5.2. Порядок выполнения работы
1) Изучить конструкцию разъединителей и приводов, смонтированных на стендах [1 – 3].
2) Ознакомиться с технологией монтажа (замены) устройств коммутации, монтируемых на опорах контактной сети [3, 4].
3) Выбрать из предложенного набора инструменты и защитные средства для работы на стендах с натурными образцами изучаемых устройств [4].
4) Установить изолированную съемную вышку у соответствующего стенда.
5) Произвести замеры основных конструктивных параметров разъединителей и приводов и сравнить полученные значения с указанными в технических паспортах этих устройств [3].
6) Отрегулировать параметры разъединителей и приводов в соответствии с требованиями технических паспортов [3].
7) Проверить работу устройств после окончания их регулировки.
8) Тип разъединителей для станций и перегонов контактной сети постоянного и переменного тока выбрать из источника [3].
5.3. Контрольные вопросы
1) Основные конструктивные узлы разъединителя.
2) Параметры (характеристики) разъединителя.
3) Классификация разъединителей по их функциональному назначению.
4) Инструменты и приспособления, применяемые при монтаже и регулировке разъединителей.
5) Защитные средства и техника безопасности при монтаже разъединителей на опорах контактной сети.
5.4. Содержание отчета
1) Описание конструкции и основные параметры выбранных разъединителей и приводов, смонтированных на опорах контактной сети и высоковольтных воздушных линий.
2) Кинематическая схема разъединителя и электрическая схема привода.
3) Описание технологии монтажа и регулировки разъединителей.
4) Результаты выполненных измерений механических характеристик разъединителей и приводов.
5) Заключение о предмонтажной регулировке разъединителей.
6) Ответы на контрольные вопросы.
Лабораторная работа 6
УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Цель работы: изучить назначение, особенности конструкции и технологию монтажа устройств защиты элементов системы электроснабжения железнодорожного транспорта.
6.1. Краткие теоретические сведения
К защитным устройствам контактных сетей, ЛЭП [1] и устройств, расположенных на открытой части тяговой подстанции, относятся устройства для защиты изоляции от атмосферного и коммутационного перенапряжения; узлов и подземных сооружений от атмосферной, почвенной и электрической коррозии; людей от поражения током (электробезопасность); изоляторов от замыкания при гнездовании птиц; контактных проводов от пережогов токоприемниками на изолирующих сопряжениях; транспорта от выезда за конец контактной подвески или от наезда на опорные конструкции и др. К защищающим элементам относятся износостойкие покрытия, антикоррозионные краски и обмазки устройств контактных сетей, различные щиты, ограждения, надписи и т. п. [1].
Для каждого из перечисленных защитных устройств существует порог срабатывания при появлении недопустимого значения параметра, от которого необходима защита, например от недопустимой величины напряжения, расстояния и т. п. Функции защитных устройств иногда выполняют элементы других подсистем контактных сетей и ВЛ (например, полимерные покрытия се- дел – для защиты от износа сталеалюминиевого несущего троса). Защитные устройства не только проверяют и сигнализируют о появлении недопустимого значения параметра у конкретного узла (подобно диагностическим устройствам), но и сами выполняют оперативные (например, отключение) и предупредительные (например, ограждающие щиты) функции.
Для снижения уровня перенапряжения, возникающего в ВЛ и контактной сети, и, следовательно, для обеспечения сохранности изоляции и надежного срабатывания защиты устанавливают специальные устройства-разрядники, при электрическом пробое которых провода ЛЭП и контактной сети кратковременно замыкаются на заземляющие устройства или тяговые рельсы и ток разряда уходит в землю или на тяговую подстанцию, после чего изоляция ЛЭП или контактной сети восстанавливается. Различают роговые и трубчатые разрядники, а также полупроводниковые нелинейные ограничители перенапряжения.
Роговые разрядники имеют воздушные промежутки, образуемые дугогасящими рогами из стального прутка диаметром 12 мм. Один рог разрядника устанавливают на изоляторе и соединяют его медным проводником сечением не менее 25 мм2 с контактной сетью (проводом ВЛ), другой рог соединяют заземляющим проводником с рельсами. Для исключения ложного срабатывания при случайном замыкании промежутка (например, птицами) разрядники выполняют с двумя последовательно расположенными искровыми промежутками по 5 мм при постоянном токе и 45 мм – при переменном. При пробое промежутков и срабатывании разрядника возникшая электрическая дуга растягивается по наклонным рогам и гасится.
