УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА УЧАСТКАХ С ОПОРАМИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ, ОТСОЕДИНЕННЫМИ ОТ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электрификации железных дорог, и может быть использована для защиты тяговой сети постоянного тока на участках с опорами контактной сети, отсоединенными от рельсового пути, при нарушении изоляции контактной подвески.
Известны технические решения по выявлению нарушений изоляции контактной подвески тяговой сети постоянного тока, предполагающие, что металлические поддерживающие конструкции опор контактной сети объединены тросом группового заземления, который соединен заземляющим спуском с рельсовым путем (Л-1; Л-2).
Однако построенные с учетом этого токовые и дистанционные защиты имеют существенные недостатки. Непосредственное соединение троса группового заземления с рельсовым путем сопровождается электрохимической коррозией арматур фундаментов опор контактной сети за счет протекания по ним части тягового тока. Устройства защиты не работают при отсоединении заземляющих спусков от рельсового пути (например, при проведении путевых работ). Причиной является то, что сопротивление опор
контактной сети велико (десятки Ом для металлических, сотни и тысячи Ом для железобетонных опор). Поэтому при отключении заземляющего спуска от рельсов принужденная составляющая тока короткого замыкания зачастую не превышает уставки срабатывания устройств защиты.
В устройстве, описанном в (Л-2), с целью уменьшения электрохимической коррозии арматуры опор контактной сети трос группового заземления опор соединяется с рельсовым путем посредством заземляющего спуска, в рассечку которого включены пробивные элементы, исключающие протекание тока из рельсового пути через фундаменты опор.
В качестве пробивных элементов используются, в частности, искровые промежутки ИПМ-62 с пробивным напряжением 800÷1000 В, диодные и/или тиристорные ключи (Л-2).
Это устройство наиболее близко по технической сущности к предлагаемому устройству. Оно и взято за прототип.
Известное устройство-прототип (фиг.1) состоит из тяговой подстанции 1, к минусовой шине которой через последовательно соединенные реактор 2 и отсасывающую линию 3 подключен рельсовый путь 4, а к плюсовой шине через последовательно соединенные коммутационный аппарат 5 и датчик тока 6 в контактной сети подключены провода контактной сети 7, подвешенные на изоляторах 8 к металлическим поддерживающим конструкциям опор 9 контактной сети, объединенным секционированным тросом группового заземления 10, и из управляющего отключением коммутационного аппарата 5 исполнительного элемента 11, входные зажимы которого подключены к выходным зажимам датчика тока 6, и подключенных к тросу группового заземления 10 заземляющих спусков 12, которые через пробивные элементы 13, исключающие протекание части тягового тока электровоза 14 из рельсового пути 4 в фундаменты опор 9, соединяют трос группового заземления 10 с рельсовым путем 4 (Л-2).
Устройство-прототип работает следующим образом.
При нарушении изоляции контактной сети пробивается элемент 13 и возникает режим короткого замыкания контактной сети 7 на рельсовый путь. При этом по пути «плюсовая шина тяговой подстанции 1 - коммутационный аппарат 5 - датчик тока 6 - контактная сеть 7 - металлические поддерживающие конструкции опор 9 - трос группового заземления 10 - заземляющий спуск 12 - пробивной элемент 13 - рельсовый путь 4 - отсасывающая линия 3 - реактор 2 - минусовая шина тяговой подстанции 1» протекает ток короткого замыкания. От сигнала, поступающего с датчика 6, срабатывает исполнительный элемент 11, управляющий сигнал с которого подается на коммутационный аппарат 5, отключающий аварийный режим.
В используемых в настоящее время устройствах датчик тока 6 с исполнительным элементом 11 и коммутационный аппарат 5 совмещены в одном устройстве - быстродействующем выключателе (Л-1; Л-2).
Недостатком устройства-прототипа является его низкая надежность, обусловленная вхождением в состав устройства пробивных элементов 13, используемых для ограничения токов утечки с рельсового пути в металлоконструкции опор контактной сети. Действительно, при разряде токов молнии в контактную сеть изоляция на опорах контактной сети пробивается и появляется напряжение рельсы - земля, существенно превышающие рабочее напряжение пробивных элементов. Возникает режим короткого замыкания контактной сети на рельсовый путь, ток короткого замыкания проходит через пробивной элемент 13, вызывая отказ в работе входящих в него устройств (диодных и/или тиристорных ключей, искровых промежутков).
Кроме того при производстве путевых работ по технологическим причинам необходимо отсоединять заземляющие спуски от рельсового пути. Это снижает производительность труда работников и может привести к электротравмированию. Последнее объясняется тем, что рассматриваемое устройство-прототип не предназначено для отключения аварийного режима на опоре, когда заземляющие спуски отсоединены от рельсового пути.
Таким образом область применения устройства-прототипа ограничена.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности защиты тяговой сети постоянного тока на участках с опорами контактной сети, отсоединенными от рельсового пути, существенное уменьшение электрохимической коррозии арматуры фундаментов опор, повышение производительности труда и обеспечение условий электробезопасности при проведении путевых работ.
Работа предлагаемого устройства основана на анализе признаков, характеризующих нестационарные электромагнитные процессы в тяговых сетях постоянного тока.
Анализ этих процессов позволяет сделать следующие выводы.
0
пр
пр.
пр.
0
пр
p.
пр.
При нарушении изоляции на опорах контактной сети в тяговой сети возникает переходной процесс. Ток короткого замыкания изменяется по практически экспоненциальному закону от i (начальные условия) до i. (ток, соответствующий принужденному режиму), причем приращение Δi=i-i этого тока зависит от сопротивления растеканию фундаментов опор. В естественных условиях приращение Δi соизмеримо с аналогичным приращением тока в контактной сети при трогании ЭПС. Если же металлические поддерживающие конструкции опор подключить к заземлителю с эквивалентным сопротивлением растеканию R≅4 Ом, приращение тока будет гораздо больше и составит Δi≈700÷750 А. Это выше приращений тока в контактной сети в рабочих режимах.
p.
