03_Выбор оборудования

6 Выбор устройств защиты от перенапряжений

Система защиты РУ от перенапряжений включает в себя защиту от грозовых (внешних) и внутренних (коммутационных) перенапряжений. Защита от грозовых перенапряжений включает в себя защиту от прямых ударов молнии непосредственно на электроустановку и от волн, набегающих с линии электропередачи.

Защита от прямых ударов молнии осуществляется вертикальными стержневыми или тросовыми молнеотводами.

Для защиты оборудования распределительных устройств от волн, набегающих с линии электропередачи, и коммутационных перенапряжений применяют вентильные или трубчатые разрядники или ограничители перенапряжений (ОПН).

6.1 Разрядники

На станциях и подстанциях применяются вентильные разрядники, а на линиях – трубчатые.

Упрощенная схема вентильного разрядника приведена на рисунке 6.1, а. Его основу составляет нелинейный элемент с симметричной вольтамперной характеристикой на основе карбида кремния (SiC) – 1. Из-за относительно слабой нелинейности этого элемента подключение его к сети возможно только через искровые промежутки – 2. Для выравнивания напряжения между последовательно включенными искровыми промежутками параллельно каждому из них включены нелинейные резисторы – 3 и конденсаторы – 4.

Рисунок 6.1 – Электрические схемы: а – вентильного разрядника, б – ограничителя перенапряжений

41

В РУ переменного тока тяговых подстанций устанавливают разрядники типов РВС, РВМ, РВО, РБК (Р – разрядник, В – вентильный, С – станционный, М – с магнитным дутьем, О – облегченный, Б – биполярный, К – для защиты от коммутационных перенапряжений).

На фидерах контактной сети переменного тока 27,5 кВ применяют разрядники типа РТВ (Р – разрядник, Т – трубчатый, В – винипластовый).

Шины РУ 3,3 кВ от перенапряжений защищают разрядниками типа РВПК (Р – разрядник, В – вентильный, П – поляризованный, К – для защиты от коммутационных перенапряжений), а фидера контактной сети постоянного тока – РВКУ (Р – разрядник, В – вентильный, К – для защиты от коммутационных перенапряжений, У – униполярный).

Места установки на тяговых подстанциях различных типов разрядников [3, 4, 8, 11, 12] приведены в таблице 6.1. В соответствии с этой таблицей и следует производить их выбор. Электрические параметры разрядников приведены в таблице Д.1. Более подробные данные о них можно получить в литературе [3,

6 – 12,13].

Необходимо отметить, что в настоящее время серийный выпуск вентильных разрядников прекращается, поэтому для новых разработок их выбирать не следует.

6.2 Ограничители перенапряжений

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН) – современные устройства защиты электрооборудования от перенапряжений на основе оксида цинка (ZnO). Вольтамперная характеристика (ВАХ) ZnO значительно более нелинейна, чем ВАХ SiC. Поэтому замена карбидакремния на оксид цинка позволяет создать разрядные аппараты без последовательно включенных искровых промежутков. Схема ОПН приведена на рисунке 6.1, б.

ОПН обладают следующими преимуществами перед обычными разрядниками:

1)низкий уровень остающихся напряжений;

2)способность рассеивания большой энергии;

3)большая защитная зона;

4)стабильность характеристик;

5)отсутствие переходных процессов;

6)устойчивость к атмосферным загрязнениям;

7)не требуют обслуживания на протяжении всего срока эксплуатации 25–30 лет;

8)экономия площади и объема;

9)высокая стойкость к вибрациям.

Места установки на тяговых подстанциях различных типов ОПН и разрядников [7,9] приведены в таблице 6.1. В соответствии с таблицей и следует производить их выбор. Электрические параметры ограничителей перенапряжений приведены в таблице Д.2. Более подробные данные о них можно получить в литературе [7, 18].