Роговые разрядники размещают, как правило, на вершинах опор перпендикулярно или под углом 45° к оси пути (для лучшего осмотра с поезда). В зоне срабатывания разрядника и над ним на расстоянии до 3 м не разрешается располагать какие-либо провода. На линиях постоянного тока роговые разрядники размещают обычно на переходных опорах. На изолирующих сопряжениях при нормально отключенных продольных разъединителях разрядники устанавливают на обеих ветвях, а при нормально замкнутых – на одной. Изготавливают роговые разрядники для неагрессивной среды на двух изоляторах ОНС-10-500, для агрессивной – на ОНС-35-500.
Трубчатые разрядники, дополненные внешним искровым промежутком (40 мм) для предотвращения токов утечки по поверхности, применяют на линиях переменного тока и ДПР. Трубчатый разрядник, например РТ-35, состоит из бакелитовой трубки с внутренним диаметром 10 мм и двумя металлическими наконечниками. Внутри бакелитовой трубки находится фибровая трубка со стержневым электродом. Между этим электродом и одним из металлических наконечников бакелитовой трубки имеется зазор, который образует внутренний искровой промежуток. При перенапряжении внутренний искровой промежуток пробивается, фибровая трубка выделяет газы, которые, вырываясь из трубки, обеспечивают гашение дуги. Внешний искровой промежуток, образованный рогами из стального прутка диаметром 10 мм, предохраняет изоляцию от разрушения токами утечки. Для предотвращения скопления влаги во внутренней полости разрядника его устанавливают открытым концом под углом не менее 15°, а в местах сильного загрязнения – до 45° к горизонтали.
Электрод внешнего искрового промежутка, закрепленный на стержневом изоляторе, соединяют с подвеской медным проводом сечением не менее 16 мм2. Заземляющий провод подключают к тяговому рельсу или к специальному заземлению, расположенному от ближнего рельса на расстоянии не менее 3 м и имеющему сопротивление не более 150 Ом [2]. Пределы отключаемого тока трубчатого разрядника – от 0,8 до 5 кА [3].
Трубчатые разрядники типа РТФ-10 и РТФ-35 предназначены для защиты от грозового перенапряжения изоляции линий электропередачи 10 и 35 кВ и частотой 50 Гц; по техническим данным их наибольшее допустимое напряжение (действующее значение) составляет 12 и 40,5 кВ, а ток отключения (действующее значение) находится в интервале 0,5 – 5,0 и 1,0 – 5,0 кА соответственно. Размеры искровых промежутков: внешних – 25 и 130 мм, внутренних – 150 и 200 мм.
На КС постоянного тока разрядники устанавливаются около анкеровок проводов контактной подвески, средних анкеровок при компенсированной подвеске; мест присоединения (по каждому пути) пунктов параллельного соединения; искусственных сооружений на анкеровках контактной подвески с обеих сторон сооружения при его длине 80 м и более; искусственных сооружений на анкеровках контактной подвески с одной стороны сооружения при длине менее 80 м; мест присоединения питающих линий к контактной подвеске, а также на питающих линиях на расстоянии не далее 100 м от начала воздушной трассы у тяговой подстанции и затем – не реже чем через каждые 1,0 – 1,5 км.
На контактной сети переменного тока разрядники устанавливаются с обеих сторон у изолирующего сопряжения; у пунктов параллельного соединения (по каждому пути); около отсасывающих трансформаторов у обоих выводов их первичной обмотки, присоединенной к контактной сети; на конце консольного участка КС, состоящего из двух и более анкерных участков; около мест присоединения питающих линий к контактной сети, а также на станции стыкования – в конце линии и у первого ответвления ее к пункту группировки.
При наличии на фидерах тяговой подстанции ограничителей перенапряжения ОПН-25 кВ разрядники на питающих линиях не устанавливаются. На линиях ДПР разрядники устанавливаются с одной стороны у мест пересечения ДПР с контактной сетью; с двух сторон у мест секционирования; в местах, подверженных частым грозовым разрядам; у анкеровок проводов контактной сети.
Роговые, трубчатые разрядники и ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) присоединяются только к электрическим соединителям контактной подвески. Сечение проводов (шлейфов) должно быть не менее 25 мм2 в медном эквиваленте [3].
Не допускается наличие проводов, изоляторов и других конструкций на расстоянии менее 3 м от роговых разрядников [2, 4].
