В. Н. ПУПЫНИН, С. Х. ДАРЧИЕВ

Сравнение фидерных выключателей
постоянного тока 2ґВАБ-49-3200/30-Л
и GE Rapid 4207 2ґ4

На железных дорогах России, электрифицированных на постоянном токе, в последние годы проводятся масштабные работы по реконструкции и модернизации тяговых подстанций и постов секционирования. Департамент электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», возглавляющий эти работы, уделяет особое внимание внедрению самых современных устройств защиты тяговых сетей. В связи с этим изучается вопрос о целесообразности использования одного из лучших зарубежных быстродействующих автоматических выключателей GЕ Rapid 4207 2ґ4 компании GE Power Controls, Германия, взамен отечественных сдвоенных 2ґВАБ-49-3200/30-Л, выпускаемых ОАО «УЭТМ» (далее соответственно GЕ Rapid и 2ґВАБ-49).

В связи с актуальностью совершенствования защиты тяговых сетей постоянного тока было проведено исследование целесообразности такой замены. Для этого сравнивали указанные выключатели по следующим параметрам:

• отключающей способности;
• ампер-секундам отключаемого тока, прошедшего через место короткого замыкания за время его отключения;
• коэффициенту ограничения отключаемого тока;
• надежности действия;
• коммутационному и механическому ресурсу;
• удобству обслуживания;
• габаритам и стоимости.

Отключающая способность выключателя, как известно, определяется величиной установившегося тока в отключаемой цепи с заданной величиной индуктивности, в которой рассматриваемый выключатель способен ограничить ток короткого замыкания (далее к. з.) и отключить его [1]. При этом чем меньше величина ограниченного выключателем отключаемого тока к. з. и чем меньше время его отключения, тем выключатель лучше по своим защитным качествам [2].

Ампер-секунды отключаемого тока, прошедшего через место короткого замыкания, определяют вероятность пережога проводов контактной сети при возникновении дуги в месте к. з. Так, согласно [3, 4] для пережога контактного провода МФ-100 в этих условиях достаточно, чтобы число ампер-секунд, обусловленное током, протекающим через место к. з., было в пределах 250 – 400.

Следует учитывать также, что величина этого показателя, при которой происходит пережог провода, может быть набрана в результате нескольких последовательных включений выключателя на дуговое к. з., разделенных малыми промежутками времени, например временем первого автоматического повторного включения (АПВ), равного 5 – 8 с.

Коэффициент ограничения отключаемого тока короткого замыкания определяется отношением максимального значения тока, протекающего через быстродействующий выключатель, к его уставке. Этот коэффициент опосредованно характеризует быстродействие выключателя и скорость нарастания напряжения на его дуге. При равных условиях лучшим следует считать выключатель с меньшим коэффициентом ограничения тока.

Надежность действия выключателей, как и любого другого электрического аппарата, определяется надежностью его составных узлов и предусмотренной возможностью их резервирования. При сравнении двух аппаратов одинакового принципа действия, построенных из одинаковых по надежности узлов, более надежным будет аппарат, у которого предусмотрена возможность резервирования узлов.

Коммутационный и механический ресурсы выключателя опосредованно определяют стоимость его эксплуатационного обслуживания. Выбирая выключатели, следует отдавать предпочтение аппаратам с большим ресурсом при прочих равных условиях.

Габариты и стоимость как категории сравнения имеют смысл лишь в том случае, когда сравниваемые выключатели равноценны по всем перечисленным выше показателям. В случае когда оба сравниваемых выключателя по-разному, но справляются с отключением защищаемой цепи, их следует сравнивать по приведенной стоимости эксплуатации, в которую, кроме стоимости самих выключателей, следует включать и приведенную стоимость ущербов в контактной сети в ходе их эксплуатации.

Методика сравнения
выключателей по главным параметрам

Из перечисленных сравниваемых параметров главными являются первые три: отключающая способность выключателя, ампер-секунды тока, прошедшего через место к. з., и коэффициент ограничения отключаемого тока к. з.

Наиболее объективным методом сравнения выключателей по главным параметрам следует считать сопоставление результатов, полученных при опытах отключения сравниваемыми выключателями одной и той же цепи при равных условиях.

Применительно к рассматриваемым выключателям 2ґВАБ-49 и GЕ Rapid такие опыты не проводились. В связи с этим необходимо прибегнуть к компьютерному моделированию процессов отключения сравниваемыми выключателями одной и той же цепи, схема которой для тяговой сети постоянного тока имеет вид, приведенный на рис. 1.

