§ 88. Выбор уставок выключателей питающих линий и защита от малых токов короткого замыкания
На тяговых подстанциях выключатели постоянного тока в настоящее время применяются в основном для защиты питающих линий. В цепи питающей линии могут быть токи тяговой нагрузки и токи к. з. Последние могут быть больше нагрузочных токов (короткое замыкание на выводах кабелей) и меньше нагрузочных токов (короткое замыкание в конце контактной сети).
Правильная защита питающих линий должна быть построена так, чтобы выключатель не слишком часто отключался от тяговой нагрузки, надежно защищал контактные провода от отжига и отключался бы от всех токов к. з.
Для обеспечения надежного питания тяговой сети с частотой отключения линейного выключателя около 30 в месяц может быть рекомендована следующая эмпирическая формула определения уставки выключателя:
(88-1)
где Iср —средний расчетный ток на участке, а;
А — постоянная, обеспечивающая надёжность питания линии.
Для троллейбусов А = 700, для одиночных вагонов трамвая — А = 1000, для двух вагонов в сцепке А = 2000.
Несколько большие возможности для определения тока уставки выключателя дает номограмма рис. 88-1 *.
*Номограмму разработали Д. К. Томлянович и Б. З. Кантор.
При пользовании этой номограммой задаются числом (λ) допустимых отключений в месяц. Затем по среднему числу (п) поездов на участке определяют коэффициент максимума Км.
Ток уставки выключателя получают от умножения полученного коэффициента максимума Км на средний расчетный ток на участке. Токовая уставка выключателя для отключения токов к. з. должна удовлетворять условию
(88-2)
Поскольку эта токовая уставка часто значительно меньше токовой уставки нагрузки Iу.п, то возникают определенные трудности в защите линий от перегрузок и токов к. з. Если принять уставку по минимальному току к. з., то выключатель будет часто отключаться от тяговой нагрузки. Если принять уставку нагрузочную, то не будут отключаться токи к. з. и может иметь место отжиг контактных проводов.
Для устранения этого противоречия возникла идея: отключающий механизм выключателя использовать для отключения опасных нагрузок, а для отключения малых токов к. з. создать специальное устройство, реагирующее только на короткое замыкание в линии.
Способы защиты от малых токов к. з. можно классифицировать по принципу действия следующим образом: импульсные защиты; токовременные защиты; максимальные токовые и потенциальные защиты.
Импульсная защита основа на различии в характере изменения тока в линии при изменении тяговой нагрузки и при коротком замыкании.
Приращение пускового тока двигателя может быть определено из выражения
(88-3) где U — напряжение на токоприемнике;
r1 — сопротивление в цепи якоря двигателя до перехода на следующую ступень;
r2 — то же, после перехода на следующую ступень.
Скорость нарастания тока при пуске тяговых двигателей зависит от режима его работы. Наибольшая скорость нарастания тока имеет место при трогании поездов с места. Она достигает 10—12 кА/сек. При кратковременном исчезновении напряжения работающего двигателя скорость нарастания тока может достигать 15—20 кa/cек. Дело в том, что при проходе секционных изоляторов с включенными двигателями или отрыве токоприемников перерыв тока происходит на время 0,02-0,1 сек. За этовремя магнитный поток в двигателях успевает уменьшиться и повторное включение двигателя под напряжение создает ток, определяемый отношением напряжения на токоприемнике к активному сопротивлению цепи двигателя.
Короткое замыкание в линии является сложным явлением. На приращение тока к. з. и на его скорость нарастания в цепи линии влияют напряжение на шинах подстанции, параметры контура короткого замыкания, падение напряжения в электрической дуге в точке короткого замыкания, место короткого замыкания и, наконец, режим работы тяговых двигателей и их расположение на трассе.
При отсутствии нагрузки на линии процесс изменения тока при коротком замыкании носитэкспоненциальный характер:
(88-4)·
где R, L — активное сопротивление и индуктивность контура. Приращение тока к. з. будет
(88—5)
Рис. 88-2. Схема влияния тяговой нагрузки на приращение тока подстанции при коротком замыкании:
а — схема расположения тяговой нагрузки в линии; б — диаграмма напряжения при нормальной работе и при коротком замыкании
Наличие нагрузки на линии ведет к уменьшению приращения тока к. з. в цепи. Это происходит вследствие того, что при коротком замыкании на тяговых двигателях напряжение внезапно уменьшается и двигатели переходят в генераторный режим (рис. 88-2,а, б). Подпитка точки короткого замыкания от тяговых машин снижает приращение тока к. з. в цепи питающей линии подстанции. Эта закономерность в общем виде приведена на рис. 88-3.
Приращение тока к. з. при тяговых нагрузках может быть определено по эмпирической формуле *
* По материалам Академии коммунального хозяйства им. Π. М. Памфилова, авторы канд. техн. наук Д. К. Томлянович и канд. техн. наук Д. К. Бузетти,
Рис. 88-3. Характер изменения приращения тока ΔIκ на подстанции при коротком замыкании в троллейбусной линии в зависимости от тяговой нагрузки Iп
где Iк.мин. — установившийся минимальный ток к. з.;
Iκ — ток нагрузки, предшествующий короткому замыканию;
k — коэффициент, зависящий от типа двигателя; для двигателей последовательного возбуждения k= 3,08·10-2, для смешанного — k= 4,88· 10-2.