42

Таблица 6.1 – Места установки разрядников и ограничителей перенапряжений (ОПН) на тяговых подстанциях

				Тип ОПН	Тип ОПН
	РУ	Место установки	Тип разрядника		(ЗАО «АББ-
				(Россия)
					УЭТМ»)
		Шины опорных подстанций	РВС-220 МУ1	ОПН-220 УХЛ1	EXLIM-Q 216 DH 245
	220 кВ	Участок присоединения трансформатора	РВС-220 МУ1	ОПН-220 УХЛ1	EXLIM-Q 216 DH 245
		Нейтраль понижающего трансформатора	РВС-110 МУ1	2хОПНСН-110 УХЛ1	EXLIM-Q 144 DN 245
		Шины опорных подстанций	РВС-110 МУ1	ОПН-110 УХЛ1	EXLIM-R 108 AH 123
	110 кВ	Участок присоединения трансформатора	РВС-110 МУ1	ОПН-110 УХЛ1	EXLIM-R 108 AH 123
		Нейтраль понижающего трансформатора	РВС-35У1+РВС-15У1	ОПНСН-110 УХЛ1	EXLIM-R 072 AN 123
	35 кВ	Вводы	РВС-35 У1	ОПН-35А УХЛ1	MWK 41
		Шины	РВС-35 У1	ОПН-35А УХЛ1	MWK 41
		Вводы	РВМ-1-35	ОПН-27,5 УХЛ1	MWK 33
	27,5 кВ	Шины	РВМ-1-35	ОПН-27,5 УХЛ1	MWK 33
		Фидера контактной сети	РТВ-35-2/10У1	ОПН-27,5 УХЛ1	MWK 33
	10 кВ	Вводы	РВО-10 У1	ОПН-10А УХЛ1	POLIM-D 14L
		Шины	РВО-10 У1	ОПН-10А УХЛ1	POLIM-D 14L
	6 кВ	Вводы	РВО-6 У1	ОПН-6А УХЛ1	POLIM-D 08L
		Шины	РВО-6 У1	ОПН-6А УХЛ1	POLIM-D 08L
		Выводы вентильных обмоток (ВО):
		6-пульсовая нулевая схема:
		выводы ВО - нулевой провод УР –	РБК-3	ОПН-3,3 УХЛ1	POLIM-H 4,5 ND
		выводы противофазных ВО –	РВМ-6	ОПН-6А УХЛ1	POLIM-D 08L
	3,3 кВ	6-пульсовая мостовая схема и 12-пульсовая
		схема параллельного типа –	РБК-3	ОПН-3,3 УХЛ1	POLIM-H 4,5 ND
		12-пульсовая схема последовательного типа
		—	РВКУ-1,65ДО1	ОПН-1,5 УХЛ1	POLIM-C 1,8
		Шины	РВПК-3,3	Не устанавливать	Не устанавливать
		Фидеры контактной сети	РВКУ-3,3БО1	ОПН-3,3 О1	POLIM-H 4,5 DС

43

6.3 Разрядные устройства

При отключении фидерными быстродействующими выключателями РУ 3,3 кВ больших токов на индуктивностях реакторов сглаживающих устройств возникают перенапряжения, которые приводят к подгоранию главных контактов выключателя, порче дугогасительных камер, срабатыванию разрядников в РУ 3,3 кВ.

Для исключения или уменьшения этих явлений применяют разрядные устройства, которыми шунтируют реакторы сглаживающих устройств. При нормальном напряжении на реакторах сопротивление разрядного устройства близко к бесконечности, а при возникновении перенапряжения резко падает, и электромагнитная энергия, запасенная в реакторах, рассеивается в балластных резисторах разрядного устройства.

Благодаря этому повышается отключающая способность фидерных быстродействующих выключателей, уменьшается время отключения цепи КЗ, снижаются амплитудные значения тока и напряжения.

В настоящее время на тяговых подстанциях постоянного тока применяются три типа разрядных устройств, места установки которых приведены в таблице 6.2. В соответствии с этой таблицей и следует выбирать разрядные устройства.

Таблица 6.2 – Места установки разрядных устройств на тяговых подстанциях

	Тип преобразователей	Тип разрядного	Место установки
	на тяговой подстанции	устройства
	Выпрямительные	УР-2 или УРД-1,	Параллельно реакторам сгла-
		или УР-3	живающих устройств
	Выпрямительно-	УРИ	Параллельно реакторам сгла-
	инверторные		живающих устройств
	Выпрямительно-	УР-2 или УРД-1	Параллельно	токоограничи-
	инверторные	или УР-3	вающим реакторам инвертора

Примечание: основу устройств УР-2 УР-3 и УРИ составляют тиристоры, а УРД-1 – быстронасыщающийся дроссель.

После выбора устройств защиты от перенапряжений и составления соответствующих таблиц выбранное оборудование необходимо изобразить на СГЭС.