Ограничители перенапряжения нелинейные предназначены для защиты изоляции контактных сетей постоянного и переменного тока напряжением 3,3 и 27,5 кВ от грозового и коммутационного перенапряжения; они исключают короткие замыкания на контактных сетях, возникающие при срабатывании роговых и трубчатых разрядников при атмосферном перенапряжении.
ОПН с высоконелинейными резисторами (варисторами) на основе окиси цинка изменяют внутреннее сопротивление (в зависимости от величины нап-ряжения) с максимального при номинальном напряжении до минимального при перенапряжении. По сравнению с вентильными разрядниками ОПН имеют неоспоримые преимущества: низкий защитный уровень для всех видов пере-напряжения, высокую удельную энергоемкость, отсутствие сопровождающего тока после импульса перенапряжения; и нет необходимости в их регулировке. Кроме того, искровые промежутки, имеющиеся у вентильных разрядников, воздействуют на защищаемое оборудование импульсами с большой скоростью изменения напряжения, что приводит к развитию местных дефектов изоляции (частичных разрядов), чего нет у ОПН. В контактной сети в грозовые сезоны повреждаемость изоляторов повышается в 1,5 – 2 раза. ОПН позволяет снизить уровень грозового перенапряжения для постоянного тока с 35 – 40 до 17 кВ.
Ограничители перенапряжения рассчитаны для работы при температуре окружающего воздуха от +60 до –40 °С, выдерживают давление ветра со ско-ростью до 40 м/с без гололеда и до 15 м/с при толщине гололеда 20 мм и натяжении провода в горизонтальном положении до 300 Н. Расчетный срок службы ограничителей перенапряжения – 15 лет. Рабочее положение ОПН – вертикальное. Основные технические характеристики ОПН приведены в работе [3]. Пример условного обозначения ОПН: ОПН-3,3 КС УХЛ-1, где О – ограничитель, П – перенапряжения, Н – нелинейный, 3,3 (27,5) – номинальное напряжение 3,3 (27,5) кВ; КС – контактная сеть; УХЛ – климатическое исполнение.
Подключение ОПН к контактной сети осуществляется через роговый разрядник с воздушным промежутком (40 + 2) и (80 + 5) мм для постоянного и переменного тока соответственно, зашунтированным плавкой вставкой из двух медных проволок диаметром 0,68 мм (марки МГГ-50, 70, 95).
Защита устройств контактных сетей от коррозии выполняется с помощью «заземления». Заземление шунтирует металлические конструкции, не находящиеся нормально под напряжением (опорно-поддерживающие детали, основания разъединителей и разрядников и т. п.), с тяговыми рельсами или с землей (на ЛЭП).
Заземление повышает надежность срабатывания устройств защиты за счет снижения сопротивления и увеличения тока короткого замыкания и, следовательно, обеспечивает электробезопасность заземленных электроустановок. Виды заземления подразделяют на глухие, с искровыми промежутками, изолированные от конструкций (для защиты от электрокоррозии), комбинированные, индивидуальные и групповые, с короткозамыкателями и заземлителями, наружные и внутренние.
Индивидуальное заземление выполняют стальным прутком диаметром не менее 12 мм при постоянном токе и не менее 10 мм – при переменном. К заземляющему проводнику (спуску) плашечными зажимами присоединяют все конструкции, подлежащие заземлению. По железобетонной опоре наружный заземляющий спуск прокладывают с полевой стороны. На линиях переменного тока, где электрокоррозионное воздействие тока на арматуру незначительно, заземляющий спуск размещают внутри опоры при ее изготовлении, а заземляющие проводники от конструкций присоединяют к выводам спуска, расположенным вверху опоры. На металлических опорах соединительные заземляющие проводники крепят к элементам опор. По поверхности земли заземляющий проводник прокладывают к рельсу на полушпалках с двукратным покрытием кузбасским лаком для изоляции от земли, иногда – в изолирующем шланге (например, в Чехословакии). К рельсу проводник крепят башмаком – крюковым болтом, на железобетонных шпалах могут быть использованы их крепежные болты. Для опор и искусственных сооружений применяют специальные способы заземления с нейтральными вставками. Сопротивление стекания тока с рельсов и потенциальные диаграммы определяют электроэрозию опор.
