О требованиях к защите установок для плавки гололеда на ВЛ постоянным током

О ТРЕБОВАНИЯХ К ЗАЩИТЕ УСТАНОВОК ДЛЯ ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА НА ВЛ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ1
Молодцов В. С., Середин Μ. М., кандидаты техн. наук, Изотов Μ. Е., инж.
Энергосетьпроект, Южное отделение

Эффективное средство повышения надежности воздушных линий (ВЛ) электропередачи, проходящих в гололедных районах страны, — это применение установок для плавки гололеда (УПГ) постоянным током. В настоящее время в эксплуатации находится более 200 УПГ, каждая из которых может содержать 1—6 выпрямительных агрегатов, в основном типа ВУКН-1200-14000, имеющих номинальное напряжение питания 10 кВ и выпрямленный ток 1200 А.
Очевидно, что к агрегатам ВУКН, являющимся средством повышения надежности ВЛ, предъявляются требования обеспечения необходимой надежности работы самих агрегатов, которая в решающей степени зависит от эффективности средств их защиты при аварийных режимах работы.
Как показывает опыт эксплуатации, возможны все основные виды аварии УПГ — пробой плеча выпрямительного агрегата или шунтирование плеча при замыкании на землю в цепи его питания в случае работы с заземленным полюсом, а также замыкание между выводами постоянного тока. Наиболее тяжелое последствие указанных аварий — выход из строя вентилей выпрямителя вследствие их перегрузки по току при коротких замыканиях (КЗ). В этом случае требуется значительное время для выявления и замены большого числа поврежденных вентилей (в одном плече ВУКН-1200-14000 содержится 48 вентилей), что резко снижает оперативность повторного ввода УПГ в работу и вследствие этого надежность ВЛ при возникновении гололедной ситуации.
Тепловое воздействие токов КЗ на полупроводниковые приборы не будет превосходить допустимого уровня, если средства защиты УПГ позволяют обеспечить связь между током КЗ iи временем КЗ t, которая удовлетворяет соотношению

допустимое значение интеграла квадрата аварийного тока за время КЗ t [1].
Для удовлетворения (1) необходимо добиваться ограничения значения тока КЗ i или времени его протекания t.
Ограничение значения тока КЗ осуществляется путем установки необходимого количества реакторов в цепях питания УПГ. Для ограничения времени протекания аварийных токов по вентилям применяют быстродействующие электронные защиты, которые воздействуют на устройство поджига высоковольтного дугового короткозамыкателя (ДКЗ) [2], силовые электроды которого подключены к входным и выходным полюсам выпрямительного агрегата.
По данным [2] время срабатывания ДКЗ составляет 0,02 с с вероятностью 0,8. При таком времени существования тока КЗ в вентилях завод-изготовитель гарантирует устойчивость агрегатов ВУКН в том числе, если суммарное индуктивное сопротивление х цепи питания ВУКН выбирается по зависимости допустимого индуктивного сопротивления от суммарного активного сопротивления в этой цепи хдоп(R) [3].
Анализ статистических данных для ПС 110—500 кВ, где используются УПГ постоянного тока, показывает, что значения R, приведенные к ступени 10 кВ, не превышают0,1 Ом. При этом по зависимостям [3],. В худшем случае при
Действительное значение суммарного индуктивного сопротивления в цепях питания УПГ лежит в пределах 0,2—0,7 Ом, поэтому в большинстве случаев для обеспечения устойчивости агрегатов ВУКН при времени существования КЗ 0,02 с необходимо включать в цепи питания УПГ дополнительные реакторы, наибольшее суммарное индуктивное сопротивление которых в каждой фазе может быть до 0,7 Ом. При реализации такого технического решения происходит удорожание УПГ, увеличение площади под строительство, ухудшаются технико-экономические показатели УПГ вследствие увеличения сопротивления источника питания.
Большие трудности с установкой дополнительных реакторов могут возникнуть при сооружении УПГ на действующей подстанции. Здесь же следует отметить, что в соответствии с экспериментальными данными действительное время шунтирования поврежденной установки ВУКН, как правило, значительно превышает указанное время 0,02 с.  
Объясняется это тем, что падение напряжения на дугах между силовыми электродами ДКЗ (200—400 В) существенно превышает падение напряжения на неповрежденных плечах установки ВУКН при протекании тока в прямом направлении. В результате этого прекращение тока КЗ по неповрежденным плечам выпрямительной установки происходит только после отключения выключателя через 0,15 с.
Поэтому необходимое сопротивление дополнительно устанавливаемых реакторов может превышать указанное ранее значение 0,7 Ом.
Исключить необходимость установки дополнительных реакторов в цепях питания УПГ можно путем уменьшения времени существования токов КЗ в вентилях выпрямительного агрегата. Для получения зависимости требуемого времени существования КЗ от действительного значения х необходимо в (1) подставить расчетное выражение для тока КЗ iрасч(t).
Рассмотрим расчетные аварийные режимы трехфазного выпрямителя с точки зрения максимального выделения тепла в вентилях неповрежденных плеч в соответствии с [4].
1. Режим КЗ на выходе выпрямителя. При этом расчетное выражение для тока КЗ, протекающего по плечу, вентили которого подвергаются наибольшему воздействию аварийного тока, в предложении R—0.
наибольшей допустимой температуры полупроводниковой структуры θ =140 °C.
Подставив (2) и (3) в (1) и проведя преобразования, получим

