёт сильного насыщения магнитопровода ВАБ-28 от витка, проходящего через от -верстие в магнитопроводе). Во время опытов не осциллографиро -вался ток в реакторе 1_и I, однако о его величине можно судить по амплитуде тока U = 8,4 кА разрядного устройства, шунтирующего этот реактор.С учётом того, что ток в разрядном устрой тока стве равен х. 0,9" реакторе, амплитуда тока через выключатель
АИІ превышала 9 кА. Такой режим опрокидывания непереключаемого преобразователя при выбранной схеме защиты является наиболее тяжелым для выключателя и тиристоров инвертора.
Таким образом, разрядное устройство по схеме У0 ВНИЖТа вступает в работу только в том случае, если ток опрокидывания проходит через оба реактора преобразователя, т.е. через оба полюса инвертора. Б других же случаях устройство остается вне цепи опрокидывания и не влияет на работу выключателей. При инди -видуальном шунтировании реакторов в любых видах опрокидываний разрядные устройства вступают в работу и существенно влияют на процесс отключения аварийного тока.
Другим недостатком схемы У0 ВНИИЖТа является то, что после отключения тока опрокидывания быстродействующими выключателями через тиристоры довольно длительно (более 50 мс) продол -жает протекать ток разряда электромагнитной энергии, запасен -ной в реакторах (см. рис.3.19). В этом случае условия работы тиристоров инвертора не только улучшаются, но и ухудшаются.
Таким образом, наиболее целесообразной для непереключаемых ВИЛ является схема индивидуального шунтирования реакторов.
По результатам экспериментальных исследований были сформулированы основные технические требования (см. Приложение 4) к проектированию разрядных устройств для шунтирования реакторов всех типов ВИП. На основании этих требований ПКБ ЦЭ МПС в соответствии с ТУ 32ЦЭ-507-82 разработало проект № П336.000 "Устройство разрядное УРИ", опытный образец которого изготовлен на заводе МЭЗ ЦЭ МПС, установлен и испытан в эксплуатации на одной из тяговых подстанций Львовской ж.д.
Сяедует отметить, что с целью унификации серийных устройств УР-2 применительно как к выпрямительным, так и выпрямительно -инверторным подстанциям, ЦЭ МПС утверждены рекомендации по повышению уставок срабатывания и увеличению выдержки времени срабатывания защиты.
Выводы
1. Анализ работы различных типов ВИЛ, применяемых на се -ти железных дорог постоянного тока, показал, что для облегче -ния условий работы быстродействующих выключателей и оборудования преобразователей возможно осуществить шунтирования реакторов разрядными устройствами.
2. В результате сравнения схем шунтирования реакторов переключаемых и непереключаемых преобразователей выявлено, что наиболее целесообразной является схема индивидуального шунти -рования, при которой инверторные реакторы шунтируются униполярными устройствами, а общий - униполярным и тиристорним разрядными устройствами, имеющими противоположную полярность.
3. Исследования на модели преобразователя работы разряд -ных устройств показали работоспособность рекомендованной схемы шунтирования реакторов ВИЛ и её эффективность и позволили оп -ределить условия работы разрядных устройств в различных схемах преобразователей, более обоснованно выбрать параметры разряд -ных устройств.
4. Результаты экспериментальных исследований работы раз -рядных устройств в стендовых условиях при имитациях опрокиды -ваний инвертора и на действующих преобразователях показали,что шунтирование реакторов ВИЛ существенно облегчает условия работы быстродействующих выключателей и вентилей при аварийных режимах. При этом энергия, выделяемая в дугогасительных камерах выключателей, уменьшается в 2-2,6 раза, уровень коммутационных перенапряжений снижается в 1,4-1,5 раза, время протекания аварийного тока через вентили преобразователей сокращается в 1,5-- 1,7 раза.
5. Исследования непереключаемого преобразователя ВИПЭ-2УЗ по трёхфазной мостовой схеме выявили особенности опрокидываний (ток опрокидывания минует один из полюсов инвертора), исключающие возможность использования предложенной УО ВНИИЖТа схемы шунтирования реакторов диодным разрядным устройством.
6. На основании результатов исследований изложены основ -ные технические требования к разрядным устройствам, шунтирую -щим инверторные и общий реакторы преобразователей, принятые ПКБ ЦЭ МПС при разработке разрядных устройств для ВИЛ.