Принцип работы импульсного устройства изображен на рис. 88-4, а, б, в. Приращение тока в линии на одну и ту же величину Δί от нагрузки и от короткого замыкания происходит с различной скоростью нарастания 
, поэтому во вторичной обмотке импульсного трансформатора будут наводиться импульсы э. д. с. различного значения. Если во вторичную цепь импульсного трансформатора включить реле напряжения или баллистическое реле (реагирующее на количество электричества), то можно различать толчки нагрузки и короткого замыкания.
Однако в таком виде устройство не будет хорошо работать, так как не учитывается влияние нагрузки, предшествующей моменту короткого замыкания.
Схема импульсного устройства с учетом влияния нагрузки изображена на рис. 88-5*.
* Авторы канд. техн. наук Д. К. Томлянович и канд. техн, наук Д. К. Бузетти.
В качестве органа, обеспечивающего функциональную зависимость тока приращения Δί от тока нагрузки, применен дроссель с подмагничиванием от тока линии. При отсутствии тока в линии индуктивное сопротивление дросселя велико, ток в его цепи мал и напряжение отрицательного смещения Uсм мало. В этом случае для срабатывания устройства требуется большое приращение тока в линии. При наличии тока в линии будет обратное явление.
Однако опыт эксплуатации этого устройства показал, что оно не всегда избавляет выключатель от ложных отключений. Причина в том, что устройство срабатывает не только при коротком замыкании, но и при случайном отрыве токоприемника от контактного провода или при прохождении под током изоляционной вставки контактной сети.
Токовременная защита основана на том, что устройство автоматического отключения выключателей с токами уставки согласно выражению (88—1) используется лишь для отключения больших токов к. з. и больших опасных перегрузок, а защита контактных проводов от отжига при длительном протекании короткого замыкания осуществляется при помощи специального устройства.
Рис. 88-5. Схема защиты от малых токов к. з. (АКХ):
ИТ — импульсный трансформатор; Др — дроссель насыщения; Т — тиратрон; Р— реле
Максимально допустимое время протекания тока по контактному проводу можно определить по формулам А. В. Воронина:
ω —теплоотдача с поверхности провода, Вт/см С;
q — сечение провода, мм2;
γ — удельный вес. материала провода, г/см3;
а — температурный коэффициент изменения сопротивления- провода;
β — теплоемкость материала провода, Вт-сек/г-град;
R — сопротивление 1 м провода при температуре окружающего воздуха, Ом;
I — ток в проводе, а.
Экспериментальная характеристика термической устойчивости контактного провода приведена на рис. 88-6.
Простейшая тепловая защита контактного провода может быть построена по двухступенчатому принципу. Например, при протекании тока в линии 3200 а в течение 20 сек и 2400 а — 60 сек происходит автоматическое отключение выключателя.
Рис. 88-6. Характеристика термической устойчивости контактных проводов сечением 2X85 мм2 при эффективном токе 800 а и температуре окружающего воздуха:
1 — +5° С; 2 — +20° С; 3 — +40° С
Более совершенная защита от отжига контактных проводов может быть создана на основе применения устройств интегрирующего типа, которые в определенной мере моделируют действительные условия нагревания и охлаждения контактных проводов*. Недостаток таких устройств — относительно большая сложность и отсутствие сведений о действительном температурном режиме контактного провода.
Максимальная токовая защита от малых токов к. з. заключается в том, что контактная сеть секционируется, а секционный изолятор шунтируется выключателем. Эта защита основана на том, что максимальные токи нагрузки в цепи секционного выключателя меньше токов к. з. Такая защита нашла применение на электрифицированном железнодорожном транспорте. В условиях же города ее применение затруднено вследствие сложности, связанной с установкой громоздкого линейного выключателя.
* Подобное устройство типа ИТВЗ разработано в Мосгортранспроекте.
Потенциальная защита основана на сравнении напряжений в точке короткого замыкания при нормальных и аварийных режимах. Эта защита достаточно проста и надежна, но требует прокладки линий связи, что в условиях города встречает большие трудности, поэтому она, как и предыдущая, нашла применение лишь на электрифицированном транспорте.
Применение специальных защит от малых токов к. з. не исчерпывает проблемы рациональной защиты питающих линий. Даже при самой совершенной защите необходимо исключить повторное включение линейного выключателя на не исчезнувшее короткое замыкание. Для этой цели должны применяться специальные устройства испытания сопротивления линии.
Испытание линии перед повторным включением линейного выключателя обычно производится путем подачи в линию переменного тока пониженного напряжения. Величина этого тока характеризует состояние линий. На этом принципе, в частности, работает дискриминатор состояния сети типа ИКЭФ *.
* Дискриминатор разработан в Мосгортранспроекте.