 

Рис. 1. Расчетная схема замещения цепи для компьютерного моделирования процессов отключения токов короткого замыкания в тяговой сети постоянного тока: Ud0 – напряжение холостого хода источника питания (тяговой подстанции); r, Lп – эквивалентные сопротивление и индуктивность тяговой подстанции, определяемые параметрами первичной питающей системы, мощностью и числом понижающих и преобразовательных трансформаторов; Rтс, Lтс — сопротивление и индуктивность тяговой сети до места к.з. (суммарные значения индуктивно связанных и последовательно соединенных контактной и рельсовой сетей); Rр, Lр — сопротивление и индуктивность реакторов сглаживающего устройства тяговой подстанции; Uд(t)–напряжение на дуге выключателя; iк — ток к. з.; К – место короткого замыкания

Все элементы цепи линейные, в том числе и напряжение на дуге выключателя U_д(t), поскольку согласно [2], [5] и результатам многочисленных испытаний в ОАО «УЭТМ» значение U_д(t) можно принимать не зависящим от величины тока и параметров элементов рассматриваемой цепи. Таким образом, при моделировании параметр U_д(t) может быть задан в виде заранее известной функции времени, определяемой лишь конструктивной особенностью дугогасительной камеры выключателя, в том числе и камеры с деионной решеткой.

 

Рис. 2. Зависимости напряжения Uд на дуге выключателя GE Rapid и тока к. з. iк от времени, рекомендуемые компанией GE Power Controls для компьютерного моделирования отключений тока короткого замыкания: Dt0 – собственное время выключателя (от момента достижения уставки защитным устройством выключателя t1 до момента расхождения его контактов t2, т. е. до момента появления на них дуги); Dt1 — время горения между контактами короткой дуги при напряжении 200 В; Dt2 – время подъема напряжения на дуге до 5500 В; Dt3 – время горения дуги при стабильном напряжении 5500 В (определяется моментом достижения током нуля t4, т. е. моментом отключения тока); Iу — ток уставки; vj — cкорость нарастания напряжения дуги на j-м участке

Так, при компьютерном моделировании процессов отключения цепи выключателем GЕ Rapid компания GE Power Controls рекомендует использовать зависимость U_д(t), приведенную на рис. 2 [6].

 

Рис. 3. Осциллограмма отключения установившегося тока короткого замыкания при LS = 0,4 мГн выключателем GE Rapid 4207 2ґ453 (по данным GE Power Controls)

Значения времени, рекомендованные компанией GE Power Controls, равны: Dt₀ = 2,5 мс; Dt₁ = 5,5 мс; Dt₂ = 7 мс. Поскольку эти данные не соответствуют результатам, представленным компанией в виде опытной осциллограммы (рис. 3), потребовалась корректировка параметров на базе указанной осциллограммы. В результате принято (cм. рис. 2):

Dt0 = 3,36 при v0 = 0;

Dt1 = 6 при v1 = 200;

Dt2 = 7 при v2 = 757;

Dt3 = (до t4) при v3 = 0.

Здесь v_j – скорость нарастания напряжения дуги на j-м участке.

 

Рис. 4. Осциллограмма отключения сдвоенным выключателем 2ґВАБ-49 глухого короткого замыкания с установившимся током 27 кА на выходе тяговой подстанции Исток (по данным ОАО «УЭТМ»)

При определении зависимости U_д(t) для выключателя 2ґВАБ-49 использованы практически идентичные осциллограммы, снятые ОАО «УЭТМ» (одна из них показана на рис. 4), на которых отображены процессы отключения выключателем 2ґВАБ-49 глухого короткого замыкания с установившимся током 27 кА на выходе тяговой подстанции Исток Свердловской железной дороги при двух включенных преобразовательных агрегатах, отключенных фильтрустройстве и разрядном устройстве, но при сохранении в цепи сглаживающих реакторов.

 

Рис. 5. Зависимость Uд(t) на дуге выключателя 2ґВАБ-49 для компьютерного моделирования отключений тока короткого замыкания (по данным осциллограмм рис. 4): обозначение позиций, как на рис. 2

На основании кривых, приведенных на рис. 4, для выключателя 2ґВАБ-49 получена усредненная зависимость нарастания напряжения на двух последовательно соединенных камерах выключателя 2ґВАБ-49, отображаемая следующими параметрами (рис. 5):

Dt0 = 6,34 при v0 = 0;

Dt1 = 2,6 при v1 = 357;

Dt2 = 2,8 при v2 = 2341;

Dt3 = 3,4 при v3 = 87,5;

Dt4 = 1,5 при v4 = 1353;

Dt5 = 2,5 при v5 = 148;

Dt6 = (до t4) при  v6 = 0.

Для проведения компьютерного моделирования необходимо знать реальные параметры отключаемой цепи, а именно: суммарное сопротивление R_S и суммарную индуктивность L_S цепи с к. з. в расчетной схеме замещения отключаемой цепи (рис. 6), которая эквивалентна приведенной на рис. 1, где:

 

Рис. 6. Расчетная схема замещения, эквивалентная приведенной на рис. 1 и предназначенная для компьютерного моделирования отключений тока короткого замыкания