Защита оборудования электровозов от коротких замыканий и перегрузок

В процессе эксплуатации любой электрической установки в ней могут возникнуть короткие замыкания, недопустимые перегрузки, перенапряжения или, наоборот, может резко снизиться напряжение. Чтобы предупредить последствия этих режимов, которые могут вызвать серьезные повреждения оборудования электровозов, устанавливают различные защиты.

С двумя аппаратами защиты от коротких замыканий и перегрузок мы уже познакомились - это быстродействующий выключатель на электровозах постоянного тока и главный выключатель на электровозах переменного тока.

Быстродействующий и главный выключатели не могут защищать силовую цепь от всех ненормальных режимов. Поэтому для контроля исправности действия электротехнических устройств, сигнализации о нарушении нормального режима их работы, автоматического отключения цепей или всей установки применяют релейную защиту. Основным аппаратом в ней является реле.

По принципу действия реле могут быть электромагнитными, тепловыми, электродинамическими и др. Благодаря простоте устройства, надежности, возможности применения как при постоянном, так и при переменном токе наибольшее распространение в электрических изделиях, в том числе и на электровозах, получили электромагнитные реле.

Принцип действия электромагнитного реле, защищающего, например, электрический двигатель Д (рис. 104) от перегрузки, заключается в следующем. В случае возрастания тока в двигателе сверх максимального допустимого якорь реле, по катушке которого проходит ток защищаемой цепи, притягивается к сердечнику, преодолевая усилие пружины. При этом контакты а и б, замыкаясь, включают сигнальную лампу, что сигнализирует машинисту о перегрузке тяговых двигателей. Контакты в и г вызывают отключение главного или быстродействующего выключателя, разрывая цепи держащих катушек.

Рис. 104. Схема включения электромагнитного реле

Ток, при котором срабатывает реле, называют током его уставки. Уставку реле регулируют, изменяя натяжение пружины. Электромагнитное реле при соответствующей уставке может быть использовано как реле максимального напряжения или как реле пониженного тока либо напряжения. В первом случае при повышении напряжения сверх допустимого контакты реле замыкаются, во втором - они размыкаются.

На электровозах ВЛ10, ВЛ8 контакты реле перегрузки не введены в цепь держащей катушки быстродействующего выключателя. При замыкании они включают цепь сигнала, свидетельствующего о перегрузке какой-либо цепи тяговых двигателей. Если перегрузка произошла в режиме ослабленного возбуждения, то под действием реле выключаются контакторы ослабления возбуждения. Число реле перегрузки соответствует числу параллельно включенных двигателей (см. рис. 48 и 64, где показаны реле перегрузки РП).

Если короткое замыкание произойдет в конце цепи тяговых двигателей электровозов постоянного тока, соединенных последовательно, то быстродействующий выключатель может не сработать, так как э. д. с. исправных двигателей, включенных в начале цепи, возрастает вследствие увеличения тока. При этом ток короткого замыкания будет невелик. Учитывая это, на электровозах ВЛ10, ВЛ8, ВЛ23 применяют чувствительную дифференциальную защиту, осуществляемую специальным реле.

Рассмотрим принцип действия этого реле. Через окно магнитопровода дифференциального реле проходят кабели начала и конца защищаемого участка силовой цепи двигателей РД (см. рис. 48), ток которых направлен встречно (рис. 105). На одном конце магнитопровода установлена включающая катушка, питающаяся от источника электроэнергии напряжением 50 В. Под действием ее магнитного потока притягивается якорь и замыкает контакты, включенные в цепь удерживающей катушки - быстродействующего выключателя. При нормальном режиме магнитные потоки, создаваемые вокруг кабелей ввода и вывода, взаимно уничтожаются. На рис. 105 условно сечение кабелей,проходящих через окно магнитопровода, показано окружностями; далее кабели изображены в виде соединительных линий электрической связи. Направление тока в кабелях из плоскости чертежа к нам, как принято в электротехнике, показано точкой, а от нас в плоскость чертежа - крестиком.