44

7.Выбор различных устройств для РУ-3,3кВ

7.1Устройства для замера постоянного тока и напряжения

Для замера постоянного тока в РУ 3,3 кВ применяются шунты типа 75ШМС-М3 (таблица Е.1). Они включаются в разрыв цепи измеряемого тока. При протекании по шунту рабочего тока на шунте возникает падение напряжения, составляющее при номинальном токе 75 мВ. Это напряжение замеряется прибором типа М1611, включенном в режиме милливольтметра и проградуированном в килоамперах (рисунок 7.1, а).

Рисунок 7.1 – Замер постоянного тока: а – при помощи шунта и б – постоянного напряжения при помощи добавочного резистора в РУ 3,3 кВ

Впоследнее время измерение постоянного тока в РУ – 3,3 кВ производится датчиками тока ДТ-10к-4к.

ВРУ 3,3 кВ замеряется [12]:

1)ток каждого преобразователя – в цепях, соединяющих аноды преобразователей с «минус» шиной;

2)ток фидера контактной сети – в цепи фидера;

3)ток обходного выключателя – в цепи обходного выключателя, соединяющей главную «плюс» шину с запасной «плюс» шиной;

4)ток отсасывающего провода – в цепи отсасывающего провода.

Для замера постоянного напряжения в РУ 3,3 кВ применяются добавочные резисторы RД типа Р3033 с сопротивлением 0,8; 1 или 1,33 МОм. Они включаются последовательно с предохранителем FU и прибором типа М1611, включенном в режиме миллиамперметра и проградуированном в киловольтах (рисунок 7.1, б). Эта цепь подсоединяется к точкам, между которыми необходимо измерить напряжение. При появлении между точками напряжения по этой цепи протекает ток, который при RД = 1 МОм равен

I			Ud			3 103	3мА.
	R
			R		1 106
				Д

Измерение постоянного напряжения в РУ-3,3 кВ можно производить датчиками напряжения ДН-4с.

Напряжение в РУ 3,3 кВ замеряется [12]:

1)у каждого преобразователя – между катодом и анодом преобразователей;

2)на шинах – между «плюс» и «минус» шиной.

45

7.2 Сглаживающие и помехоподавляющие устройства

Преобразователи тяговых подстанций являются генераторами высших гармоник напряжения, которые могут создавать помехи в близлежащих линиях проводной связи. Для уменьшения этого влияния на тяговых подстанциях устанавливают сглаживающие устройства. Они состоят из сглаживающего фильтра и сглаживающего реактора (таблица Е.2), которые не пропускают высшие гармоники в контактную сеть.

Выбор сглаживающего устройства полностью определяется типом преобразователя. В таблице 7.1 приведены типы преобразователей и рекомендуемые для них сглаживающие устройства, а на рисунке Ж.1 и Ж.2 – схемы этих устройств [12, 13]. В таблице Ж.1 представлена спецификация к рисункам Ж.1

и Ж.2.

Таблица 7.1– Сглаживающие устройства, рекомендуемые для преобразователей

	преобразователи					Сглаживающее устройство
Выпрямители по 6-пульсовой нуле-
вой	схеме	и	инверторы	по	6-	Двухзвенное резонансно-апериодическое сглаживаю-
пульсовым нулевым и мостовым						щее устройство ВНИИЖТа (рисунок Ж.1)
схемам
Выпрямители по 6-пульсовой мос-						Двухзвенное резонансно-апериодическое сглаживаю-
товой	схеме	и	инверторы	по	12-	щее устройство Западно-Сибирской железной дороги
пульсовой схеме						(рисунок Ж.2, а)
Выпрямители по 12- и 24 - пульсовым схемам и						Однозвенное резонансно-апериодическое сглажи-
инверторы по 24-пульсовым схемам						вающее устройство (рисунок Ж.2, б)

Кроме генерирования звуковых частот преобразователи являются источниками более высоких частот, которые создают радиопомехи.

Для уменьшения уровня радиопомех на выпрямительных тяговых подстанциях катод каждого преобразователя соединяют с «землей» через емкость, равную 8 мкФ, состоящую из двух последовательно включенных высокочастотных конденсаторов ФСТ4-16У2 [12].

На выпрямительно-инверторных тяговых подстанциях кроме этого в катод и анод инвертора устанавливают помехоподавляющие реакторы РОСВ2000 (таблица Е.3), которые предназначены для снижения уровня радиопомех, создаваемых при работе инверторных преобразователей [12].

После выбора сглаживающих и помехоподавляющих устройств РУ-3,3 кВ необходимо изобразить и подписать их на СГЭС.