Сопротивление R упомянутого заземлителя существенно влияет на постоянную времени τ переходного процесса, вызванного нарушением изоляции на опоре. С достаточной точностью можно считать, что
где L - индуктивность цепи протекания тока;
p.
R - активное сопротивление этой цепи, определяемое, в основном, сопротивлением R,
а длительность переходного процесса принять равной (3÷5)·τ.
Постоянная времени τ существенно меньше постоянных времени для большинства рабочих режимов (пуск электроподвижного состава, отрыв токоприемника электровоза от контактной сети и пр.), скорость изменения тока в контактной сети в начале рассматриваемого переходного процесса достаточно велика и превышает скорость изменения тока в этих режимах.
Сказанное справедливо и для наиболее опасных случаев: электроподвижной состав расположен вблизи тяговой подстанции, а место нарушения изоляции контактной сети в пределах фидерной зоны находится на значительном расстоянии от нее.
Рассмотренные факторы (длительность переходного процесса, вызываемого в контактной сети нарушением изоляции на опоре (при практически экспоненциальном изменении тока в контактной сети), скорость этого тока в начале переходного процесса, величина приращения тока за время, соответствующее длительности указанного процесса) использованы в предлагаемой полезной модели - устройстве защиты тяговой сети постоянного тока на участках с опорами контактной сети, отсоединенными от рельсового пути.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
В известном устройстве защиты тяговой сети постоянного тока от токов короткого замыкания, состоящем из тяговой подстанции, к минусовой шине которой через последовательно соединенные реактор и отсасывающую линию подключен рельсовый путь, а к плюсовой шине через последовательно соединенные коммутационный аппарат и датчик тока в контактной сети подключены провода контактной сети, подвешенные на изоляторах к металлическим поддерживающим конструкциям опор контактной сети, объединенным секционированным тросом группового заземления, и из управляющего отключением коммутационного аппарата
исполнительного элемента и подключенных к тросу группового заземления заземляющих спусков, заземляющие спуски соединяют тросы группового заземления каждой группы опор, объединенных в одну секцию, с дополнительно вводимыми искусственными заземлителями, эквивалентное сопротивление растеканию которых не должно превышать 4 Ом (для каждой группы опор), а тяговая подстанция оборудуется устройством, фиксирующим аварийный режим, возникающий в тяговой сети при нарушении изоляции на одной или нескольких опорах, объединенных общим тросом группового заземления.
Схема устройства защиты тяговой сети постоянного тока на участках с опорами контактной сети, отсоединенными от рельсового пути, представлена на фиг.2.
Устройство состоит из 1 - тяговой подстанции постоянного тока, 2 - реактора, 3 - отсасывающей линии, 4 - рельсового пути, 5 - коммутационного аппарата, 6 - датчика тока в контактной сети, 7 - проводов контактной сети, 8 - изоляторов, на которых эти провода подвешиваются к 9 - металлическим поддерживающим конструкциям опор, 10 - секционированного троса группового заземления, 11 - исполнительного элемента, управляющего отключением коммутационного аппарата 5, 12 - заземляющих спусков, 13 - искусственных заземлителей, эквивалентное сопротивление растеканию которых не должно превышать 4 Ом (для каждой группы опор, объединенных общим тросом группового заземления), 14 - дифференциатора, 15 - высокочастотного фильтра, 16 и 17 - соответственно первого и второго пороговых элементов с регулируемыми порогами срабатывания, 18 - одновибратора и 19 - логической схемы 2И.
Устройство работает следующим образом.
При нарушении изоляции на опоре контактной сети в контактной сети возникает переходной процесс. Напряжение с датчика тока 6 (шунта), пропорциональное току в фидере, питающем аварийный участок, поступает на входы дифференциатора 14 и высокочастотного фильтра 15 (Л-3).
Если  - скорость изменения тока в фидере - превышает заданную величину, срабатывает первый пороговый элемент 16 (компаратор) (Л-3). Сигнал с выхода этого порогового элемента запускает одновибратор 18, вырабатывающий импульс, длительность которого соответствует продолжительности переходного процесса ((3÷5)·τ), вызываемого нарушением изоляции на опоре (Л-3).
Высокочастотный фильтр 15 пропускает на второй пороговый элемент 17 (компаратор) высокочастотную составляющую сигнала с датчика тока 6. При превышении этой составляющей уставки, соответствующей изменению тока фидера на 700÷750 А, этот пороговый элемент срабатывает.
Сигналы с выходов одновибратора 18 и порогового элемента 17 поступают на соответствующие входы логической схемы 2И 19. В том случае, когда срабатывание элемента 17 произошло в течение времени, задаваемого одновибратором 18, на выходе логической схемы 19 появляется сигнал, поступающий на вход исполнительного элемента 11, управляющего работой коммутационного аппарата 5, и аварийный участок отключается.
Устройство обеспечивает надежное отключение аварийного режима в контактной сети постоянного тока на участках с опорами, отсоединенными от рельсового пути. Применение устройства позволяет снизить электрохимическую коррозию арматуры фундаментов опор, повысить производительность труда и уровень электробезопасности при проведении путевых работ.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания.
1. Инструкция по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах. М.: Транспорт. - 1997. - 68 с.
2. Косарев Б.И., Зельвянский Я.А., Сибаров Ю.Г. Электробезопасность на железнодорожном транспорте. - М. транспорт. - 1981. - 215 с.
3. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь. - 1985. - 304 с.