Рис. 105. Схема дифференциальной защиты электровозов постоянного тока

В случае короткого замыкания на землю, например в точке К, ток, проходящий по кабелю ввода, а следовательно, и создаваемый им магнитный поток резко возрастут. В кабеле вывода, наоборот, ток и магнитный поток уменьшатся до нуля. Магнитный поток кабеля ввода направлен встречно по отношению к потоку включающей катушки. Вследствие этого якорь реле под действием пружины оторвется от магнитопровода и разорвет цепь удерживающей катушки БВ.

Как было показано на рис. 29, ток короткого замыкания прерывается быстродействующим выключателем не сразу и после срабатывания дифференциального реле некоторое время продолжает увеличиваться. Поэтому магнитный поток, создаваемый током кабеля ввода, может вновь притянуть якорь реле. Чтобы не допустить этого, в средней части магнитопровода реле установлен магнитный шунт. Воздушные зазоры δ₁ этого шунта меньше, чем зазор δ₂ между отключенным якорем и торцом магнитопровода. Поэтому после отключения реле магнитный поток, создаваемый током кабеля ввода, будет замыкаться через магнитный шунт.

Дифференциальное реле не может защитить тяговые двигатели от перегрузки, так как неравенства, или, как говорят, небаланса токов в кабелях при этом не будет. Небаланс токов возможен только при коротком замыкании на землю.

На электровозах переменного тока дифференциальная защита тяговых двигателей не нужна, так как они соединены всегда параллельно и в их цепь включено реле перегрузки. Она используется для защиты от коротких замыканий выпрямительных установок. В этом случае катушку блока дифференциальных реле (БРД, см. рис. 64) вместе с дросселем включают между двумя точками цепи вторичных обмоток тягового трансформатора, имеющими равные потенциалы. Не останавливаясь подробно на действии защиты, отметим, что она реагирует на скорость нарастания тока короткого замыкания в выпрямительной установке. При быстром нарастании тока дроссель в цепи, где он установлен, задержит нарастание тока. Поэтому основная часть тока будет проходить по цепи катушек реле, где нет дросселя. Возникнет разница между магнитным потоком удерживающей катушки и магнитным потоком, вызванным током короткого замыкания. Реле сработает и его контакты разорвут цепь удерживающей катушки главного выключателя.

На электровозах переменного тока необходимо защищать силовые цепи от замыканий на "землю", точнее, на корпус (кузов) электровоза. Это объясняется тем, что вторичная обмотка трансформатора, выпрямительные установки и тяговые двигатели не соединены с землей, как на электровозах постоянного тока, где замыкание на землю вызывает срабатывание быстродействующего выключателя или дифференциальной защиты. Нарушение изоляции в одной точке силовой цепи не приведет к повреждению, но замыкание в двух точках уже создает аварийный режим. Поэтому нужно контролировать состояние изоляции силовой цепи.

Это осуществляют с помощью реле заземления РЗ - так называемой земляной защиты. Обмотка реле РЗ (рис. 106) соединена с корпусом локомотива и включена в цепь выпрямленного напряжения селенового выпрямителя СВ. Выпрямитель питается от вторичной обмотки 380 В тягового трансформатора.

Рис. 106. Схема защиты силовой цепи от замыкания на землю

В целях использования одного и того же реле для двух групп тяговых двигателей его подключают через два одинаковых резистора Р к точкам силовой цепи, имеющим равные потенциалы. В случае пробоя, допустим в точке а, образуется цепь выпрямленного тока, реле срабатывает и отключает главный выключатель.

Цепи вспомогательных машин защищают с помощью реле перегрузки, которые вызывают отключение главного или быстродействующего выключателя, а также плавкими предохранителями и дифференциальной защитой. Асинхронные двигатели вспомогательных машин электровозов переменного тока имеют тепловую защиту ТЗ от перегрузки (см. рис. 87, б). В тепловом реле (рис. 107) смонтированы биметаллические элементы, состоящие из двух соединенных одна с другой пластин, на которых установлены размыкающие блок-контакты. Пластины имеют разные коэффициенты линейного расширения. В случае длительной перегрузки или короткого замыкания элементы нагреваются и изгибаются. После достижения определенного прогиба пластин их блок-контакты разрывают цепь включающей катушки и контактор отключается. Когда установится нормальная температура, элементы займут исходное положение. Реле тепловой защиты включают в каждые две фазы, подводимые к двигателю.

Рис. 107. Схема тепловой защиты