46

8Расчет и выбор аккумуляторной батареи

8.1Назначение аккумуляторной батареи

Для питания электромагнитных приводов выключателей, релейной защиты, сигнализации, автоматических и телемеханических устройств на тяговых подстанциях применяется как переменный, так и постоянный оперативный ток. Источниками переменного оперативного тока служат трансформаторы собственных нужд. Источником постоянного оперативного тока служит аккумуляторная батарея (АБ), которая обеспечивает большую надежность питания вышеперечисленных устройств, так как готова к действию даже при отключении подстанции от внешней сети. Кроме оперативных цепей АБ может осуществлять резервное электроснабжение некоторых других устройств тяговой подстанции (например, освещение).

Обычно номинальное напряжение АБ равняется 220 В, за исключением некоторых старых подстанций, где напряжение может составлять 110 В.

Упрощенная схема подключения АБ к шинам собственных нужд постоянного тока приведена на рисунке 8.1. Из него видно, что АБ состоит из двух секций – 230 В и 28 В. Благодаря этому на шинах постоянного тока имеется два напряжения: между шинами « + » и «-1» – 230 В, а между шинами « + » и «-2» – 258 В. От напряжения 230 В питаются устройства управления, сигнализации, релейной защиты, катушки отключения выключателей переменного тока, держащие катушки и катушки управления выключателей постоянного тока, а также аварийное освещение. Напряжением 258 В питают катушки включения выключателей переменного тока.

	380 В	380 В
	ПЗУ	ЗУ
Шины	+	+
собствен-	+
ных нужд
постоян-	-1
ного тока	-2

Питание устройств управления, сигнализаци,защиты, катушек отключения выключателей, аварийного освещения

АБ

Питание катушек

включения выклю-

230 В

28 В

чателей

258 В

Рисунок 8.1 – Схема подключения аккумуляторной батареи к шинам собственных нужд постоянного тока

47

Кроме АБ к шинам собственных нужд постоянного тока подключены подзарядное (ПЗУ) и зарядное (ЗУ) устройства (рисунок 8.1). Их основные электрические параметры приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 –	Электрические		параметры		выпрямителей,		применяемых
	для подзарядки и зарядки аккумуляторных батарей
Тип выпрямителя		U1, В		UН, В		IН, A		PH, кВт
ВАЗП-260-80		220/380		260		80		23
ВАЗП-380-40		220/380		380		40		17

Такая схема может работать в трех основных режимах.

1Нормальный режим – режим постоянного подзаряда, когда к шинам собственных нужд постоянного тока подключены ПЗУ и АБ. Питание нагрузок осуществляется одновременно от ПЗУ и АБ. Последняя, в свою очередь, постоянно подзаряжается от ПЗУ.

2Аварийный режим. Он возникает при пропаже внешнего напряжения. В этом случае шины собственных нужд постоянного тока получают питание только от АБ.

3Режим заряда АБ. После разряда АБ, возникшего, например, при пропаже внешнего питания, необходимо произвести заряд АБ под действием повышенного напряжения. В этом режиме к шинам собственных нужд постоянного тока подключаются ЗУ и АБ.

8.2 Типы аккумуляторов для тяговых подстанций

В настоящее время наибольшее распространение на тяговых подстанциях получили свинцово-кислотные аккумуляторы типа СК (С – стационарный, К – для кратковременных разрядов). Они выпускаются в 46 типовых исполнениях от СК-1 до СК-148. Первые восемь исполнений приведены в таблице И.1. Остальные данные об аккумуляторах СК можно получить в [3, 8, 9, 23].

Свинцово-кислотные аккумуляторы типа СН (С – стационарный, Н – с намазными пластинами), которые имеют меньшие размеры и вес, чем аккумуляторы СК. Они выпускаются в 16 типовых исполнениях от СН-36 до СН-1152. Первые восемь исполнений приведены в таблице И.1. Остальные данные об аккумуляторах СН можно получить в литературе [6, 10, 9, 23].

Кроме аккумуляторов российского производства на подстанциях начинают применять и батареи зарубежных фирм. В таблице И.1 приведены некоторые панцирные аккумуляторы на основе свинцово-кадмиевого сплава, выпускаемые фирмой ОЛЬДАМ ФРАНС. Они имеют срок службы не менее 15 лет и практически не требуют затрат на обслуживание. Так, в аккумуляторы типа LTC необходимо подливать дистиллированную воду не чаще чем 1 раз в 5 лет, а аккумуляторы типа EG вообще не требуют доливки воды в течение всего

48

срока эксплуатации. Однако стоимость таких батарей в несколько раз превышает стоимость отечественных аналогов.