В выражениях (4), (5) коэффициенты 0,25 учитывают тот факт, что в плечах преобразователя ВУКН-1200-14000 каждая из последовательно соединенных групп содержит по 4 параллельно соединенных вентиля типа В2-320.
Зависимостиприведены на рисунке. Там же для сравнения приведена зависимость ί(x3) для тока i=Iт sin ωt, характеризующая большую скорость нарастания величины

чем для тока iрасч 2.

Для обеспечения устойчивости вентилей агрегатов ВУКН к токам КЗ фактическое значение х должно при данном значении t превышать большее из двух значений храсч1, храсч2.
Учитывая, что реальный диапазон значений х лежит в пределах 0,2—0,7 Ом, нетрудно сделать вывод, что при t=4-5 мс практически всегда выполняется условие х>хдоп.
Обеспечить столь высокую скорость шунтирования выпрямительного агрегата может только специальный коммутационный аппарат, используемый в качестве короткозамыкателя.
В нашей стране и за рубежом разработано несколько видов таких., короткозамыкателей, которые, однако, до настоящего времени не получили широкого распространения на практике.
В качестве примеров можно привести короткозамыкатель для защиты вентильных преобразователей, приводимый в действие сжатым воздухом [5] или энергией сжатой пружины [6].
В СССР некоторое практическое использование в защите выпрямительных агрегатов электровозов получил короткозамыкатель пружинного типа, разработанный в НИИ Новочеркасского электровозостроительного завода, кинематическая схема которого защищена авторским свидетельством № 315224. Его время срабатывания от момента подачи управляющего импульса до момента замыкания контактов не более 3,5 мс, допустимый сквозной ток КЗ в течение 0,1 с Iкз = 16 кА.
Современные электронные защиты вентильных преобразователей могут быть выполнены с временем срабатывания около 1,5 мс, поэтому суммарное время от момента начала КЗ до момента шунтирования выпрямителя не будет превышать 5 мс.
Указанный короткозамыкатель не может использоваться непосредственно для защиты выпрямителей УПГ по причине несоответствия ряда параметров, однако его конструкция может быть положена в основу разработки короткозамыкателей с требуемыми параметрами.
В заключение следует отметить, что задача повышения надежности и экономичности УПГ может решаться изложенным способом как для существующих агрегатов ВУКН, так и для будущих поколений выпрямительных агрегатов УПГ, подготавливаемых в настоящее время к серийному выпуску.

Выводы

1. Для решения актуальной задачи повышения надежности и экономичности установок для плавки гололеда на ВЛ постоянным током целесообразно осуществлять защиту от КЗ с помощью быстродействующих короткозамыкателей, образующих после срабатывания металлическое КЗ на вводах выпрямительных агрегатов.
2. Учитывая имеющийся опыт разработки и эксплуатации короткозамыкателей для защиты вентильных преобразователей УПГ, а также актуальность повышения надежности ВЛ с помощью
3. УПГ при возникновении гололедоопасных ситуаций, следует ставить перед промышленностью задачу создания специальных короткозамыкателей с требуемыми параметрами для защиты выпрямительных агрегатов УПГ постоянного тока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чебовский О. Г., Моисеев Л. Г., Сахаров Ю. В. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник. М.: Энергия, 1975.
2. Климук Π. П., Никонец Л. А., Хруш П. В. Влияние мощности устройства поджига на быстродействие дугового короткозамыкателя установки плавки гололеда. — Эксплуатация и ремонт электрических сетей. Экспресс-информация, 1985, вып. 7.
3. Установки выпрямительные типа ВУКН. Каталог Информэлектро 05.47.02-81, 1981.
4. Глух Е. М., Зеленое В. Е. Защита полупроводниковых преобразователей. М.: Энергоиздат, 1982.
5. Защита тиристорных вентилей с помощью короткозамыкателей. — Электрические станции, сети и системы. Экспресс- информация, 1971, № 44.
6. Кузнецов О. А., Стиол Я. И. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергия, 1966.