Быстродействующие выключатели постоянного тока

Назначение выключателей. Величина тока короткого замыкания, как указывалось выше, зависит от сопротивления цепи и при повреждении вблизи тяговой подстанции на стороне постоянного тока доходит до нескольких десятков тысяч ампер. Чтобы предотвратить выход из строя оборудования и сетей, т. е. исключить воздействие на них токов к.з., притекающих к месту повреждения (сквозные токи короткого замыкания), необходимо возможно быстрее отключить поврежденный участок и не дать току вырасти до установившейся величины (величины, представляющей опасность для оборудования). Скорость отключения имеет также немаловажное значение для уменьшения последствий термического воздействия дуги непосредственно в месте к. з.
Из кривых, показанных на рис. 39, видно, что ток к. з. достигает максимальной величины не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Время, в течение которого ток к.з. достигнет установившейся величины, зависит от скорости его нарастания, которая в свою очередь определяется индуктивным сопротивлением цепи к. з. и обратно пропорциональна ему. При меньшем индуктивном сопротивлении (кривая 1) ток к.з. достигает установившейся величины за 0,08 с; при большем индуктивном сопротивлении (кривая 2)—за 0,13 с,‘ а при еще большем (кривая 3)—за 0,2 с.
В случае применения обычного выключателя, у которого время отключения 0,1—0,3 с, ток к.з. успевает нарасти до установившегося значения. Поэтому на тяговых подстанциях устанавливают быстродействующие выключатели. Они способны отключить поврежденный участок значительно быстрее, чем обычные выключатели.
Полное время, в течение которого выключатель отключает короткое замыкание, складывается из трех величин: t — период нарастания тока до величины уставки выключателя, U — время от момента достижения тока уставки до начала расхождения контактов, h — время горения дуги между контактами выключателя.
Величина Ц не зависит от типа и конструкции выключателя и определяется параметрами цепи к.з. Поэтому и для обычного, и для быстродействующего выключателей она одинакова и равна 0,01 с. Время tz — собственное время выключателя — целиком зависит от его конструкции. Для обычного выключателя (рис. 40, а) оно равно 0,2 с, а для быстродействующего (рис. 40, б)—тысячным долям секунды. Величина h — время горения дуги — зависит от значений напряжения и тока, а также от конструкции дугогасительных устройств выключателя.
Как видно из рис. 40, а, при отключении цепи обычным выключателем ток к. з. успевает нарасти до максимальной величины, т. е. до 25000 А, а полное время отключения 0,32 с. Это может вредно отразиться на оборудовании подстанции и элементах сети. Иначе происходит отключение цепи к. з. быстродействующим выключателем. Из рис. 40, I следует, что до начала размыкания главных контактов выключателя, благодаря его малому собственному времени, ток не успевает нарасти до установившейся величины и составляет только 7500А, а полное время отключения 0,1с.
Таким образом, применение быстродействующих выключателей позволяет не только уменьшить время отключения поврежденного участка, но и в значительной степени снизить величину тока к. з. и тем самым уменьшить его вредные последствия.
Быстродействующие выключатели применяют в схемах питающих фидеров (фидерные выключатели) и преобразовательных агрегатов (анодные и катодные выключатели). В первом случае они служат для защиты фидера и отключают его при повреждениях в контактной сети или на подвижном составе, а также при недопустимых перегрузках. Направление тока, протекающего через выключатель как в нормальном, так и в аварийном режимах одинаково, т. е. от шин постоянного тока к контактной сети. Выключатель срабатывает только в случае, когда ток превысит величину, на которую он отрегулирован (ток уставки). Поэтому в качестве фидерных можно применять как поляризованные, так и неполяризованные выключатели.
Иначе обстоит дело с катодными выключателями, устанавливаемыми между вентилями выпрямителей и сборными шинами постоянного тока. Они предназначены для отключения выпрямителя от шин постоянного тока при его повреждении и должны срабатывать только при направлении тока, противоположном направлению его в нормальном режиме. Поэтому катодные выключатели в отличие от фидерных должны быть обязательно поляризованными, т. е. отключаться автоматически только при токе определенного направления.
Быстродействующие выключатели не только выполняют функции аппаратов защиты от токов к. з. и перегрузок, но и служат для осуществления операций по включению и отключению отдельных элементов устройств электрической тяги. Благодаря наличию в этих выключателях дугогасительных устройств такие операции можно производить при нагрузке на линии. Быстродействующие выключатели различаются по номинальным току и напряжению, а также по пределам регулировки на ток отключения.
Для обеспечения защиты поврежденного участка необходимо, чтобы минимальный возможный ток короткого замыкания к.з. мин был больше тока уставки 1уст выключателя. В то же время во избежание ложных отключений ток уставки должен быть больше максимальных возможных рабочих токов р.макс, создаваемых электропоездами в условиях нормальной эксплуатации:
Максимальное значение рабочего тока зависит от размеров движения поездов, их массы и профиля пути; его определяют расчетом. Очень важно правильно определить величину минимального возможного тока к. з. От этого зависит правильная настройка быстродействующего выключателя и, следовательно, надежная защита.
В общем виде ток к. з., А, можно определить по формуле, где U — напряжение на шинах тяговой подстанции в момент короткого замыкания, В; RK.з. — общее сопротивление цепи, по которой протекает ток к. з., Ом.
При определении величины напряжения на шинах подстанции необходимо учитывать, что в момент к. з. может быть нагрузка от поездов по неповрежденным фидерам, питающимся от данной подстанции. Поэтому в числителе формулы должно быть не напряжение холостого хода выпрямительных агрегатов, а их напряжение при номинальной нагрузке, т.е. 3300, 1650 или 825 В (последняя цифра только для метрополитенов). Кроме того, следует учитывать возможное снижение напряжения в питающей энергосистеме в пределах до 5%, а также падение напряжения в дуге к.з., которое обычно принимают равным 200—250В. На столько же необходимо уменьшить значение U в приведенной выше формуле. Значение кз определяют для точки, наиболее удаленной от подстанции. Оно зависит от сопротивления питающей сети, внутреннего сопротивления преобразовательных агрегатов, а также сопротивления контактной и отсасывающей сетей.