8.3 Выбор аккумуляторной батареи

Выбор АБ производят [3, 9, 12, 23] исходя из аварийного режима ее работы по двум параметрам:

1)по емкости длительного 3-часового разряда

	QРАСЧ [Q3 Ч],	(8.1)
где QРАСЧ –	требуемая разрядная емкость АБ;
[Q3 Ч] – емкость 3-часового разряда выбранного аккумулятора (таблица П.И.1);

2)по току кратковременного 5-секундного разряда

	IКР РАЗР [I5 C]	(8.2)
где IКР РАЗР –	требуемый ток кратковременного разряда АБ;
[I5 C] –	ток 5-секундного разряда выбранного аккумулятора (таблица П.И.1).

Рассмотрим методику выбора АБ на численном примере.

Пример 8.1

Задание. Выбрать АБ на аккумуляторах СН для тяговой подстанции с заданными числами и типами выключателей.

Число выключателей переменного тока NПЕР = 30 шт. Число отделителей NОТД = 2 шт.

Число короткозамыкателей NКЗ = 2 шт.

Число катодных выключателей постоянного тока NКАТ = 2 шт.

Число пар фидерных выключателей постоянного тока NФИД						= 4 шт.
Типы выключателей переменного тока — ВМТ-110, ВМУЭ-35, ВМПЭ-10.
Решение. Определим число элементов АБ
	n	UШ		258	120 шт.,	(8.3)
	UПОД		2,15
где UШ –	напряжение на шинах АБ, равное 258 В;

UПОДЗ – напряжение одного элемента в режиме подзаряда (таблица И.1).

Определим необходимую емкость батареи при длительном разряде.

Ток IПОСТ, потребляемый постоянно подключенными к АБ потребителями

равен

	IПОСТ = IЛС + IКУ + IАВТ ,	(8.4)
где IЛС –	ток, потребляемый лампами сигнализации положения выключателей переменного и посто-

49

янного тока, отделителями и короткозамыкателями;

IКУ – ток, потребляемый катушками управления выключателей постоянного тока;

IАВТ – ток, потребляемый устройствами автоматики, при расчете можно принять равным 10 А.

IЛС = IЛ (NПЕР + NОТД + NКЗ + NКАТ + NФИД) =

= 0,065 (30 + 2 + 2 + 2 + 4) =2,6 А,

где IЛС = 0,065 А — ток, потребляемый одной сигнальной лампой.

	IКУ = IК (NКАТ + 2 NФИД) = 0,5 (2 + 2 4) = 5 А,
где IК –	ток, потребляемый одной катушкой управления, для ВАБ-43 равен 0,5 А, для ВАБ-49 – 0,7
	А.
Тогда	IПОСТ = 2,6 + 5 + 10 = 17,6 А.
Найдем IАВ	– ток потребителей, подключаемых к АБ в аварийном режиме
	IАВ = IТМ + IОСВ ,

где IТМ – ток, потребляемый устройствами телемеханики в аварийном режиме, при расчете можно принять равным 1,4 А;

IОСВ – ток, потребляемый устройствами освещения в аварийном режиме, при расчете можно при-

нять равным 10 А.

Тогда IАВ = 1,4 + 10 = 11,4 А.

Теперь найдем IДЛ РАЗР – расчетный ток длительного разряда АБ

IДЛ РАЗР = IПОСТ + IАВ = 17,6 + 11,4 = 29 А.

Определим QРАСЧ – расчетную разрядную мощность АБ длительного ре-

жима

		QРАСЧ = IДЛ РАЗР tАВ = 293 = 87 А ч,
где	tАВ –	время аварийного режима равное 3 часам.
Теперь найдем ток батареи кратковременного разряда IКР РАЗР. Он равен
		IКР РАЗР = IДЛ . РАЗР + IВКЛ ,
где	IВКЛ –	ток, потребляемый наиболее мощным приводом выключателя при его включении.

Из исходных данных и таблице И.2 определяем, что из всех применяемых на тяговой подстанции выключателей самым большим током включения обладает привод ПЭМУ-800 выключателя ВМУЭ-35. Его IВКЛ =122 А. Поэтому

IКР РАЗР = 29 + 122 = 151 А.

50