Трос группового заземления, соединяющий ряд стоящих опор, применяют для опор контактной сети, установленных в выемках за кюветами и на пассажирских платформах, изготавливают этот трос из проводов сечением не менее 70 мм2. Трос закрепляют на опорах с помощью хомутов на высоте 5 – 6 м с натяжением 3,5 – 4,0 кН и присоединяют в одном месте двойным заземляющим спуском к средней точке дросселя-трансформатора или непосредственно к тяговому рельсу. Длина участка постоянного тока с групповым заземлением металлических опор не должна превышать 1200 м, а железобетонных – 600 м. Для опор с групповым заземлением могут возникнуть два вида электроэрозионной опасности: прохождение тока в землю через опоры с малым сопротивлением при срабатывании порогового устройства и перетекание тока (переток) между опорами, объединенными тросом, из-за разности потенциалов точек земли, разнесенных вдоль рельсовых нитей.
При переменном токе из-за наведенного напряжения длину троса ограничивают до 400 м и заземляют его так, чтобы от заземления до крайней опоры было не более 200 м.
Искровые промежутки (ИП) предназначены для защиты арматуры фундаментов и опор контактных сетей от протекания по ним блуждающих токов; для пропуска тока в рельсовую цепь при пробое изоляции контактных сетей или ВЛ продольного электроснабжения, проходящей по опорам; для защиты подземных сооружений от электрокоррозии токами, стекающими с рельсов через заземляющие проводники и арматуру фундаментов в грунт в соответствии с потенциалами сопротивления «рельс – земля» и сопротивлениями, которые зависят в основном от тягового тока и имеют различные зоны вдоль пути (с катодной зоной вблизи подстанции). Величина тока, стекающего с опоры, зависит от сопротивления «рельс – земля».
Искровые промежутки в нормальных условиях врезают в заземляющий проводник, изолируя опоры от рельсов. Когда на опору попадает высокое напряжение (800 В), происходит пробой искрового промежутка и наступает глухое заземление на рельс.
Конструктивно искровые промежутки могут быть одно- и многократного действия. Искровой промежуток типа ИПМ-62М состоит из корпуса с крышкой, внутри которого находится съемная вставка с двумя контактными шайбами и слюдяными прокладками между ними. Для предотвращения приваривания съемной вставки к крышке при пробое промежутка предусмотрен экран в виде карболитового кольца. Пробивное напряжение такого искрового промежутка составляет 800 – 1200 В. На опорах с роговыми разрядниками устанавливают по два искровых промежутка, если провод заземленного рога не изолирован от опоры.
Искровой промежуток ИП-3 [3] имеет изоляцию между выводами при снятой вставке 10 МОм и обеспечивает пропуск ударного тока при одностороннем питании с импульсом 7 – 9 кА и временем протекания 0,04 – 0,06 с; при двустороннем питании – с таким же импульсом и последующим временем протекания в течение 0,3 с, а также однократное автоматическое повторное включение (АПВ) с интервалом 6 – 10 с. Искровой промежуток типа ИПВ-ЦНИИ-62 снабжен варистором, вследствие чего его импульсные характеристики аналогичны характеристикам ОПН.
Диодные заземлители предназначены для тех же целей, что и искровые промежутки, но обеспечивают большее число срабатываний, что особенно важно для групповых заземлений. Диодные заземлители выполняются в двух вариантах: ЗД-1 (на трех параллельно соединенных вентилях ВЛ-200 не ниже 8-го класса) и ЗД-2 (на одном таблеточном вентиле Д133 на 1000 А не ниже 16-го класса). Диодный заземлитель ЗД-1 устанавливают на высоте не менее 1,7 м от уровня земли. От троса до диодного заземлителя прокладывают один провод, а заземляющий спуск от него к рельсу выполняют двойным стальным прутком диаметром 12 мм и присоединяют его к средней точке дросселя-трансформатора либо двумя зажимами непосредственно к рельсу через два параллельных промежутка ИПМ-62, но не ближе 200 м от сигнальной точки (дроссельного стыка) и 100 м от места присоединения к рельсам заземляющего спуска рогового разрядника.
Для предотвращения перетекания тока на железобетонные опоры корпус диодного заземлителя и его спуски изолируют от опоры. На корпус заземлителя наносят знак высокого напряжения в виде красной стрелы острием вниз.
Подключают диодный заземлитель к тросу группового заземления по Т- или Г-образной схеме, а секционирующие изоляторы для исключения шунтировки рельсовых цепей размещают напротив дросселя-трансформатора и в других местах. Диодные заземлители Московского энергомеханического завода имеют сопротивление изоляционных втулок не менее 10 МОм. Без разрыва цепи диодный заземлитель ЗД-2 обеспечивает уровень параметров, как и искровой промежуток ИП-3.
Короткозамыкатели с групповым заземлением, применяемые на Западно-Сибирской, Свердловской и других железных дорогах, обеспечивают полную изоляцию опор от рельсов, высокую надежность, возможность большого количества срабатываний, уменьшение расхода проводов, а также защиту от хищений цветных металлов и вандализма. Изоляция всех опор (узлов) секции достигается (рис. 6.1) соединением через искровые промежутки дополнительным проводом (БСМ-4, БСА-51, АС-35) и подключением его на концах защищаемой зоны через входные устройства к дуговым короткозамыкателям типа БКЗ-3,3. При этом один силовой контакт короткозамыкателя соединяется с контактной подвеской, а другой – со средней точкой дросселя-трансформатора (рельсами). При повреждении изоляции на любой опоре пробивается установленный на ней искровой промежуток и на дополнительный провод подается напряжение контактной сети, вызывая срабатывание короткозамыкателя, который замыкает контактную подвеску на дроссель-трансформатор (рельс). Ток короткого замыкания мгновенно отключается реагирующими на него быстродействующими выключателями тяговых подстанций, постов секционирования или пунктов параллельного соединения, таким образом место повреждения отключается и локализуется.
1
2
Рис. 6.1. Защита опор контактной сети изолированных от рельса:
1– контактная подвеска; 2 – дополнительный провод; 3 – искровой промежуток; 4 – опора; 5 – изолятор; 6 – входное устройство; 7 – запальные устройства; 8 – контакты электрозамыкателя
Конструктивно короткозамыкатель состоит из двух стальных пустотелых цилиндрических электродов, внутри которых расположены катушки для создания радиального магнитного поля. В нижний электрод вмонтировано запальное устройство с подвижными сердечниками – контактами катушек. При подаче напряжения на входное устройство катушки контакты размыкаются, возникает электрическая дуга, которая ионизирует пространство между основными электродами и вызывает пробой с током короткого замыкания до 3,5 кА. После срабатывания быстродействующих выключателей входное устройство приходит в исходное положение, срабатывает счетчик, и искровые промежутки опор восстанавливаются.
Защита от гнездования (от перекрытия узлов изоляции контактной подвески из-за их загрязнения материалами птичьих гнезд) может быть выполнена способами, основанными на отпугивании птиц – репеллентности, в том числе подражанием крикам хищных птиц с помощью магнитофона, и электропотенциальным (электропеллентная) способом защиты (наиболее эффективная).
Разработанная И. А. Беляевым электрорепеллентная защита для участков постоянного и переменного тока исключает трудозатраты на разрушение гнезд в ригелях жестких поперечин, используя эффект воздействия на птицу незначительного и неопасного для ее жизни тока. Основным элементом такой защиты является репеллентный (отпугивающий) неизолированный провод, натянутый внутри ригеля на высоте 150 – 200 мм над нижним поясом. Провод изолирован от ригеля натяжными и опорными изоляторами, рассчитанными на напряжение не менее 5 кВ.
На линиях переменного тока репеллентный провод подключается к антенне, подвешенной на изоляторах к нескольким ригелям параллельно контактным подвескам. Длина антенны и расстояние между нею и ближайшей контактной подвеской принимаются по данным инструкции по проведению работ на контактной сети переменного тока, оборудованной электрорепеллентной защитой. В антенне наводится высокое напряжение, которое подается в репеллентный провод. На линиях постоянного тока напряжение на репеллентный провод подается не от антенны, а от осветительной сети через трансформатор мощностью 100 Вт, установленный на ригеле и повышающий напряжение до 5 кВ. Действует такая защита следующим образом. Приступая к постройке гнезда, птица, пытаясь отодвинуть мешающий ее репеллентный провод, захватывает его клювом. Поскольку птица находится на заземленном ригеле, то в этот момент
через нее пройдет ток 6 – 10 мА (не смертельный, но создающий достаточный отпугивающий эффект), после разряда которого птица улетает. Для создания такого разрядного тока длина антенны должна быть равной 160 – 190 м.
Существует конструкция репеллентной защиты, разработанная фирмой «Сименс», однако при ее применении птицы погибают, в связи с чем на железных дорогах России применяется схема И. А. Беляева, как наиболее полно отвечающая требованиям экологии.
Предохранителем называют коммутационный аппарат, предназначенный для отключения электрических цепей при коротком замыкании и перегрузках. Долгое время существовали предохранители только одноразового действия, в настоящее время разработаны и выпускаются некоторыми фирмами предохранители многоразового действия, так называемые «вечные» предохранители.